Управление техническим системами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ТулГУ)

КАФЕДРА "АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ"

"Управление техническим системами"

Методические указания

к курсовой работе

для подготовки бакалавров по направлению 220200

"Автоматизация и управление" дневной формы обучения

Разработали: Сальников В. С.

д.т.н, доцент;

к.т.н., ассистентЕрзин О.А.

Заведующий каф. АСС:А.Н. Иноземцев

Тула 2007



Содержание

электроавтоматика кинематика технологический станок

1. Цель и порядок выполнения курсовой работы

2. Содержание и оформление курсовой работы

3. Методические указания по выполнению курсовой работы

3.1 Анализ кинематики станка

3.2 Функциональная схема СЧПУ

3.3 Схемы электроавтоматики и подключение СЧПУ к станку

3.4 Разработка алгоритма и программы цикла позиционирования

4. Задание на курсовую работу

Список литературы

Приложения



1. Цель и порядок выполнения курсовой работы

Целью данной курсовой работы является привитие у студентов навыков общего подхода к задачам работирования СЧПУ металлорежущими станками, а также навыков самостоятельной инженерной работы при решении конкретных задач по их разработке и эксплуатации. Курсовой работ выполняется по одной из профилирующих дисциплин специальности 210200 и рассчитан на применение студентами знаний и навыков, полученных при изучении таких дисциплин “Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов”, “Электроника и микропроцессорная техника систем управления”, “Схемотехника”, “Теория автоматического управления” и др.

Организация выполнения курсовой работы строится по принципу консультаций и самостоятельной работы студентов. Преподаватель осуществляет поэтапный контроль графика выполнения курсового работа.



2. Содержание и оформление курсовой работы

Объектом курсового работа является собственно СЧПУ, ее компоненты и связи с механическим модулем станка через его электроавтоматику. Работ носит учебный характер и включает в себя следующие этапы:

Анализ кинематики станка и обоснование типа и числа управляемых и контролируемых параметров.

Уточнение функциональной схему УЧПУ.

Разработка электрических принципиальных схем подключения УЧПУ и электроавтоматики станка.

Разработка блок-схемы алгоритма и программного обеспечения одного из циклов позиционирования.

По результатам курсового работирования в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД оформляется пояснительная записка объемом 30-40 страниц рукописного текста и графический материал объемом 2,5-3 листа формата А1.

Графическая часть должна содержать:

Кинематическую схему станка с указанием всех датчиком и исполнительных приводов.

Электрическую принципиальную схему подключения УЧПУ к станку.

Фрагмент электрической принципиальной схемы электроавтоматики станка, обеспечивающей реализацию заданного набора вспомогательных функций.

Функциональную схему УЧПУ.

Фрагмент электрической принципиальной схемы интерфейса связи со станком.

Блок-схему алгоритма цикла позиционирования.

Задание на курсовой работ определяется типом конкретного станка и вектором задания (Р), который равен порядковому номеру студента в общем списке студентов уменьшенному на единицу 

Р = N - 1 =

где Р = 10n+l,

n = 0,1,, 9;l= 0,1,, 9 - разряды десятичного числа. Каждый разряд вектора задания, представленного в двоично-десятичной форме, отражает вариант параметров исходных данных.

Каждому разряду или сочетанию разрядов соответствует свой тип параметров исходных данных.

D0- тип датчика обратной связи:

сельсин БС- 155. Цена оборота датчика h= 2 мм/об; величина дискреты = 0,005 мм.

фотоимпульсный датчик типа ВЕ -178. Относительная дискрета = 2500 имп/об,

D1D0- тип интерфейса связи со станком:

АЦП;

ЦАП;

интерфейс связи с электроавтоматикой станка ИЭКА;

интерфейс связи с датчиком обратной связи.

