Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Патентно-информационный обзор

1.1 Лазерное термоупрочнение

Лазерное термоупрочнение применяется для повышения срока службы деталей, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что локальный участок поверхности массивной детали нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется передачей энергии лазерного излучения вглубь материала, используя его теплопроводность. После прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах, характерных только лазерной обработке.

Особенность термического цикла при лазерной закалке - отсутствие выдержки при постоянной температуре. Вслед за подъемом температуры следует немедленное охлаждение. Для образования мартенсита при интенсивном охлаждении необходимо понижать температуру металла со скоростью выше критической для сплава с определенным содержанием углерода. Мартенситное превращение развивается в интервале температур М_н и М_к (температура начала и конца превращения соответственно) зависит от содержания углерода и легирующих элементов.

Структура «лазерного» мартенсита более дисперсна, обладает повышенной твердостью и высоким уровнем внутренних напряжений по сравнению со структурой мартенсита, образующейся при других видах упрочняющей обработки.

Использование лазерного упрочнения позволяет обеспечить улучшение многих эксплуатационных показателей, а именно износостойкости, теплостойкости, остаточных напряжений в упрочненном слое, механических характеристик, коррозионной стойкости и др. Глубина упрочненной зоны на образцах металла после лазерной термообработки без оплавления поверхности обычно не превышает 0,2 мм, однако этого вполне достаточно, чтобы повысить стойкость изделий более чем в 2,5 раза.

Основные преимущества поверхностного упрочнения металлов лазерными комплексами:

- Широкий диапазон регулирования энергии импульсов лазерного излучения, частоты следования, их формы и длительности позволяют обеспечить необходимую структуру поверхностного слоя, его свойства, такие как твердость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков. Работы могут выполняться как на малогабаритных, так и крупногабаритных деталях и узлах, выполненных практически из любых металлов и сплавов.

- Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал дает возможность обрабатывать хрупкие конструкции.

- Возможность обработки на воздухе без необходимости подачи газа, отсутствие вредных выбросов.

- Использование автоматизированных координатных столов с системой управления, позволяет точно позиционировать детали при лазерной обработке.

- Возможность плавного вертикального перемещения излучателя лазера по высоте в сочетании с трех координатным позиционированием обрабатываемых деталей расширяет инструментальную зону обработки и оперативность технологической перестройки под новые изделия.

- Специально разработанное программное обеспечение позволяет легко управлять процессом с компьютера.

- Возможность транспортировать излучение на значительные расстояния и подвода его при помощи волоконных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы, в том числе с помощью высококонцентрированных источников энергии (плазменной обработки, ТВЧ, ЭЛО и др.), применить невозможно. Гибкость системы подвода лазерного излучения позволяет легко интегрировать оборудование в технологическую линию. Важным преимуществом является также высокая степень лазерной безопасности, при доставке излучения на расстояние в несколько метров.

- Наличие в составе установок оптической контрольно-фокусирующей системы со стереоскопическим микроскопом позволяет производить контролировать выполнение технологических операций с повышенной точностью. Система наблюдения, в соответствии с медицинскими требованиями, оснащена устройством защиты глаз оператора от вспышки в момент вспышки лазера, что обеспечивает полную безопасность работ. Большое увеличение и высокое качество стереоизображения позволяют производить сложные работы в ручном режиме.

- Система видеонаблюдения позволяет с хорошим качеством отображать на мониторе обрабатываемую поверхность. Конструктивная особенность видеокамеры позволяет получать изображение на мониторе одновременно с наблюдением стереоизображения в бинокулярной головке.

- Оборудование для освещения рабочей зоны применяется для получения максимально четкого изображения обрабатываемой поверхности.

- В большинстве случаев процесс лазерного упрочнения проводится без оплавления поверхности, следовательно, для его проведения возможно использовать установки небольшой мощности, что снижает их стоимость. Многофункциональность установок позволяет при необходимости успешно выполнять операций лазерной гравировки, прошивки отверстий и сварки.

В зависимости от конкретной задачи наши специалисты проводят анализ режимов лазерного упрочнения, а также правильный учет особенностей предшествующей термообработки и геометрии рабочей части деталей машин или инструмента, на основе чего может быть сделан выбор оптимальных схем облучения.

Некоторые области применения лазерного упрочнения в производстве:

производство режущих инструментов;

автомобильная промышленность;

оборонная промышленность;

космическая промышленность;

производство пресс-форм;

производство медицинской техники.

1.2 Обзор литературы по системам управления

Система числового программного управления FMS-3000

Базовый вариант УЧПУ FMS3000 имеет следующую конфигурацию в соответствии с рисунком 1:

Промышленная рабочая станция с 15» CRT дисплеем: P233MMX/32Mb RAM/16Мb Flash/FDD; Средняя наработка на отказ: 50000 ч.

Технические характеристики программного обеспечения устройства ЧПУ FMS3000.

