Структура программного обеспечения самообучающейся адаптивной технологической системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.9

СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САМООБУЧАЮЩЕЙСЯ АДАПТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Д.И. Петрешин

Самообучающаяся адаптивная технологическая система (САТС) предназначена для обеспечения заданных параметров качества обработанной поверхности при механической обработке. Работа САТС заключается в получении математической модели, связывающей параметры качества поверхности с условиями обработки, и использовании полученной модели для адаптивного управления технологической системой по заданному параметру качества. Исходя из этого система должна иметь в своем составе вычислительное устройство, двунаправленный канал связи с технологической системой, датчики для контроля выходных параметров процесса резания, а также алгоритмическое и программное обеспечение. Структурная схема САТС имеет вид, представленный на рис. 1. САТС разрабатывается на базе токарного станка мод. 16Б16 Ф3 с УЧПУ NC200.

Рис. 1. Структурная схема САТС

В состав системы входят следующие основные элементы: технологическая система (ТС); датчик, измеряющий тангенциальную составляющую силы резания (Д Pz), датчик, измеряющий текущую температуру в зоне резания (Д Т) и датчик optoNCDT 1700-2, измеряющий параметр шероховатости Ra (Д Ra); контроллер сопряжения (КС) датчиков Д Pz и Д Т с ПЭВМ и ПЭВМ с УЧПУ; устройство числового программного управления (УЧПУ) типа NC200 (класс PCNC); ПЭВМ, исполняющая роль управляющей системы и содержащая алгоритм работы, реализованный в виде ПО САТС. При создании автоматизированных систем управления технологическим оборудованием на базе ПЭВМ и УЧПУ класса PCNC особое внимание уделяется алгоритмическому и программному обеспечению (ПО) системы. Поэтому алгоритм работы и ПО следует рассматривать как неотъемлемые части всей системы.

Программное обеспечение, реализующее алгоритм работы САТС, условно разделено на две взаимозависимые части. Первая часть - это базовое ПО, которое обеспечивает самообучение и адаптивное управление технологической системой по параметрам качества поверхностного слоя. Вторая часть - ПО аппаратной части САТС, реализованное в микроконтроллере (МК) на языке Assembler.

Базовое ПО реализовано в ПЭВМ на языке C++ в среде программирования C++ Builder. Структура базового ПО с входящими в него программными модулями представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структура базового программного обеспечения

самообучающийся адаптивный программный обеспечение

Базовое ПО строится по модульному принципу. Оно состоит из отдельных программных модулей и соответствующих им форм. Каждый программный модуль выполняет свою определенную функцию. Все модули базового ПО объединены в один проект. Вызов программных модулей осуществляется с главной формы (рис. 3), которая отображается после запуска базового ПО.

Рис. 3. Окно главной формы базового ПО

Меню «Ввод» позволяет получить доступ к подменю «Параметры инструмента», «Параметры заготовки» и «Обеспечиваемые параметры». Доступ к меню «Ввод» открыт всегда.

Программный модуль подменю «Параметры инструмента» позволяет ввести геометрию инструмента (передний и задний углы, главный и вспомогательный углы в плане, радиус при вершине инструмента и радиус скругления режущей кромки) и материал режущей части инструмента. В случае отсутствия материала режущей части в базе данных (БД) системы имеется возможность ее пополнения.

Программный модуль подменю «Параметры заготовки» позволяет ввести материал, длину, диаметр и твердость обрабатываемой заготовки. В случае отсутствия материала обрабатываемой заготовки в БД имеется возможность его ввода в БД.

Программный модуль подменю «Обеспечиваемые параметры» позволяет ввести параметры качества поверхностного слоя (параметр шероховатости Ra, остаточные напряжения, поверхностная микротвердость, комплексный параметр Cx), которые необходимо обеспечить во время механической обработки заготовки. После ввода параметров инструмента, заготовки и обеспечиваемых параметров устанавливаются соответствующие флаги, свидетельствующие о том, что данные введены.

После ввода всех данных автоматически осуществляется обращение к БД с целью определения наличия в ней параметров математической модели для введенных данных. При этом в статусной строке появляется сообщение «Данные введены». Если для введенных данных параметров математической модели нет, то выводится соответствующее сообщение и предлагается перейти в режим «Обучение», иначе предлагается перейти в режим «Работа».

Меню «Настройка» позволяет настроить порты подключения КС и optoNCDT 1700-2 (для этого имеются подменю «Порт КС» и «Порт optoNCDT 1700-2»). При работе САТС необходимо обеспечить получение информации от датчиков температуры, силы резания Pz и optoNCDT 1700-2, которые подключаются к разным портам ПЭВМ. Кроме того, необходимо передавать управляющее воздействие от ПЭВМ к УЧПУ. Поэтому в системе организовано многопоточное обслуживание портов по приему и передаче управляющей информации: создаются два потока (чтение и запись) для порта КС и два потока (чтение и запись) для порта optoNCDT 1700-2. В результате получаем четыре независимых канала обмена информацией, работающих в асинхронном режиме. Доступ к меню «Настройка» открыт всегда.

Меню «Просмотр» позволяет получить доступ к подменю «Исходные данные» и «База данных САТС» соответственно для просмотра введенных данных и базы данных САТС. Доступ к меню «Просмотр» открыт всегда.

Меню «Режим работы» позволяет выбрать один из трех режимов работы системы: «Обучение», «Работа» или «Диагностика». Доступ к меню «Режим работы» разрешен в следующих случаях:

1. Если были введены параметры инструмента, заготовки и обеспечиваемые параметры и настроены порты КС и (или) optoNCDT 1700-2. В зависимости от того, имеются ли данные в БД или нет, может быть разрешен доступ либо к режиму «Обучение», если данных в БД нет, либо к режиму «Работа», если данные в БД есть. В этом случае открыт также доступ и к режиму «Диагностика».