D2D0- тип цикла позиционирования:

ступенчатый;

К1= К2 = К3 =1; U4 = 4U1;

К1= 0,5 ,К2 = К3 =1; U4 = 4U1, U2 = 2U1;

К1= К3 = 0,5 ,К2 = 1; U4 = 4U1, U2 = 2U1, U3 = 3U1;

D2D1- тип базовой УЧПУ:

“ Электроника НЦ-31”;

“ Электроника НЦ-80”;

УЧПУ 2Р32.

D5- скорость перемещения исполнительного органа;

рабочая подача 1,2 м/мин, скорость быстрых ходов 4,8 м/мин;

рабочая подача 2,4 м/мин, скорость быстрых ходов 10 м/мин.

D6- величина максимального перемещения: 0- 500 мм, 1- 800мм.

Задание выдается в виде бланка задания, в котором указаны модель станка, тип привода подачи и вспомогательной функции, требующим своей реализации в курсовом работе, код ее равен номеру задания Р. Необходимо реализовать пять вспомогательных М функций на различные типы исполнительных устройств, или фрагмент реализации S и Т - функций по заданию преподавателя.

Для систем с мультиплексированной шиной адрес внешнего устройства принять равным А8=АБ+Х8, где АБ - начальный адрес, закрепленный за внешними устройствами в данной СЧПУ, а Х8 = Р8.

В расчетах принять допущение, что система управления с разомкнутой главной обратной связью описывается передаточной функцией, имеющей первый порядок астатизма

(2.1)

где К- коэффициент усиления системы по одной из координат, 1/c;

Т - постоянная времени системы, с.

С целью сохранения устойчивости и обеспечения колебательного переходного процесса принять:

К=100 + 5n, 1/с; Т=0,5(l+1)10-2, c



3. Методические указания по выполнению курсовой работы

3.1 Анализ кинематики станка

Если в качестве базового предложен какой либо универсальный станок, то необходимо произвести его модернизацию с целью обеспечения управления его от ЧПУ. Если тип приводов подач в задании не соответствует приводам базовой модели, то студент самостоятельно вносит изменения в кинематическую схему.

Во всех случаях необходимо из общих соображений дать обоснование применения имеющихся приводов подачи и главного движения, если они не соответствуют заданию, предложить свои типы приводов (мощность, крутящий момент, максимальная скорость, диапазон регулирования, режим работы).

На кинематической схеме необходимо указать все исполнительные органы (приводы смены инструмента, задней бабки, закрепление инструмента, автооператора, электромагнитные муфты переключения скорости привода главного движения и др. по заданию преподавателя), а также все датчики обратной связи с соответствующими кинематическими связями, датчики контроля граничных положений рабочего органа и вспомогательных механизмов, датчики контроля выхода в исходную точку (нулевую) и др. Фрагмент кинематической схемы показан на рис. 3.1.

На основании проведенной работы делается заключение о количестве и типе управляемых и контролируемых параметров, делаются рекомендации по их обработке и формирования. Формируются требования по входам и выходам СЧПУ.

3.2 Функциональная схема СЧПУ

В качестве базовой модели СЧПУ в курсовом работе берется одна из известных систем: “Электроника НЦ-31”, “Электроника НЦ-80” (МС2101), 2С32 (2Р32). Их функциональные схемы приведены в [8]. Интерфейсная часть приведенной в работе СЧПУ должна четко отражать вариант задания по:

количеству ЦАП и АЦП;

интерфейсу ДОС;

Количеству входов/выходов интерфейса ЭА.

При этом необходимо определить:

область ОЗУ;

закрепить ячейки памяти за соответствующей информацией;

закрепить выходные каналы ЦАП и АЦП за соответствующими координатами.

Рекомендуется область памяти выделить не для одного или двух кадров программы, а для всей программы. Для обработки корпусной детали (3-х координатная СЧПУ) средней сложности требуется до 300-1000 кадров программы.



Для записи кода (адреса) команд технологической группы достаточно одной ячейки памяти. Для записи числовой информации после кода этих команд (G, N, M, S) достаточно двух десятичных разрядов.

По адресам координатных перемещений (X, Y, Z) необходимо определить величину максимального перемещения в дискретах

Nmax = Xmax /(3.1)

где - цена одной дискреты, мм;

Xmax - максимальное перемещение по координате Х, мм.