· Количество управляемых координат, поддерживаемых программным обеспечением: 255;

· Минимальное задание и перемещение, мм (град): 0.001;

· Максимальное задание и перемещение, мм (град): 1*10^16;

· Диапазон подач, мм/мин (град/мин): 2.9*10^-39..1.7*10^38;

· Оперативная коррекция в пределах, (%%): 2.9*10^-16…1.7*10^40;

· Максимальный радиус дуги окружности, мм: 1*10^16;

· Минимальное время выполнения кадра управляющей программы (Р200), сек: 0.001 (1000 кадров в секунду);

· Размер отрабатываемых управляющих программ: без ограничений по объему;

· Линейная интерполяция: по всем осям одновременно;

· Круговая, линейно-круговая интерполяция: в любой плоскости;

· Кодирование управляющих программ: стандарт ISO;

· Коррекция на радиус инструмента: в любой плоскости;

· Коррекция на длину инструмента: по любой оси;

· Поворот системы координат детали: в любой плоскости на любой угол;

· Программирование в полярных координатах;

· Масштабирование с произвольным коэффициентом по любой оси;

· Программирования циклов пользователя (добавление дополнительных G-функций);

· Возможность перекрытия стандартных G-функций

· Возможность программирования и отработки процесса нарезания резьбы;

· Наличие системы отработки подпрограмм (с неограниченным вложением);

· Возможность отработки программы с любого кадра с автоматическим определением начальных условий (исходной точки и G-функций);

· Возможность отработки программы до заданного кадра;

· Выход в заданное положение (позиционированием или обратным ходом) с автоматическим запуском продолжения отработки программы;

· Зеркальная отработка программы относительно произвольной точки;

· Отработка программы с отключением любых осей;

· Отработка программы с блокировкой технологии и геометрии (режим проверки);

· Автоматическая коррекция люфтов, погрешностей ходовых винтов, дрейфа нуля приводов, позволяющая повысить точность позиционирования и отработки;

· Наличие скоростной компенсации, обеспечивающее точное согласование движения координат, что повышает точность объемной обработки;

· Возможность подключения электронных маховиков для перемещений по заданным координатам;

· Многозадачная работа - возможность параллельно отрабатывать программу на станке, прорисовывать и редактировать другие, считывать или записывать файлы на дискеты;

· Оперативная коррекция подачи и скорости вращения шпинделя;

· Возможность работы в локальной вычислительной сети.

· Формат файловой системы УЧПУ совместим с форматом MS-DOS и WINDOWS;

· Графический цветной интерфейс пользователя по стандарту CUA с поддержкой манипуляторов типа «Мышь», «Трекбол»;

· Возможность графической 3D прорисовки управляющей программы с масштабированием и разворотом в нужной проекции;

· Наличие встроенного редактора для управляющих программ неограниченного размера;

· Встроенный язык макропрограммирования (подмножество языка BASIC) с большим количеством операторов, вычислительных, графических функций и функций ввода-вывода (*, +,-, /, sin, cos, tan, arctan, print, input, window, line, и др.);

· Возможность разработки диалоговых управляющих программ;

· Наличие развитой системы параметров УЧПУ, параметров станка и параметров пользователя для учета любых особенностей станка, предпочтений технолога и оператора;

· Наличие программного осциллографа, позволяющего отследить изменения любых переменных и сигналов, имеющихся в ЧПУ в режиме реального времени;

· Ведение журнала работы с сохранением времени появления сообщений и ошибок;

· Русскоязычный интерфейс.

· Встроенный язык электроавтоматики с широкими возможностями отладки и индикации.

Система передачи информации от IBM PC

Система передачи предназначена для двустороннего обмена УП, а также другой технологической и тестовой информацией между IBM PC и станками с ЧПУ, удаленными на расстояние до 1 км. Возможно подключение к 1 компьютеру до 32 станков с различными типами устройств ЧПУ (2С42-65, 2С42-61, Н33, Н22, НЦ31, МС2109, МИКРОЛИД-62, CNC-600, CNC-700, CNC-432, Allen-Bradly, Siemens, Bosch, Fanuc и др.). В зависимости от условий эксплуатации, по выбору заказчика, Система передачи может быть реализована как на базе обычного офисного компьютера, так и IBM-совместимой рабочей станции промышленного исполнения.

Применение системы позволило:

· существенно улучшить характеристики устройств ЧПУ без их дорогостоящей замены: - подключение к компьютеру устройств ЧПУ класса NC (например, Н22, Н33), не имеющих памяти для хранения УП, позволяет использовать для этого память компьютера;

· подключение к компьютеру устройств класса CNC (например, 2С42-65) позволяет производить непрерывную отработку УП, объем которых превышает объем памяти ЧПУ, в режиме «подкачки» информации, без промежуточного дробления УП на части, кратные объему памяти ЧПУ;

· увеличить производительность труда за счет увеличения в 8-10 раз скорости загрузки УП;

· осуществить полный контроль за работой станков с выводом на печать протокола рабочего дня;

· полностью исключить из обращения перфоленту и расходы, связанные с ее использованием;

· интегрировать станки с ЧПУ в заводскую компьютерную сеть.

Служба технологов получила возможность:

· унифицировать систему программирования для всей номенклатуры станков с УЧПУ 2С42;

· устанавливать уровень доступа операторов станков к УП (полный доступ или запрет редактирования);

· осуществить контроль за правильностью изменений в УП, которые производят операторы станков;

Операторы ЧПУ получили возможность:

· находить и загружать с пульта ЧПУ нужную УП из памяти IBM PC;

· работать с библиотеками программ, корректоров и нулей;

· редактировать и сохранять УП в памяти IBM PC с пульта ЧПУ.

Служба наладки систем ЧПУ получила возможность:

· тестировать аппаратную часть УЧПУ от компьютера;

· исключить затраты, связанные с ремонтом ФСУ и перфораторов.

Способ подключения со стороны IBM PC.

Адаптер 8-канальный «токовая петля» в соответствии с рисунком 2

Адаптер предназначен для организации связи с внешними устройствами по 8 последовательным каналам в Системе двусторонней передачи информации от IBM PC. Адаптер выполнен в соответствии со стандартом на платы расширения для IBM РС и устанавливается внутри системного блока ПК. Обеспечивается возможность совместной работы до четырех адаптеров в одном ПК. Питание адаптера по цепи +5В осуществляется от источника питания ПК. Внешние устройства подключаются к адаптеру через 4-проводные линии связи.

