Федеральноеагентство по образованию
ГОУВПО Тульский государственный университет
Технологическийфакультет
Кафедра«Автоматизированные станочные системы»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА
ккурсовой работе по курсу
«Управлениетехническими системами»
натему:
«Системауправления технологическим объектом»
Вариант№ 121.1
Выполнилстудент гр. 622121
АверковА.П.
Проверилидоц. Чечуга О.В.
Тула2006
Содержание
Задание
Введение
Основная часть
1. Анализ исходных данных
2. Анализ кинематики станка
3. Функциональная схема СЧПУ
3.1 ОписаниеСЧПУ «Электроника НЦ-31
3.2 Определениеразрядности и объема ОЗУ
4. Схемы электроавтоматики иподключения СЧПУ к станку
4.1 Принципиальнаяэлектрическая схема электроавтоматики станка
4.2 Реализациясхемы подключения СЧПУ
4.3 Реализациякомплекса вспомогательных М-функций и Т-функций автоматической смены инструмента
5. Разработка цикла позиционирования
5.1 Алгоритмцикла позиционирования
5.2 Блок-схемаалгоритма
6. Заключение
Библиографический список
Введение
Эффективность производства, еготехнологический процесс, качество выпускаемой продукции во многом зависят отопережающего развития производства нового оборудования, машин, станков иаппаратов, от всемерного внедрения методов технико-экономического анализа,обеспечивающего решение технических вопросов и экономическую эффективностьтехнологических и конструкторских разработок.
Значение постановки всех этихвопросов при подготовке квалифицированных кадров специалистов производства,овладевших инженерными методами проектирования производственных процессов,очевидно. В связи с этим в учебном процессе высших учебных заведенийзначительное место отводится самостоятельной работе.
Курсовое проектирование должнозакрепить, углубить и обобщить знания, полученные во время лекционных ипрактических занятий по данному курсу. В процессе курсового проектирования мы должнывыполнить комплексную задачу по курсу «Управление техническими системами»,подготавливаясь к выполнению более сложной задачи – дипломному проектированию.Наряду с этим курсовое проектирование должно научить нас пользоватьсясправочной литературой, ГОСТами, таблицами, умело сочетая справочные данные стеоретическими знаниями, полученными в процессе изучения курса.
Основная задача курсовогопроектирования заключается в разработке электрических схем подключения УЧПУ иразработке программного обеспечения одного из циклов позиционирования длястанка, на который выдано задание.
1. Анализ исходных данных
Вариант задания: 121.01
/> D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 110= 1
Определяем параметры задания:
Тип датчика обратной связи (D0):
фотоимпульсный датчик ВЕ-178.Относительная дискрета D=2500 мм/об.
Тип интерфейса связи со станком(D1D0):
ЦАП.
Тип цикла позиционирования(D2D0):
К1= К2=К3=1; U4=4U1;
Тип базовой УЧПУ (D2D1):
“Электроника НЦ-31”.
Скорость перемещенияисполнительного органа (D5):
рабочая подача 1,2 м/мин,скорость быстрых ходов 4,8 м/мин
Величина максимальногоперемещения (D6):
величина максимальногоперемещения 500 мм.
Для систем с мультиплексированнойшиной адрес внешних устройств принимаем равным А8=АБ+Х8.
Здесь АБ – начальный адрес,закрепленный за внешними устройствами в данной СЧПУ, а Х8 = Р8.
Принимаем допущение, что системауправления с разомкнутой главной обратной связью описывается передаточнойфункцией, имеющей первый порядок астатизма.
/>;
К – коэффициент усиления системыпо одной из координат, с-1.
Т – постоянная времени системы,с.
С целью сохранения устойчивости иобеспечения колебательного перехода процесса, принимаем
К=100 + 5n, 1/с; Т=0,5(l+1)×10-2, c
2. Анализ кинематики станка
Кинематическая схема состоит изследующих цепей:
вращения шпинделя – главноедвижение М1;
продольное перемещение суппорта:продольная подача (привод Z) М2;
поперечное перемещение суппорта:поперечная подача (привод X) М3;
вращение револьверной головки М4;
перемещение пиноли задней бабки(привод Z’) М5;
Кроме вышеперечисленных приводовна станке установлен привод насоса системы подачи СОЖ.
В составе привода главногодвижения используется асинхронный двигатель, а в приводе подач используются двигателипостоянного тока.