При этом рекомендуется брать максимальное число, соответствующие полученному количеству разрядов (например, если Nmax = 80000, то необходимо принять = 99999 = 105 - 1)

= 10n - 1

где n - число разрядов Nmax.

При представлении числа необходимо учитывать знаковый разряд, тогда для записи Хmax необходимо n + 1 десятичный разряд, один из которых знаковый.

Емкость одной ячейки памяти - 1 байт двоичной информации. Если принять восьмеричную систему счисления, то в две последовательные ячейки (16 бит) могут быть записаны 5 разрядов восьмеричного числа (16/3 = 5+1/3). Для записи необходимо m ячеек памяти

(3.2)

Стандартный кадр управления программы круговая интерполяция без указания скорости подачи имеет вид:

G02 X + Xmax Y + Ymax I + Xmax J + Xmax(3.3)

и занимает объем

1 + 1 + 1 + + 1 + + 1 + + 1 + = 6 + 4

ячеек памяти. Таким образом, если ввести пересчет управляющей программы через кадры круговой интерполяции, то объем памяти необходимый для ее хранения

VОЗУ = (3001000)(6 + 4)

Например, при Xmax = 800 мм, = 0,01 мм, = 3

VОЗУ = 30018 = 5400 байт =5,4 Кбайт

Необходимо также задать адреса всех периферийных устройств: регистров ЦАП и АЦП, ЭКА и ДОС.

Следует учитывать, что начальная область ПЗУ используется для размещения векторов прерываний и резидентных тестов, в системах с общей шиной адреса периферийных устройств располагаются начиная с адреса 1600008, данные и адреса представлены в восьмеричной системе. Кроме управления приводами перемещений СЧПУ организует и формирует сигналы управления электроавтоматикой станка. Поэтому необходимо определить входные и выходные сигналы и емкость входных и выходных регистров, учитывая двоично-десятичный формат представления функций.

Отметим некоторые из этих сигналов:

а) для каждой координаты сигналы:

с конечных выключателей крайних положений рабочего огана;

с конечных выключателей нулевого положения исполнительных органов;

с конечных выключателей замедления скорости при подходе к нулевому положению (1 или 2).

б) для привода главного движения:

с узла фиксации инструмента.

в) общий стоп.

г) готовность станка и др.

Определить максимальное время формирования управляющих импульсов на быстрых ходах рабочего органа

Гц(3.4)

где Vбх - скорость быстрых ходов, м/мин;

fmax - максимальная частота импульсов, поступающих с ДОС в СЧПУ.

Минимальный период выдачи импульсов на выходе ЦАП определяется временем вычислительных операций, выполняемых в соответствии с заданным алгоритмом позиционирования. В предлагаемых заданиях на работ цикла позиционирования число вычислительных операций: логических и арифметических, которые необходимо выполнить, чтобы сформировать выходной сигнал на ЦАП лежит в пределах от 6 до 14 операций (или от 12 до 30 команд)

min = W-1n

где min - время вычислительных операций, с;

W - быстродействие микро ЭВМ - СЧПУ, оп/с;

n - число команд по программе, реализующей алгоритм позиционирования (принять =30…40).

Тогда максимальное время формирования управляющего сигнала на выходе ЦАП



mах = 1/fmax + К min + АП,(3.5)

где К - коэффициент, учитывающий несоответствие реальной длительности выполнения операций алгоритма позиционирования длительности операций, используемых для определения W (принять К = 1,5);

АП - время задержки в аппаратной части ЦАП или время преобразования(5…20нс).

В реальных системах mах на два, три порядка меньше постоянной времени привода подачи или всей системы (Т) и всегда меньше 1/fmax.

3.3 Схемы электроавтоматики и подключение СЧПУ к станку

В задачу курсового работа входит разработка фрагмента электрической принципиальной схемы электроавтоматики станка. Он должен содержать все необходимые атрибуты: вводной автомат защиты, средства защиты на всех исполнительных приводах, средства подавления помех, формируемых устройством при коммутации, средства индикации, трансформаторы для формирования напряжений, питающих промежуточные схемы управления и др.