Способы подключения со стороны станка:

· эмулятор фотосчитывающего устройства DATALOAD-MS (для всех типов ЧПУ);

· математическое обеспечение со встроенным протоколом обмена (для 2С42, НЦ31, МС2109);

· коннектор «RS232-Current Loop» в соответствии с рисунком 3 (для УЧПУ с интерфейсом RS-232);

· индивидуальные способы для нестандартного оборудования.

Устройство числового программного управления NC-110

Устройство числового программного управления NC-110 является дальнейшим развитием серии УЧПУ NC-100.

Устройство ЧПУ построено по модульному принципу и позволяет удовлетворять растущие требования потребителей путем встраивания дополнительных модулей.

Устройство легко адаптируется для самых сложных объектов, элементы которых могут требовать одновременного и независимого управления в реальном времени.

Мощное программное обеспечение позволяет управлять станками всех основных типов: токарными, фрезерными, обрабатывающими центрами, копировальными, шлифовальными, кузнечно-прессовым оборудованием,

термической и лазерной резки и др.

Графическая поддержка.

Графика позволяет:

· просматривать реальное движение инструмента;

· проверять элементы траектории инструмента при отключенном станке;

· производить точную настройку приводов в режиме осциллоскопирования.

Пооперационный контроль.

Система изготавливается с использованием пооперационного контроля, начиная от подготовки производства и до выпуска готового изделия, включая температурный прогон с последующей функциональной проверкой работы всех модулей.

Особенности программирования.

Технологическое программирование использует:

· привычные G-функции;

· трехбуквенные коды, позволяющие давать осмысленные названия макрокомандам;

· встроенный язык описания графических объектов, позволяющий программировать сложные 2D контуры непосредственно с чертежа без использования САПР. УЧПУ само вычисляет точки пересечения и касания геометрических элементов. Такое решение позволяет легко ориентироваться в выборе функций для составления управляющих программ вручную.

Простота в изучении и использовании.

Обслуживание и работа с УЧПУ не вызывает никаких трудностей у персонала. Через сообщения пользователю предоставляется полный контроль за выполняемыми операциями, а также за состоянием комплекса УЧПУ - станок.

Управление устройством ЧПУ выполнено в диалоговом режиме с использованием меню, которое позволяет легко ориентироваться в выполняемых операциях.

Программное обеспечение УЧПУ существует в русской, английской и китайской версиях; программное обеспечение преемственно и совместимо для всех серий УЧПУ.

В комплект поставки УЧПУ NC-110 входит:

· Блок управления (БУ)

· Пульт оператора (ПО)

· Станочный пульт (38 свободно-программируемых кнопок, электронный штурвал)

· Релейные модули постоянный ток 24В/3А, переменный ток 220В/1,5А, 110В/3А

· Кабели связи между БУ и ПО -10 м

· Кабель связи между ПО и станочным пультом -1 м

· Кабели связи с релейными модулями -2 м

· Разъёмы датчиков и ЦАПов

· Программа связи с персональным компьютером

· Комплект эксплуатационной документации

Ниже представлены технические характеристики УЧПУ NC-110.

УЧПУ NC 110 программно совместимо с УЧПУ Вектор, Контур, AB-8600 и 4СК, но построено на современной элементной базе и имеет более высокое быстродействие и более высокую надёжность.

Основные характеристики УЧПУ NC-110.

· Управляющих осей от 2 до 16 и такт управления приводами для 16-ти осей 1 мс.

· Дискретные Вх / Вых 48/32 - 384/256.

· Данные организованы в файлах (таблицы инструментов, коррекций инструментов, начальных чек).

· Подготовка управляющих программ одновременно с выполнением цикла обработки детали.

· Различные сообщения (ошибки при подготовке кадров, ошибки оператора, ошибки диагностики системы и станка)

· Компенсация погрешности ходового винта и компенсация люфтов.

· Программные ограничения.

· Защищенные области и определение рабочего поля из управляющей программы.

· Управление скоростью на профиле.

· Управление разгоном / торможением по линейному или экспоненциальному закону.

· Устанавливаемые при конфигурации начальные точки.

· Электронный штурвал.

· Диагностика при включении и во время работы.

· Последовательный канал RS232 и параллельный порт.

· Встроенный программируемый интерфейс логики станка.

· Язык высокого уровня для программирования интерфейса логики станка.

· Видеографика

· Процессорный модуль Pentium II MMX-200 (Flash-память 8 Мб, Видеоадаптер VGA и TFT, RAM от 4 Мб, Интерфейсы FDD, HDD, РС - клавиатуры, RS232, параллельный канал)

· ЦАП 14 разрядов или 16 разрядов (по заказу)

· АЦП 8 каналов 12 разрядов (по заказу)

· Подключаемые датчики - фотоимпульсные с питанием +5В

· датчик касания;

· дискретные Вх / Вых - 48/32 (макс. 8 модуля);

· Релейные платы.

Устройство комплектуется внешними модулями (24/16 вх/вых) NC110-41 DC-24V/3A, AC-110V/3А или AC-220V/1,5А

Пульт оператора.

· TFT 10.4» цветной

· герметизированная мембранная алфавитно-цифровая клавиатура с тактильным эффектом и клавиатура «МЕНЮ»;

Станочный пульт.

· герметизированная мембранная клавиатура с тактильным эффектом и светодиодной индикацией:

· 8 клавиш выбора режима работы и 38 свободно-программируемых клавиш;

· корректора (11 положений): подачи, ручных перемещений, корректор оборотов шпинделя; электронный штурвал;

Краткие характеристики программирования.

· Программирование в абсолютных размерах и приращениях, в миллиметрах и дюймах.

· Компенсация радиуса инструмента.

· Смещение нуля.

· Определение величины припуска.