Токарный станок 16К20 имееткомпоновку с горизонтальными направляющими. На станине располагаетсяшпиндельная бабка с коробкой скоростей, револьверная головка и задняя бабка.Станок имеет три управляемые координаты: Z – перемещение суппорта вдоль осишпинделя, Z’ – перемещение задней бабки, X – перемещение суппортаперпендикулярно оси шпинделя. Контроль перемещения по оси Z осуществляется припомощи конечных выключателей SQ1…SQ4, по оси X – SQ5…SQ8, по оси Z’ – SQ15, SQ16.На каждом ходовом винте установлен датчик типа ВЕ-178.
Привод главного движения станкавыполнен на базе асинхронного двигателя АИР132S6 мощностью 5.5 кВт и восьмиступенчатойкоробки скоростей, применяемой для расширения диапазона регулирования. Переключениепередач коробки скоростей осуществляется включением электромагнитных муфт.Контроль за вращением шпинделя осуществляется при помощи датчикарезьбонарезания типа ВЕ-178.
Приводы продольного и поперечногоперемещения суппорта выполнены индивидуальными. В них использованы двигателипостоянного тока типа 4П0.
Смена инструмента револьвернойголовки на 6 инструментов происходит при помощи электродвигателя М4 следующимобразом: револьверная головка поворачивается до заданной позиции с небольшимперебегом; и при по достижении одного из конечных выключателей SQ11…SQ16включается реверс двигателя и происходит посадка в заданную позицию, нажатие SQ17и отключение двигателя.
3.Функциональная схема СЧПУ
3.1 Описание УЧПУ «ЭлектроникаНЦ-31»
Аппаратно-программное исполнениесистем этого поколения в значительной степени ориентировано на определеннуюгруппу станков. Таким специализированным УЧПУ является «Электроника НЦ-З1»,предназначенная главным образом для токарной группы станков. Конструктивноустройство рассчитано на встройку в станок. Им оснащают токарные станкиразличных типоразмеров, в том числе встраиваемые в ГПС. В последнем случае УЧПУоснащают дополнительным модулем. УЧПУ «Электроника НЦ-З1» обеспечиваетконтурное управление при следящем приводе подач и импульсных датчиках обратнойсвязи.
Ввод программы может бытьвыполнен тремя способами: с клавиатуры УЧПУ, с кассеты электронной памяти и поканалу связи от ЭВМ верхнего ранга. Вычислительная часть УЧПУ «ЭлектроникаНЦ-31» состоит из процессора П1 (П2); ОЗУ (4К слов), адаптера магистрали итаймера. Базовое программное обеспечение заносится в ПЗУ на этапе изготовленияУЧПУ. Модули УЧПУ взаимодействуют между собой с использованием магистрали типа«общая шина». Одновременно могут взаимодействовать только два из них, выполняяодну из двух функций: передачу управления магистралью или обмен информацией. Всвою очередь, обмен информацией подразделяется на чтение и запись по нему.Ведомые модули (ОЗУ и контроллер привода) участвуют в обменах только послеадресного вызова от одного из остальных ведущих модулей. Обмен информацией помагистрали осуществляется 16-разрядными словами. Объем адресного пространства,в котором возможны обмены по «Общей шине», равен 64К слов. Запросы на обмен информациейпо магистрали возникают от ведущих модулей асинхронно и независимо.Предоставление магистрали одному из ведущих модулей, запросивших обмен,выполняется арбитром магистрали, входящим в состав процессора.