На схеме должно быть отражено: подключение комплектных приводов с указанием выходов контроля состояния: готовность привода, термозащита, авария; входов управления ими и соединение блоков управления с двигателями (М1Мi), тагогенераторами, термодатчиками, тормозами (и другими элементами входящими в его состав). Пример подключения комплектного привода серии КЕМРОН (Болгария) показан на рис. 3.2.

Необходимо полностью отразить схему реализации комплекса заданных вспомогательных функций, начиная с выходного разъема СЧПУ, на котором формируется функция и кончая конкретными исполнительными приводами. При этом будем предполагать импульсный способ формирования команд управления электроавтоматикой станка. Для однозначного определения например М - функций примем, что М(n) - функция включения трехфазного асинхронного двигателя (Мi) по часовой стрелке; М(n+1) - против часовой стрелки; М(n+2) - функция выключения двигателя; М(n+3) - функция включения трехфазного асинхронного двигателя (Мi+1); М(n+4) - функция выключения двигателя (Мi+1).

Промежуточная схема дешифрации М - функций должна строиться по известным законам Булевой алгебры. При этом для упрощения задачи предположим, что в станке могут быть использованы всевозможные М - функции, промежуточные реле, включенные на входе СЧПУ имеют



неограниченное число групп контактов, отсутствию сигнала М на выходе разъема соответствует “высокий” потенциал (то есть вспомогательное реле обесточено).

Для реализации комплекса функций, например, начиная с KV34 предполагая, что на выходах разъема системы ЧПУ М01, М02, М08, М10, М20, М40, М80 установлены соответствующие реле KV01, KV02 KV40, KV80. Состояние контактов реле будем характеризовать некоторой функцией Xij , принимающей значение 1 - контакты замкнуты; 0- контакты разомкнуты. Реле имеет, как нормально разомкнутые контакты Xij , так и нормально замкнутые .

Таким образом, для реализации функции M34, то есть для включения промежуточного реле KV34 необходимо реализовать зависимость:

(3.6)

Включение нормально разомкнутых контактов реле KV34 - отражает цепь включения самоблокировки, а включение нормально замкнутых контактов реле KV35, KV36 отражает цепь включения функций М35, М36. Аналогичным образом строятся зависимости для управления реле KV35, KV36, KV37, KV38. На основании полученных зависимостей строится схема управления рис. 3.3.

Непременным условием решения задачи работирования схем электроавтоматики станка является формирование сигнала “Готовность станка”. Возможны несколько вариантов его формирования. Они определяются типом СЧПУ, организацией обмена информацией с периферией и т.д. В любом случае сигнал “Готовность станка” содержит информацию о подаче питания на исполнительные устройства: приводы подачи, гидростанцию и другие исполнительные устройства, наличие масла в гидростанции, наличие давления воздуха в пневмосети и т.д., об аварии приводов, готовности ЧПУ, о включении станка и др.



Реализация сигнала “Готовность станка ” с помощью, например реле КV 100 на примере СЧПУ 2С42 показана на рис. 3.7. Контакты реле КV 101, сигнализируют о подаче напряжения на приводы подачи; КV 102 - контакты реле, сигнализируют об отсутствии аварии в приводах; КV 103 - контакты реле, сигнализирующие о готовности СЧПУ; РL1 - контакты датчика уровня масла в гидростанции. Обмотки всех перечисленных реле должны быть обязательно показаны на схеме или указаны в блоках, где они установлены.