· Коническое и цилиндрическое резьбонарезания с постоянным и переменным шагом.

· Циклы черновой обработки и чистовой обработки.

· Циклы обработки пазов и снятия стружки.

· Циклы резьбонарезания.

· Программирование полного круга.

· Прямое программирование при помощи углов, прямых и окружностей.

· Параметрическое программирование.

· Повторение частей управляющих программ.

· Подпрограммы с параметрами.

· Условные и безусловные переходы.

· Масштабирование.

· Пропуск кадров.

· 9999 инструментов и коррекций инструментов.

· Возможность включения нескольких функций G и M в кадре.

· Двойные оси.

· Непрерывные оси вращения.

· Оси вращения с заданием более 360 градусов.

· Скоординированная ось шпинделя.

· Виртуальные оси с преобразованием декартовые координаты / полярные координаты.

· Проверка отработки управляющих программ на быстром ходу и при блокированных осях.

· Определение длины инструмента на станке и цикл контроля целостности инструмента.

· Управление расточными и обточными головками.

· Запомненный поиск для продолжения отработки после останова.

· Многокадровое обратное прослеживание по профилю.

· Отвод инструмента от профиля и автоматический возврат на профиль.

· Встроенный редактор.

Из обзора видно, что приведенные СУ не подходят под выше указанные требования или подходят но обладают избытком лишних функций и дороги. Это приводит к необходимости разработки новой системы управления.

2. Лазерный технологический комплекс

2.1 Понятие ЛТК

Лазерный технологический комплекс (ЛТК) по термоупрочнению деталей представляет собой технологическую установку, снабженную манипулятором изделия и оптики, вспомогательной технологической оснасткой и оборудованием для проведения технологических операций и является одним из видов специализированных лазерных технологических комплексов (СЛТК), он предназначен для обработки одного типа деталей, что и определяет его конструкцию.

При создании ЛТК можно используются уже готовые, отработанные компоновки и конструкции, применяемые в станкостроении и робототехнике.

Основными элементами, входящими в состав любого ЛТК, являются лазер, манипулятор изделия или оптики, внешний оптический тракт и система управления. В ЛТК обязательно обеспечение функциональных связей между системой управления лазером и системой управления манипуляторами. Основная функция таких связей состоит в синхронизации движения манипулятора и лазерного луча. В качестве источника излучения в зависимости от условий применения могут быть использованы газовые, твердотельные, волоконные или диодные лазеры. Если ЛТК входит в состав технологического потока, то он включает систему автоматической загрузки и выгрузки деталей. В этом случае достигаемся максимальный эффект от использования ЛТК.

Ручной режим

В данном режиме реализуется выполнение следующих команд с пульта управления оператора:

· перемещение приводов постоянного тока и шаговых приводов;

· регулирование скорости и положения приводов;

· выход приводов в начальную точку;

· обнуление датчиков положения;

· управление заслонкой лазера;

· аварийная остановка системы и т.д.

Управление осуществляется непосредственно с экрана монитора, на котором выводится пульт оператора с соответствующими кнопками управления. Нажатие кнопок осуществляется либо от манипулятора типа «Мышь», либо с использованием набора клавиш. Процедура управления не отличается от общепринятой в системах программного управления, а клавиши имеют тоже мнемоническое изображение.

Автоматический режим

В данном режиме должно быть обеспечено движение по заданной траектории, которое должно соответствовать следующим требованиям:

· поддержание заданной скорости;

· обеспечение заданной точности.

В системе управления организовано ее тестирование, включающее:

· автоматический тест всей системы при ее запуске (тестирование нижнего уровня выполняют микроконтроллеры);

· автоматический тест всей системы из окна программы (тестирование нижнего уровня выполняет ПЭВМ);

· тестирование ручного управления (проверяется работоспособность приводов, клавиатуры).

В целях безопасности и надежности функционирования всей системы организовано разделение входа в систему управления на «Режим пользователя» и «Режим администратора». «Режим пользователя»

В данном режиме выполняются задачи:

· разработка траекторий перемещения;

· движение по заданной траектории (автоматический режим);

· работа в ручном режиме;

· тестирование всего оборудования. «Режим администратора»

В данном режиме выполняются задачи:

· ограничение прав пользователей на уровне системы, чтобы избежать непредвиденных ситуаций;

· управление запуском программы;

· установка и настройка связи с ЭВМ нижнего уровня. Комплекс программ выполнен в Windows-подобной среде.

Поэтому для подготовки оператора не требуется затрат, т. к. привычная среда позволяет быстро адаптироваться к работе.

3. Разработка системы управления АЛТК

3.1 Распределенная система программного управления

Повышение качества изготовления пресс-форм связано с повышением износостойкости кромок работающих поверхностей. Для повышения износостойкости производят упрочнение с использованием современных лазерных комплексов. Управление этим процессом предполагает использование специализированных систем управления. Учитывая специфику технологического процесса, управление должно осуществляться с учетом быстрой переналадки на новые форм комплекты. При этом эффективность процедур управления зависит от организационной структуры системы управления. Для решения поставленной задачи был использован сетевой подход.

Управление многокоординатными распределенными системами предполагает иные подходы, нежели существующие сегодня. Тенденции взаимоотношений потребителя и производителя систем управления в большей степени связано с финансовыми вложениями во вновь проектируемое оборудование. Потребителю систем выгодно иметь дешевую и эффективную систему. Производитель понимает, что дешевая система не будет обладать той эффективностью, которую требует потребитель. Решение столь запутанной задачи можно найти, если соединить в единое целое персональную ЭВМ, как устройство управления, программную среду AutoCAD, как средство задания программы управления и традиционные привода, т.е. решать задачу в классе PCNC систем, но с более простым подходом в программировании для часто сменяемой номенклатуры изделий.