Кроме магистрали «общая шина»имеется дополнительный радиальный канал для связи модулей. Дополнительныйканал, управляемый адаптером магистрали, увеличивает функциональную гибкостьУЧПУ в целом и позволяет упростить аппаратную реализацию модулей. Адаптермагистрали реализует также функцию отсчета программно задаваемых интерваловвремени (максимальная длительность задаваемого интервала 64К дискрет по 0,1мс). Задание на отработку интервала времени поступает в адаптер от процессора ипо окончании отработки сообщается процессору, вызывая его прерывание. Принеобходимости обмена информацией с пультом оператора или с одним изконтроллеров инициатор обмена запрашивает разрешение захвата общей магистрали ипосле разрешения генерирует адрес ведомого устройства. Модуль адаптерапреобразует этот адрес в сообщение по радиальному каналу на вызываемый ведомыймодуль. Контроллер электроавтоматики (16 входов и выходов) обеспечиваетэлектрическое согласование сигналов между УЧПУ и электрооборудованием станка, атакже вызывает прерывание процессора при поступлении сигнала электроавтоматики.Обеспечена возможность адресного маскирования (запрета) прерывания процессора.Для организации прерываний могут быть использованы восемь входов. Все входы ивыходы в УЧПУ «Электроника НЦ-31» так же, как и в других микропроцессорных системахуправления, имеют оптронную развязку с электрическими цепями станка. Указанноечисло входов и выходов является достаточным лишь при несложных задачахуправления электроавтоматикой. Для ГП-модулей предусматривается программируемыйкомандо-аппарат, связанный по каналам электроавтоматики с УЧПУ. В УЧПУ«Электроника НЦ-З1 предусмотрено четыре входа от импульсных измерительныхпреобразователей. Один из входов используется для импульсного преобразователяэлектронного маховика ручного управления. В токарных станках, кроме импульсныхпреобразователей по координатам, устанавливается датчик на главном приводе дляобеспечения режима резьбонарезания. Остальные импульсные преобразователивыполняют функцию датчиков обратной связи по пути (координаты X, Z). Программноеобеспечение УЧПУ позволяет работать в режиме, обучения. В этом режиме приручном управлении и работе от маховика параллельно с обработкой деталиформируется управляющая программа для обработки последующих деталей вавтоматическом режиме. Разбиение управляющей программы на кадры, включающиекоманды по адресам М, S, T также выполняется автоматически. Контроллер приводаобеспечивает управление скоростью движения (подачи) по осям X, Z выполняяфункцию преобразования двоичного кода скорости подачи в пропорциональный этомукоду аналоговый сигнал (дискретность 5 мВ; диапазон ±10 В). Модуль пультаоператора обеспечивает взаимодействия оператора с УЧПУ. Элементы индикациипозволяют индицировать: скорость подачи; номер и параметры кадра управляющейпрограммы; информацию о состоянии УЧПУ. Клавиши панели пульта оператораобеспечивают ввод и отработку управляющей программы по шагам либо вавтоматическом режиме. Модуль ОЗУ внешней памяти выполнен в виде кассетыэлектронной памяти. Он позволяет расширить объем оперативной памяти УЧПУ от 4Кслов в модуле ОЗУ до 8К слов суммарного объема и выполнить ввод или вывод изУЧПУ отлаженных программ обработки. Кассета имеет аккумуляторный источникпитания, обеспечивающий сохранение информации не менее 100 ч.В основномисполнении УЧПУ «Электроника НЦ-31» имеет специализированное программноеобеспечение, ориентированное на выполнение функций токарной обработки.Обеспечивается выполнение развитых технологических циклов, оформленных в видеG-функций. К ним относятся циклы продольного и поперечного точения (G70, G71),многопроходной черновой обработки (G77, G78), глубокого сверления (G73, G72),нарезания торцовых и цилиндрических канавок (G74, G75), нарезания резьбы (G31,G33). В УЧПУ предусмотрена возможность параметрического задания подпрограммциклов и выполнение команд условных переходов по внешнему сигналу. Основнымспособом коррекции инструмента является повторный выход в режим размернойпривязки. В результате этой процедуры устройство автоматически формируетвеличины корректоров и запоминает их значения в области памяти корректоров. Приэтом дискретность величин корректоров соответствует дискретности измерительныхпреобразователей обратной связи по пути, а не дискретности задания размеров.Область памяти корректоров доступна по записи и чтению с пульта оператора.
Программное обеспечение УЧПУ«Электроника НЦ-31» предусматривает диагностику ошибок и после обнаружения ихостанавливает отработку управляющей программы. Диагностика превышениядопустимых скоростей в определенном диапазоне носит предупредительный характер.
Структурная схема УЧПУ«Электроника НЦ-31»
/>
Рис.1. Структурная схема«Электроника НЦ-31»
Сокращения на схеме:МНЦ магистраль (типа «общая шина») П1, П2 процессоры ОЗУ оперативное запоминающее устройство АМТ адаптер магистрали МНД и программируемый таймер КЭ контроллер электроавтоматики станка КИП контроллер импульсных преобразователей в код угла поворота по осям X,Z, штурвала и шпинделя станка КП контроллер привода по осям X,Y станка ПО пульт оператора ОЗУ, ВП внешняя оперативная память
3.2 Определение разрядности иобъема ОЗУ
По адресам координатныхперемещений (Х,Y,Z) необходимо определить величину максимального перемещения вдискретах.
/>
где /> - цена одной дискреты, мм;
/>, h – шаг ходового винта
/> - максимальное перемещение покоординате Х, мм.
/>
/>, где n – число разрядов />.
/>
/>
Емкость одной ячейки памяти –один байт двоичной информации. Если принять восьмеричную систему счисления, тов две последовательные ячейки(16 бит) могут быть записаны 7 разрядов восьмеричногочисла.
Для записи /> в этом случаепотребуется /> ячеек.