Схема подключения СЧПУ должна отражать все ее функциональные возможности не только подвергнутые разработке в работе, но и характерные данному классу систем. На ней необходимо показать выходы управления сменой инструмента Tij, выходы управления скоростью главного движения при бесступенчатом способе управления S и при ступенчатом Sij, выходы вспомогательной функции Мij, если необходимо выход “Готовность ЧПУ”. Количество выходов Tij, Sij, Mij, определяются в процессе работирования. На всех выходах устанавливаются промежуточные реле KVi. На схеме должны быть показаны выводы подключения всех конечных выключателей и контактных датчиков, входы “Ответ М”, “Ответ Т”, “Ответ S”; “Готовность станка”, а также входы контроля фиксации магазина инструментов

Все входы электроавтоматики станка могут быть выведены через один разъем СЧПУ, все входы через другой. На схеме подключения СЧПУ необходимо указать выходы ЦАП управления приводами подачи, входы датчиков положения рабочего органа станка, датчики резьбонарезания, входы АЦП и др. Выходы ЦАП выводятся через один разъем СЧПУ. Каждый датчик положения связан с СЧПУ через свой разъем. Необходимо помнить, что при использовании электрогидравлического шагового двигателя в приводах подач датчики положения рабочего органа не устанавливаются

Пример схемы подключения СЧПУ показан на рис. 3.4. При работировании принципиальных электрических схем электроавтоматики и подключения СЧПУ необходимо выполнять все требования ЕСКД.



3.4 Разработка алгоритма и программы цикла позиционирования

В общем случае любой цикл позиционирования может быть представлен графиком рис. 3.5. На каждом этапе приближения к точке позиционирования X0 система формирует одно из возможных управлений U:

При = X - X0



(3.6)

для положительной области 0 КN = 1, для отрицательной области

< 0 КN = -1,

(3.7)

Для случая ступенчатого цикла позиционирования (G60) уравнения (3.7) не имеют силы, а К1 = К2 = К3 = 0. Блок-схема алгоритма позиционирования показана на рис. 3.6. Цикл начинается с расчета текущего значения = Х - Х0, после определения знака формируется значение коэффициента КN. Далее проводится анализ выполнения условия > i, на основании которого формируется управление

,(3.8)

После выполнения условия < 1 , включается подпрограмма формирования сигналов конца обработки кадра КОК. На блок-схеме опущена



подпрограмма задержки перед формированием сигналов КОК. Аналогичный алгоритм реализуется по координате Y.

Система команд и методы адресации, рассмотренные ниже характерны для УЧПУ на основе ЭВМ “Электроника 60”.

Каждый студент должен составить блок-схему алгоритма и программу для цикла позиционирования, соответствующего его заданию. При этом необходимо выбрать конкретные значения всех параметров. Зона нечувствительности 1, обеспечивающая отсечку различных флуктуаций, равна 1…3 дискреты. Скачок управления U1 равен 1…3 дискретам изменения выходного напряжения ЦАП ( для Д = 10000, U1 = 10…30 мВ, для Д = 10000, U1 =1…3 В.

Для однозначного определения управляющих воздействий примем U2 = 2 В, U3 = 5 В, U4 = 10 В, необходимо их представить в единицах дискрет ЦАП. 2, 3, 4, - определяются инерционностью привода и максимальной скоростью перемещения привода. Будем определять их по зависимости (3.7), учитывая в учебных целях, что Ki` = 10Ki ; Ki - коэффициенты данные в задании на курсовой работ [ Ki ] = B/мм.

Для ступенчатого цикла позиционирования примем U1 = 0.5 В b2 = 0.1 мм, b3 = 2b2, b4 = 4b2.



4. Задание на курсовую работу

Задание выдается по таблице заданий, в котором указаны модель станка [15], тип привода подачи и вспомогательной функции, требующим своей реализации в курсовом работе, ее номер равен вектору задания (Р). Необходимо реализовать не менее пяти вспомогательных М функций на различные типы исполнительных устройств, или фрагмент реализации S и Т - функций по заданию преподавателя. Варианты заданий представлены в таблице 4.1