Основными признаками таких систем управления являются принадлежность к классу персональных систем управления и использование принципов открытой архитектуры. Открытая архитектура означает глобальную гибкость системы, использование клиент-серверного подхода в организации транзакций, привлечение объектно-ориентированного подхода к определению макроструктуры, а также и на уровне технологии программирования. Все это предопределяет принципиально иную, в сравнении с известными решениями, организацию системы управления, в которой даже модули решающие традиционные задачи управления имеют новое функциональное и алгоритмическое наполнение, а также и новую программную (объектно-ориентированную) реализацию. Особо важную роль приобретает подсистема с терминальной задачей управления, которая определяет пользовательские характеристики и уровень сервиса для оператора.

При разработке математического обеспечения ЧПУ производители систем управления вынуждены внедрять новую технологию, технологию объектно-ориентированного программирования, без которой создание математического обеспечения в объеме многих мегабайт попросту невозможно. При этом объектно-ориентированный подход используют не только на уровне технологии программирования (для повышения надежности и обозримости математического обеспечения), но и на уровне макропроектирования системы. Последнее означает, что основные прикладные модули системы определяют как «вложенные объекты» (embedded objects) со стандартизованным прикладным интерфейсом API (Application Interface). При этом каждый объект-модуль является, как правило, сложной объектно-ориентированной структурой и отражает глобальный объектно-ориентированный подход при проектировании системы управления. Объектно-ориентированная магистраль поддерживает программно-аппаратные коммуникационные протоколы. Это означает, что она служит единым механизмом предоставления объектам-модулям информационных услуг. Такая возможность отражена и в самих интерфейсах объектов-модулей; они могут предоставлять данные, или запрашивать данные, или делать то и другое.

Открытая архитектура кроме решения необходимых задач управления предоставляет исключительно важные новые функциональные возможности:

возможность конфигурирования системы у конечного пользователя;

возможность встраивания коммерческих программных пакетов;

возможность непрерывной эволюции системы в условиях максимальной независимости от изменений базовой платформы;

возможность доступа к информации о состояниях любого программного модуля системы, а также к диагностической информации аппаратуры, приводов и управляемого объекта в целом.

Привлекательным в такой системе является программирование траекторий движения. В любом случае существует чертеж детали, подготовленный в электронном виде. Этот чертеж и становится управляющей программой. Для этого к стандартному программному обеспечению, в нашем случае это AutoCAD, добавляется файл динамической библиотеки, все остальное содержится в структуре прикладного программного обеспечения и в операционной системе.

Естественно, что существует определенный набор ограничений, связанный например, с изображением чертежа. Рисовать чертеж, необходимо последовательно вычерчивая конфигурацию детали из одной точки и заканчивая ее в точке начала. Между точками сопряжений не должно быть разрывов. Небрежно изготовленный чертеж станет причиной неудач.

Не все операционные системы подходят для управления в реальном времени. Любая операционная система, генерирующая внутренние прерывания влияет на процесс управления отрицательно.

3.2 Определение требований к СУ технологического комплекса

Особо важное значение для эффективного внедрения комплекса в производство занимают вопросы создания надежной и современной системы управления комплексом, ее унификация на базе современных достижений в области микропроцессорной техники, организации аппаратной - технических и математических средств управления. В данном направлении отечественной наукой и промышленностью накоплен определенный опыт разработки как специализированных, так и унифицированных систем управления.

Управление комплексом и процессом обработки заключается в управлении работой стола-манипулятора с установленными на нем деталями для обработки в согласованном (по программе) режиме, обеспечивая перемещение пятна излучения по заданным траекториям обработки за счет программного манипулирования деталями (перемещения и вращения) по соответствующим координатам

От системы управления технологического комплекса зависит качество работы всего комплекса в целом. Поэтому к системе управления предъявляется ряд требований среди которых такие как:

- возможность быстрой переналадки;

- легкое сопряжение с технологическим оборудованием;

- точность позиционирования;

- простота эксплуатации;

- повышенная надежность;

- малая масса и габариты;

- экономичность;

- возможность дистанционного управления;

- наличие системы индикации работы узлов, облегчающей наладку и ремонт системы управления.

3.3 Разработка структуры системы управления

При разработке структуры системы исходили из условия распределения задачи управления по узлам системы (контроллерами модулей). Такое решение позволит снизить требование к ПЭВМ. В такой системе ПЭВМ выполняет функции перевода траекторий заданных в системе САПР (AutoCAD) в коды. Эти коды передаются в контроллеры соответствующих устройств посредством канала связи RS-485. В контроллерах коды обрабатываются, и производится расчет текущей точки траектории интерполяции.

К контроллеру подключен датчик положения, который обеспечивает обратную связь по положению. Такое решение позволяет разгрузить канал связи. Что позволяет снизить требование к нему (скорость передачи), а значить снизить его стоимость. Структура распределенной системы имеет ряд преимуществ перед централизованной, возможен обмен информацией не только от ПЭВМ в контроллеры и обратно, но и между контроллерами системы управления минуя ПЭВМ. Это позволяет обеспечить в итоге большее быстродействие, чем аналогичные по задачам системы, но с централизованной структурой.

К преимуществам распределенной системы следует отнести возможность самодиагностики системы на наличие неисправности. В централизованной системе такая диагностика затруднена тем, что при неисправности какого либо блока система полностью теряет работоспособность и не может провести самодиагностику. Исходя из этого, можно сказать, что распределенная система обладает большими возможностями в плане управления.