2. Если были настроены только порты КС и (или) optoNCDT 1700-2, то разрешен доступ только к режиму «Диагностика».

Режим «Обучение» предназначен для обучения технологической системы одному из параметров качества поверхностного слоя: параметру шероховатости Ra, поверхностным остаточным напряжениям, поверхностной микротвердости и комплексному параметру качества поверхностного слоя Cx. На форме режима «Обучение» располагается многостраничная панель с тремя страницами: «Условия обучения», «Наблюдение режима» и «Математическая модель».

Страница «Условия обучения» обеспечивает просмотр и ввод начальных условий обучения системы. Также имеется возможность автоматического составления управляющей программы (УП) для УЧПУ станка для обучения системы. Полученный файл с УП может быть записан в УЧПУ, но уже при непосредственном участии оператора.

Страница «Наблюдение режима» позволяет вести наблюдение за текущими значениями силы резания Pz, температуры в зоне резания Т и параметра шероховатости Ra во время обучения.

Страница «Математическая модель» позволяет просмотреть параметры математической модели и статистическую информацию (однородность дисперсий, значимость коэффициентов математической модели, значимость математической модели, адекватность математической модели, значение множественного коэффициента детерминации) о ней.

В зависимости от того, какому параметру обучается система, могут быть получены следующие модели. При обучении системы параметру шероховатости Ra (мкм) получается математическая модель вида

,

где С0, x, y - коэффициенты модели; S - величина продольной подачи, мм/об; V - скорость резания, м/мин.

При обучении системы физико-механическому параметру (ФМП) качества поверхностного слоя (остаточным напряжениям в поверхностном слое или поверхностной микротвердости) необходимо иметь две модели. Одна модель - для расчета ФМП, так как он определяется косвенным методом на основании измеренных во время обработки силы резания Pz и температуры Т в зоне резания. Она имеет вид

,

где FMP - физико-механический параметр качества поверхностного слоя; Cf, xf, yf - коэффициенты модели; Pz - главная составляющая силы резания, Н; Т - температура в зоне резания, оС.

Вторая модель - для управления ФМП в том случае, если расчетное значение по модели (2) отличается от заданного больше чем на величину допуска. Модель имеет вид

,

где FMP - физико-механический параметр качества поверхностного слоя; Cu, xu, yu, zu - коэффициенты модели; S - величина продольной подачи, мм/об; V - скорость резания, м/мин; t - глубина резания, мм.

На основании математических моделей (1), (2) и (3) определяется закон управления системой для вычисления величины поправки режимов резания при адаптивном управлении по заданному параметру качества поверхностного слоя в режиме «Работа» (рис. 4). Вычисленная величина поправки передается через КС в УЧПУ.

Рис. 4. Форма окна режима «Работа»

Режим «Диагностика» позволяет проверить работоспособность измерительного канала системы и канала управления УЧПУ. Измерительный канал состоит из канала измерения силы резания Pz, канала измерения температуры в зоне резания и канала датчика optoNCDT 1700-2. Канал управления УЧПУ позволяет проверить наличие сигналов («Пуск цикл», «Стоп цикл», «Позиция измерения») от УЧПУ, а также прохождение управляющих сигналов от ПЭВМ к УЧПУ. Кроме того, в режиме «Диагностика» можно провести калибровку канала измерения силы резания Pz.

Программное обеспечение аппаратной части САТС обеспечивает:

· получение и передачу информации от датчиков силы резания Pz и температуры T в ПЭВМ;

· получение и передачу информации от ПЭВМ в УЧПУ и от УЧПУ в ПЭВМ;

· управление приводом продольного перемещения каретки с датчиком optoNCDT 1700-2.

Взаимодействие программ, а следовательно, и устройств САТС осуществляется с помощью последовательного интерфейса связи RS 232, передающего управляющую информацию от ПЭВМ в УЧПУ и информацию от датчиков и УЧПУ в ПЭВМ. На рис. 5 показана структура взаимодействия базового и аппаратного ПО САТС.

Рис. 5. Структура взаимодействия базового и аппаратного ПО САТС:

БПО - базовое ПО; ПО АЧ - программное обеспечение аппаратной части САТС; МК - микроконтроллер мод. AT89С51-24PI

УЧПУ NC200 предоставляет возможность автоматически корректировать величины подачи и частоты вращения шпинделя - без участия оператора, т.е. программным способом от внешнего устройства управления, - в диапазоне от 0 до 127% (с дискретностью 1%) от первоначально установленных значений подачи и частоты вращения. Для этого была составлена и записана в память соответствующая программа логики станка на языке PLC для УЧПУ NC 200.

Было проведено тестирование каждой из частей (базовой и аппаратной) разработанного ПО по отдельности и при совместном функционировании в составе рассматриваемой САТС. При проведении тестирования использовались специально разработанные программы для базовой части ПО и лабораторный стенд для аппаратной части ПО. Результаты тестирования во всех случаях показали, что разработанное программное обеспечение является работоспособным.

Аннотация

Рассмотрена самообучающаяся адаптивная технологическая система обеспечения заданного качества поверхностного слоя деталей машин при механической обработке и структура программного обеспечения системы. Приведена структура взаимодействия базового программного обеспечения и программного обеспечения аппаратной части системы. Описаны программные модули базового программного обеспечения и назначение программного обеспечения аппаратной части системы.

Ключевые слова: самообучающаяся адаптивная технологическая система, программное обеспечение, математическая модель, качество поверхности.

Размещено на Allbest.ru