Таблица 4.1 - ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

№ задания	Модель станка	Тип привода подачи	Тип функции
1	2	3	4
2	6Р13Ф3-37 (с. 141)	ДПТ	S
3		ЭГШД	M
4	6Р13Ф3 (с. 144)	ЭГШД	S(M)
5		ДПТ	T
6	16К20Ф3С5 (с. 75)	ЭГШД	S
7		ДПТ	T
8	15К20Т1 (с. 80)	ДПТ	S(M)
9		ЭГШД	T
10	1В340Ф30 (с. 81)	ДПТ	T
11		ЭГШД	S
12	1Б732Ф3 (с. 89)	ЭГШД	M
13		ДПТ	S
14	1А734Ф3(с. 93)	ДПТ	T
15		ЭГШД	M
16	1725МФ3(с. 97)	ДПТ	T
17		ЭГШД	S(M)
18	ТМЦ-200 (с. 101)	ДПТ	T
19		ЭГШД	M
20	2554Ф2 (с. 116)	ДПТ	Т
21		ЭГШД	М
22	2611Ф2 (с. 124)	ДПТ	М
23	243ВМФ2 (с. 157)	ДПТ	Т
24		ЭГШД	М
25	6305Ф4 (с. 168)	ЭГШД	Т
26		ДПТ	М
27	ИР500ПМФ4 (с. 171)	ДПТ	Т
28		ЭГШД	М
29	3М151Ф2 (с. 198)	ДПТ	М
30	53А20Ф4 (с. 228)	ДПТ	М



Библиографический список

1. Сосонкин В. Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками. - М., 1985. - 198 c.

2. Станки с программным управлением и промышленные роботы. Локтеева С. Е. - М., 1986. - 320с.

3. Станки с программным управлением: Справочник. - М., 1981. - 200с.

4. Ратмиров В. А. Управление станками гибких производственных систем. - М., 1987. - 272с.

5. Гнатек О. Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогово-цифровым преобразователям /Пер. с англ. под ред. Ю. А. Рюжина. - М., 1977. - 76с.

6. Волчкевич Л. И., Ковалев М. П., Кузнецов М. М. Комплексная автоматизация производства. - М., 1983. - 270с.

7. Аналоговые и цифровые интегральные схемы: Справочник / Под ред. С. В. Якубовского. - М.: Радио и связь, -1985.- 360с.

8. Микропроцессоры. В 3-х кн.: Учеб. для втузов / Под ред. Л. Н. Преснухина. Кн. 1. Архитектура и работирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов. - М.: Высш. школа,1986.

9. Работирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В. В. Сташин и др. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

10. Микропроцессоры имикропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник. В 2-х т. / Под ред. В. А. Шахнова. - М.: Радио и связь, 1988.

11. Комплект БИС 1804 в процессорах и контроллерах. / Под ред. В. В. Смолова. - М.: Радио и связь. - 1990.

12. Калабеков Б. А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. - М.: Радио и связь, 1988.

13. Федорков Б. Г., Телец В. А., Дегтяренко В. П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. - 282с.

14. ГОСТ 2.708-81 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники. - М.: Госстандарт СССР, 1981. - 32с.



Приложение 1

8. Пример выполнения курсовой работы

Пусть студент находится под 20-ым номером в списке группы и получает бланк задания представленный в приложении 1. Тогда ход выполнения курсовой работы должен быть следующим (см. пример в приложении 2 к методическим указаниям).

Тульский государственный университет

кафедра «Автоматизированные станочные системы»

Задание № ХХХ.07 на курсовую работу по курсу

«Управление техническими системами»

Студент ХХХХХХХ Е. А. группа ХХХХХХ

Тема работа: «Система управления технологическим объектом»

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

1 Тип объекта управления 16К20Ф3С5

2 Тип вспомогательных органов ДПТ

3 Вспомогательные функции Т

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1 Графическая часть

1.1 Кинематическая схема объекта;

1.2 Электрическая принципиальная схема подключения ЧПУ;

1.3 Фрагмент электрической принципиальной схемы электроавтоматики;

1.4 Функциональная схема УЧПУ.