Согласованной работой всего комплекса в целом занимается ЭВМ верхнего уровня, которая подает сигналы управления на микропроцессоры, те в свою очередь обрабатывают сигнал и передают обратно информацию о своем состоянии. По данным, полученным от ЭВМ верхнего уровня и значениям сигналов полученных с датчиков обратной связи привода исполнительного устройства, формируются сигнал управления исполнительным двигателем, рассчитывается положение и скорость вала исполнительного двигателя.

Стол-манипулятор работает на базе стола станка 6Т83Ш. В качестве быстродействующего регулируемого привода подач по координатам X, Y, Z ПРВП-02.

Управление перемещениями по каждой координате осуществляется от отдельной системы управления (микроконтроллера). Также в состав АЛТК входят 8 специальных вращателей, каждый из которых состоит из двух шаговых электроприводов. Каждый из приводов также имеет свой микроконтроллер.

Таким образом, структурная организация системы управления реализована в соответствии с рисунком 7, с использованием архитектуры типа «Общая шина» объединяющей управляющую ПЭВМ и группу из одиннадцати контроллеров. Два контроллера используются для управления тремя координатами станка-манипулятора, восемь - управляют шаговыми приводами, установленными на спутниках и один обслуживает релейную автоматику и лазерный комплекс.

ПЭВМ обеспечивает выполнение вычислительных функций, перевод траектории движения заданной в формате AutoCAD в управляющие коды, слежение за технологическим процессом и процедурой обмена информацией по каналу связи.

Плата перехода, выполненная на контроллере МАХ 1480, обеспечивает преобразование физического уровня протокола стандарта RS-232 в стандарт RS-485 и гальваническую развязку, с повышенной нагрузочной способностью линии связи.

3.4 Описание функциональных блоков СУ

Основные устройства и блоки и их назначение:

1. ПЭВМ

Обеспечивает выполнение вычислительных функций, перевод траектории движения заданной в формате AutoCAD в коды ЧПУ.

2. Плата перехода RS-232/RS-485.

Преобразует канал связи стандарта RS-232 в стандарт RS-485. Обеспечивает гальваническую развязку, повышает нагрузочную и емкостную способность линии связи.

3. Контроллер шагового двигателя

Всего в системе управления содержится 8 шаговых двигателей обеспечивающих угловое перемещение деталей форм комплекта. Контроллер ШД связан с ПЭВМ через последовательный порт RS-485, контроллер обрабатывает датчики положения шагового двигателя, имеет сигнал готовности.

4. Привод ШД

Содержит силовые ключи обеспечивающие коммутацию токов в обмотках ШД. Имеет схему защиты от перегрева корпуса микросхемы, защиту от короткого замыкания в обмотках.

5. Контроллер ввода-вывода

Обеспечивает связь ПЭВМ с технологическими устройствами посредством модуля ввода и модуля вывода. Через эти устройства подключаются дискретные сигналы (управление реле, чтение концевых выключателей и др.)

6. Контроллер координат

Имеет канал связи с ПЭВМ через который обеспечивается передача данных об обрабатываемой траектории движения (скорости, ускорения, положение) от ПЭВМ к контроллеру и передача информации с датчиков положения и концевых выключателей от контроллера к ПЭВМ.

7. Привода координат

Обеспечивают формирование силовых сигналов управления на двигатели УПС-6 содержат обратную связь по скорости. Имеют защиту от перегрева силовых модулей и защиту от превышения токов в обмотках двигателей. Связь с контроллером координат осуществляется по аналоговому каналу который формируется в контроллере с помощью ЦАПов.

8. Блок реле

Обеспечивает коммутацию сигналов между двумя спутниками. Управление блоком реле происходит через дискретный выход (модуль вывода) который включает реле коммутации, а контакт этого реле коммутирует весь блок реле (24 реле). Такая схема обеспечивает снижение нагрузки на дискретный выход.

9. Блок готовности

В этот блок стекается информация о готовности всех основных узлов комплекса (готовность приводов, готовность автоматики, лазера, блока питания и др.)

10. Блок индикации

Обеспечивает наглядную индикацию готовности устройств. Облегчает отладку и ремонт комплекса.

11. Блок питания

Обеспечивает питание электроэнергией всех узлов СУ различными напряжениями и токами. Имеет сигнал готовности блока к работе что облегчает его эксплуатацию и ремонт.

В состав АЛТК входят 8 специальных вращателей, каждый из которых состоит из 2-ух шаговых электроприводов. Каждый из приводов также имеет свой микроконтроллер. По заданию на дипломное проектирование необходимо разработать СУ шаговыми двигателями.

3.5 Способы управления шаговыми двигателями

Шаговый двигатель это двигатель, который вращается дискретными перемещениями. Достигается это за счет особой формы ротора и двух (реже четырех) обмоток, которые являются частью корпуса и не перемещаются. Ротор совершает вращение посредством последовательных импульсов напряжение постоянного тока подаваемого к одной или двум катушкам одновременно. В результате чего, путем чередования направления напряжения в обмотках можно добиться того, что ротор будет по очереди занимать фиксированные значения. В среднем, у шагового двигателя на один оборот вала, приходится около ста шагов.

Одно из преимуществ шаговых двигателей-то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза. Этот способ называют «one phase on» full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у не запитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного - только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют «two-phase-on» full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, «one and two-phase-on» half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две в соответствии с рисунком 8, в. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима

требуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому часто реализуется.

3.6 Контроллер шагового привода

Опишем поочередно структурную схему управления шаговыми электроприводами в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.01.Э1.

Шаговый электропривод состоящий из электронного коммутатора (распределителя импульсов), усилителя мощности и шагового двигателя, выполняется без обратной связи по положению и управляется импульсами с генератора.