/>
Стандартный кадр управляющейпрограммы: круговая интерполяция без указания скорости подачи имеет вид
G02 X+XmaxY+YmaxI+XmaxJ+Xmax
и занимает объем
1+1+1+/>+1+/>+1+/>+1+/>=6+4/>
ячеек памяти. Таким образом, есливвести перерасчет управляющей программы через кадры круговой интерполяции, тообъем памяти, необходимый для ее хранения
VОЗУ=(300…1000)(6+4/>)
VОЗУ=/>байт=5,4 Кбайт
Кроме управления приводамиперемещений СЧПУ организует и формирует сигналы управления электроавтоматикойстанка.
Максимальное время формированияуправляющих импульсов
/>
где /> - скорость быстрых ходов, м/мин;
/> - максимальная частота импульсов,поступающих с ДОС в СЧПУ.
Минимальный период выдачиимпульсов на выходе КЭА определяется временем вычислительных операций,выполняемых в соответствии с заданным алгоритмом позиционирования.
Время вычислительных операций
/>, с
где W – быстродействие микроЭВМ,
n – число команд по программе,реализующей алгоритм позиционирования.
/>
Тогда максимальное времяуправляющего сигнала на выходе КЭА
/>, с
К=1,5 – коэффициент, учитывающийнесоответствие реальной длительности выполнения операции алгоритмапозиционирования длительности операции.
/>=1,7 мкс – время задержки ваппаратной части КЭА или время преобразования.
/>
4. Схемы электроавтоматики иподключения СЧПУ к станку
4.1 Электрическаяпринципиальная схема электроавтоматики станка
Схема электроавтоматики станкасодержит:
1. Подключение к питанию подач иглавного движения, а также привода перемещения пиноли задней бабки с указаниемвыходов контроля состояния: готовность привода, управление приводом,термозащита. Соединение блоков управления с двигателями, тахогенераторами,термодатчиками.
2. Подключение асинхронныхэлектродвигателей системы подачи СОЖ и привода револьверной головки.
3. средства защиты.
вводный автомат защиты QF1;предназначен для защиты всей электроавтоматики станка от перегрузок.
автоматы защиты приводов подач иглавного движения, а также привода пиноли задней бабки — QF2, QF3 отперегрузок.
тепловые реле КК1; КК2; KK3; KK4предназначены для защиты асинхронных электродвигателей от недопустимогоперегрева при длительных перегрузках. Предназначены для обеспечения защитытрансформаторов и цепей управления от перегрева и короткого замыкания.
блоки для защиты от электрическихпомех асинхронных электродвигателей.
4. Трансформаторы:
для формирования напряжений,питающих промежуточные схемы управления TV1, TV 2.
4.2 Реализация схемыподключения СЧПУ
Схема подключения СЧПУ отражаетвсе функциональные возможности характерные для данного класса систем итехнологического оборудования.
На схеме показаны выходыуправления вспомогательной функцией М, функцией Т — автоматической сменыинструмента, выход “Готовность УЧПУ”. Количество выходов определяется впроцессе проектирования: М-функций – 8, Т-функций – 3, “Готовность УЧПУ” – 1.На выходах устанавливаются промежуточные реле KV01...KV15, KV40. На схемепоказаны входы подключения всех конечных выключателей SQ1...SQ17; входы “ОтветМ”, “Ответ Т”и вход “Готовность станка”.
На схеме подключения СЧПУпоказаны выходы КП управления приводами продольной и поперечной подач и приводомпиноли задней бабки(ав, cd, ef), входы датчиков положения рабочего органастанка. Выходы КП выводятся через один разъем СЧПУ. Каждый датчик положениясвязан с СЧПУ через свой разъем.
4.3 Реализация комплексавспомогательных М-функций и Т-функций автоматической смены инструмента
Определим схему реализации комплексазаданных вспомогательных функций, начиная с выходного разъема СЧПУ, на которомреализуется М-функция и кончая конкретными исполнительными приводами.
Для однозначного определенияреализации М-функций примем, что
М1 – включение двигателя M1 почасовой стрелке;
М2 – включение двигателя M1против часовой стрелки;
М3 – выключение двигателя М1;
М4 – включение двигателя M4 почасовой стрелке;
М5 – включение двигателя M4против часовой стрелки;
М6 – выключение двигателя М4;
М7 – включение двигателя приводаподачи СОЖ;
М8 – отключение двигателя приводаподачи СОЖ;
М9 – включение двигателя М5 дляподвода задней бабки;
М10 – включение двигателя М5 дляотвода задней бабки;
М11 – выключение двигателя М5.