Формирователь импульсов преобразует входные сигналы импульсов произвольной формы в прямоугольные импульсы требуемой длительности. Параметры сформированных импульсов определяются схемой распределителя импульсов. Он преобразует унитарный код в т-фазную систему прямоугольных импульсов напряжения, которая, через усилитель мощности подается на обмотки шагового двигателя. Ключевые элементы УМ работают в режиме переключения. РН - регулятор напряжения, управляемый через вычислительное устройство входными сигналами Vbx, формирует требуемые напряжения на фазных обмотках шагового двигателя в соответствии с определенным законом изменения напряжения на обмотках ГИД.

Распределитель импульсов предназначен для формирования управляющих импульсов на соответствующие ключи усилителя мощности и обеспечивает поочередную коммутацию обмоток при непрерывной последовательности импульсов с генератора. Коммутатор осуществляет четырехтактную парную коммутацию.

Функции вычислителя выполняет микроконтроллер МК 80С51ВН из семейства MSC-51. Преимущества этого МК для нашей системы состоят в том, что он имеет четыре восьмиразрядных порта ввода-вывода информации Р0, Р1, Р2, Р3, благодаря которым осуществляется обмен данными в ОЭВМ. Этот МК обладает рядом существенных преимуществ: включает внутренние память программ (4 Кбайт) и ОЗУ данных (128 байт); имеет четыре универсальных программируемых параллельных 8-разрядных порта ввода-вывода с возможностью реализации альтернативных функций; обладает двумя 16-разрядными программируемыми счетчиками-таймерами. Этот набор аппаратных средств и совокупность реализуемых функций делают микроконтроллеры семейства 8051 эффективным средством сбора, переработки информации и управления объектами. Структурная схема представлена на чертеже ДП.220301.А-409.25.13.02.Э1.

МК производит арифметические, логические операции, а также обмен информацией с машиной верхнего уровня. Режим обмена с машиной верхнего уровня осуществляется через интерфейс RS-485.

Контроллер шагового привода (КШП) содержит силовые ключи, обеспечивающие коммутацию токов в обмотках ШД. Имеет схему защиты от перегрева корпуса микросхемы, защиту от короткого замыкания в обмотках. КШП связан с ПЭВМ через последовательный порт RS-485 (MAX485). Контроллер обрабатывает сигналы с датчиков положения исполнительных механизмов управляемых шаговыми двигателями, формирует сигналы готовности и аварийного состояния и обеспечивающих угловое и вращательное перемещение деталей форм комплекта. По сути, на базе микропроцессора реализовано полное управление как коммутацией силовыми ключами, так и решение задачи программного управления. Это и формирование сигнала готовности, и выход на позицию с которой начинается выполнение программного движения, и обеспечение передачи информации по каналам связи и многое другое. Схема устройства представлена на рисунке 8. Она включает в себя микропроцессор 80С8252, модуль памяти с сохранением информации и набор аппаратных драйверов, для управления обмотками шагового двигателя.

3.7 Разработка принципиальной схемы блоков

При разработке принципиальной схемы исходим из максимального использования унифицированных блоков и отработанных схемотехнических решений. Это позволяет сократить время на проектирование и наладку. Большинство используемых в разработке ИМС включено по типовой схеме включения. Это позволяет не производить расчет элементов схемы, а использовать типы и номиналы элементов из типовых схем.

1. Привод координат

Используем комплектный привод ПРВП-02 который содержит в своем комплекте двигатель УПС-6 (ОМА 1615.000.000) и трансформатор питания 1615.000.000.

2. Блок питания

Используем типовые блоки питания ЧПУ

3. Блок готовности

Содержит в своем составе реле. Выбираем реле типа РМ-4. Это реле обладает следующими параметрами:

U_ВКЛ=24 В; U_КОММ.=100В;

I_ВКЛ=0,1 А; I_КОММ=6А.

4. Блок индикации

Для обеспечения индикации используется светодиод АЛ102Б

Модуль вывода в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.03.Э3.

Используем унифицированный модуль, содержит гальваническую развязку, реализованную на транзисторных оптронах.

5. Блок реле

Обеспечивает коммутацию двигателей й спутников. Принимаем решение построить его РМ-4 параметры его приведены выше при

U_ДВ=12В;

I_ДВ=6А;

это реле подходит для использования

6. Блок управления шаговыми двигателями в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.04.Э3.

Предназначен для управления шаговыми двигателями, состоит из микроконтроллера, четырех драйверов для управления двумя шаговыми двигателями, перепрограммируемой памяти, ключа готовности устройства. Связь с вычислительным модулем осуществляется через интерфейс RS-485.

7. Модуль вычислительный в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.05.Э3.

Этот модуль выполняет функции координации работы всех модулей системы управления. Состоит из микроконтроллера, перепрограммируемой памяти, ключа готовности устройства. Связь с другими модулями осуществляется через интерфейс RS-485.

4. Расчет приводов СУ

4.1 Определение необходимых величин для выбора двигателя

1. Момент инерции нагрузки.

Момент инерции нагрузки будет определятся:

J=J₁+J₂,

где J₁ - момент инерции вращающейся обрабатываемой детали,

J₂ - момент инерции планшайбы и втулки.

,

где m1 - масса обрабатываемой детали, кг.

,

где mІ - масса планшайбы вместе со втулкой и подшипниками, кг.

r - радиус обрабатываемой заготовки.

Массу m1 принимаем равной 5 кг;

Массу mІ принимаем равной 3 кг;

кг*мІ

кг*мІ.

J=0.01+0.006=0.016 кг*мІ

2. Угловая скорость.

Угловая скорость определится , где n - требуемая частота вращения, об/мин.

,

где V - линейная скорость обработки; V= 0,6 м/мин.

L - длина обрабатываемой зоны детали.

В нашем случае она будет определяться:

,

где Д - диаметр обрабатываемой зоны детали, Д=0,073 м.

L=3.14*0.073=0.228 м.

Но регулируемая частота должна быть больше:

об/мин.

рад/с.

3. Ускорение нагрузки.

Принимаем время разгона равным t_раз.= 1.8 с.

Получаем

где t_разг - время разгона двигателя.

4. Динамический момент

М= J*E,

где J - момент инерции нагрузки, кг*мІ;

Е - ускорение, рад/с².

М = 0,016 * 0,174 = 0,003 Н * м

4.2 Анализ законов движения исполнительного устройства

Условимся, что привод работает при неизменном динамическом моменте:

М_дин. = М_ст = 0,003 Н*м

Время изменения частоты вращения для любого участка

?t_? = J?n_?/ 9,55*М_дин?,

где J - момент инерции (кг * мІ); ?n_? - принятый интервал изменения частоты вращения i - го участка, (об/мин); М_дин? - среднее значение

динамического момента в пределах i - го участка, (Н * м).

Для участка разгона (0-t₁):

t_разг=Jn_разг / 9.55М_дин =0.015.8260 / 9.555=0.073 с.

Для участка торможения (t₂-t₃):

t_торм=t_разг=0.073 c.

Для участка движения с постоянной скоростью (t₁-t₂):

Время обработки поддона t=L/V=229/10=23 c, t_ц=23 c

Таким образом: t_пс=t_ц - t_разг-t_торм =23-1,7-1,7=19,6 с.

Ориентировочное определение мощности исполнительного двигателя в рабочем режиме.

Мощность двигателя определяем по формуле:

P_дв=2(М_днн+J_нE_н)щ_н / _скм,

где М_ст=0,003 Нм - динамический момент двигателя; J_н=0.016 кгмІ - момент инерции нагрузки; щ_н=0,314 рад/с - угловая скорость нагрузки; Е_н=щ_н/t_разг=0,314/1,7=0,184 рад/с²;

=0.855 - КПД; _с=1.3 - коэффициент форсировки по скорости; _м=2 - коэффициент форсировки по моменту.

Р_дв=2(0,003+0.0160,184)0,314 / 0.8551.32=2 Вт.

Рассмотрим в качестве исполнительного электродвигателя вращения заготовки шаговые двигатели. Шаговые двигатели выбираются по значению номинального момента

Ориентировочное определение момента исполнительного двигателя

Рассчитываем требуемый номинальный момент вращения

М_тр.ном=J_нE_н/з

где з_нк - КПД подшипника качения з_нк =0,9

М_тр.ном=0,016•0,184/0,9=0,0035 Н•м

Выбираем шаговые двигатели с диапазоном М_ном=0,00350,0005 Н•м

Серия ДШ

1. ДШ 46-0,004-5

М_ном=0,004; Ь=5^o; I_ном=3,9 А; f_n.ном=1000 шаг/с; f_n.max=1200 шаг/с; J_н=0,02 кг•мІ М_ном=0,022; R_ф=7 Ом

Серия ШДА

2. ШДА-1ФК

U=28; М_ном=0,003; I_ном=0,4 А; f_n.ном=15 шаг/с; J_н=0,016 кг•мІ; М_ф=0,0) 2; t_r=1000 ч

Серия ДИР

3. ДИР-1А

U=27; М_ном=0,004; Ь=36^o; I_ном=0,27 А; f_n.ном=50 шаг/с; f_n.max=60 шаг/с J_н=0,02 кг•мІ

Определение передаточного числа

Передаточное число определяется следующим выражением:

где J_д - момент инерции двигателя; М_ст=0,003 Нм; J_н=0.016 кгмІ;

Е_н=0,184 рад/с².

Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Кинематическое передаточное отношение силового редуктора.

Тип двигателя	Момент инерции Jд, кгмІ	Кинематическое передаточное число i0 при Jд=var
ДШ-46-0,004-5	0,02
ШДА-1ФК	0,016
ДИР-1А	0,02

4.3 Проверка выбранных двигателей

Проверка по моменту.

а) определяем требуемый момент для каждого двигателя по формуле

М_тр=(J_н / i₀+J_дi₀)Е_н

Общие данные:

М_ст=0,003 Нм; J_н=0.016 кгмІ; Е_н=0,184 рад/с²; =0,8.

Таблица 2 - Требуемые моменты для электродвигателя

№	Тип двигателя	Jд, кгмІ	i0	Мтр, Нм
1	ДШ 46-0,004-5	0,02	1,6	MTP=0,003/(1.60.8)+(0.016/1.6+0,021.6)0,184=0,009;
2	ШДА-1ФК	0,016	1,4	MTP=0,003/(1.40.8)+(0.016/1.6+0,021.6)0,184=0,0088
3	ДИР-1А	0,02	1,6	MTP=0,003/(1.60.8)+(0.016/1.6+0,021.6)0,184=0,009;

б). проверяем двигатели по моменту, для чего определяем коэффициент форсировки двигателя по _ном моменту и выполнение условия _н, где =М_тр / М_{ном. дв.}

Таблица 3 - Коэффициент форсировки двигателей

Тип двигателя	Мтр, Нм	Мном дв, Нм	Мтр/Мном дв	ном дв	Выполнение условия Мтр/Мном двном дв
ДШ 46-0,004-5	0,009	0,004	2,25	5.5	да
ШДА-1ФК	0,0088	0,003	2,93	2,8	нет
ДИР-1А	0,009	0,003	2,25	5	да

Дальнейший расчет производим для двигателя ДШ 46-0,004-5.

4.4 Определение основных параметров работы привода в режиме позиционирования

Найдем ускорение разгона и торможения по формулам:

е_р=((_мМ_{дв ном}) - М_ст / i₀) / (J_дi₀+J_н / i₀),