Для реализации комплекса функций,начиная с М1 предполагая, что на выходах разъема М01, М02, М04, М08, М10, М20,М40, М80 установлены соответствующие реле KV01, KV02, KV03, KV04, KV05, KV06,KV07, KV08. Состояние контактов реле будем характеризовать некоторой функциейХij, принимающей значение 1 – контакты замкнуты и 0 – контакты разомкнуты. Релеимеет, как нормально разомкнутые контакты Хij, так и нормально замкнутые />.
Таким образом, для реализациифункций М1…М5 необходимо реализовать зависимости:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Аналогично для Т-функции (Т12 … Т17– включение инструментов № 1…6)
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>Наосновании полученных зависимостей строится схема управления.
Непременным условием решениязадачи проектирования схем электроавтоматики станка является формированиесигнала “Готовность станка“. Сигнал “Готовность станка“ содержит информацию оподаче питания на исполнительные приводы.
На схеме электроавтоматики станкапоказано решение задачи формирования сигнала “Ответ М”. Сигнал “Ответ М”содержит информацию о выполнении М-функций реализованных в дешифраторе, иосуществляет переход к следующему этапу выполнения программы.
Выдача сигнала “Ответ М”происходит с задержкой, реализуемой посредством установки конденсаторов ирезисторов. Задержка необходима для того чтобы после команды управления,реализованной по импульсному принципу, существующей на выходе в пределах 200-250мс, появлялся сигнал “Ответ М”.
Аналогично строится и схемаформирования сигнала «Ответ Т».
5. Разработка циклапозиционирования
5.1 Алгоритм циклапозиционирования
На каждом этапе приближения кточке позиционирования /> система формирует одно извозможных управлений U:
При /> = Х – Х0
/> 0 при 0 1
U1 + K* 1 (KN. /> - />1) при />1 2
U = KN U2 + K* 2 (KN. /> -/>12) при />2 3
U31 + K* 3 (KN. /> - />3) при />3 4
U4 при />4
для положительной области /> > 0 КN = 1,для отрицательной области
/>
U2=U1+K* 1 (KN />2 — />1),
U3=U2+K* 2 (KN />3 — />2),
U4=U3+K* 3 (KN/>4 — />3).
При этом необходимо выбратьконкретные значения всех параметров. Зона нечувствительности %1, обеспечивающаяотсечку различных флуктуаций, равна 1 дискрета. Скачок управления U1 равен 1…3дискретам изменения выходного напряжения ЦАП для Д = 10000, U1 =1В.
Для однозначного определенияуправляющих воздействий примем U4 = 4 В, необходимо их представить в единицахдискрет ЦАП. d2, d3, d4- определяются инерционностью привода и максимальной скоростью перемещенияпривода. Будем определять их по зависимости (2), учитывая в учебных целях, чтоKi` = 10Ki; Ki – коэффициенты данные в задании на курсовой проект: К1=К2=К3=10В/мм.
4=1+10(d2-d1) Þ d4=1,3
По полученным данным строимграфик цикла позиционирования (рис.2).
/>
Рис. 2. График циклапозиционирования
5.2. Блок-схема алгоритма
Цикл начинается с расчетатекущего значения />. После определения знака /> формируетсязначение коэффициента />. Далее проводится анализвыполнения условия />, на основании, которогоформируется уравнения
/>.
После выполнения условия />, включаетсяподпрограмма формирования сигналов конца отработки кадра. На блок-схеме опущенаподпрограмма задержки /> перед формированием сигнала концаотработки кадра.
/>/>/>/>/>
Рис. 3. Блок-схема алгоритма
6. Заключение
В данном курсовом проекте былреализован общий подход к задачам проектирования СЧПУ металлорежущих станков,их разработки и эксплуатации.
Был произведен анализ кинематикистанка и обоснован тип и число управляемых и контролируемых параметров,разработаны электрические принципиальные схемы подключения УЧПУ к станку иэлектроавтоматики станка, а также алгоритм позиционирования. При выполненииэтого проекта были использованы знания и навыки, полученные при изучениидисциплин «Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов»,«Электроника и микропроцессорная техника систем управления», «Теорияавтоматического управления », «Управление процессами и объектами вмашиностроении».
Библиографический список
1. КосовскийВ.Л. Программное управление станками и промышленными роботами. – М: Высш. шк.,1986. -287 с.
2. СосонкинВ.Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками. –М.: Машиностроение, 1985. -288 с.
3. Станкис программным управлением и промышленные роботы. Локтеева С.Е. — М., 1986. — 320с.
4. РатмировВ.А. Управление станками гибких производственных систем. — М., 1987. — 272с.
5. Конспектлекций по дисциплине «Управление техническими системами».