2 Расчетно-пояснительная записка

2.1 Анализ кинематической схемы станка;

2.2 Выбор типа и числа управляемых и контролируемых параметров;

2.3 Обоснование типа системы УЧПУ (разрядность, объем ОЗУ);

2.4 Разработка электрической принципиальной схемы подключения УЧПУ:

2.5 Разработка электрической принципиальной схемы электроавтоматики;

2.6 Разработка алгоритма позиционирования;

2.7 Заключение;

2.8 Список используемой литературы.

Задание выдано « ________» ____________ 200_ г.

Задание выдал

Задание получено « ________» ____________ 200_ г.

Приложение 2

Пример оформления

курсовой работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА “АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ”

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Управление техническими системами»

на тему:

«СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ»

Тула 2004

Содержание

Бланк задания3

1. Исходные данные4

2. Анализ кинематики станка5

3. Функциональная схема СЧПУ6

3.1 Описание СЧПУ «Электроника НЦ-31»6

3.2 Определение разрядности и объема ОЗУ8

4. Схемы электроавтоматики и подключения СЧПУ к станку9

4.1 Электрическая принципиальная схема электроавтоматики станка9

4.2 Реализация комплекса вспомогательных М-функций и Т-функций автоматической смены инструмента

10

4.3 Реализация схемы подключения СЧПУ11

5. Разработка цикла позиционирования12

5.1 Алгоритм цикла позиционирования12

5.2 Блок-схема алгоритма13

6. Заключение14

7. Библиографический список15

Исходные данные

	D0	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7
1910=	0	0	0	1	1	0	0	1	2-10

Согласно задания, выбираем датчик обратной связи: фотоимпульсный датчик ВЕ-178, величина относительной дискреты =2500 мм/об; тип интерфейса связи со станком - ЦАП; тип цикла позиционирования К1= К2=К3=1, U4=4U1 .

Тип базовой УЧПУ: «Электроника НЦ-31»; рабочая подача 1,2 м/мин, скорость быстрых ходов 4,8 м/мин; величина максимального перемещения 500 мм.

Для систем с мультиплексированной шиной адрес внешних устройств принимаем равным А8=А5+Х8.

А5 - начальный адрес, закрепленный за внешними устройствами в данной СЧПУ.

Х8=N10

Принимаем допущение, что система управления с разомкнутой главной обратной связью описывается передаточной функцией, имеющей первый порядок астатизма.

;

К - коэффициент усиления системы по одной из координат, с-1.

Т - постоянная времени системы, с.

С целью сохранения устойчивости и обеспечения колебательного перехода процесса, принимаем

2. Анализ кинематики станка

Рассмотрим кинематическую схему токарно-винторезного станка с ЧПУ ИТ42.

Кинематическая схема состоит из следующих цепей (рис.2.1):

вращения шпинделя - главное движение М1;

поперечное перемещение суппорта: поперечная подача (привод Y) М2;

продольное перемещение суппорта: продольная подача (привод Z) М3;

вращение револьверной головки М4;

перемещение задней бабки (привод Z') М5;

охлаждение М6.

В качестве привода главного движения и приводов подач используется комплектный электропривод ЭТЗИ.

Токарный станок ИТ42 имеет компоновку с горизонтальными направляющими. На станине располагается шпиндельная бабка с коробкой скоростей, револьверная головка и задняя бабка. Станок имеет три управляемые координаты: Z - перемещение суппорта вдоль оси шпинделя, Z' - перемещение задней бабки, X - перемещение суппорта перпендикулярно оси шпинделя. Контроль перемещения по оси Z осуществляется при помощи конечных выключателей SQ1…SQ4, по оси X - SQ5…SQ8, по оси Z' - SQ24,SQ25. На каждом ходовом винте установлен датчик типа ВЕ-178.

Привод главного движения состоит из электродвигателя постоянного тока мощностью 4 кВт, коробки скоростей и шпинделя установленного в передней бабке. Контроль за вращением шпинделя осуществляется при помощи датчика резьбонарезания типа ВЕ-178.

Переключение скоростей происходит при помощи пневмоцилиндра. Остановка переключения скоростей производится через конечные выключатели SQ и SQ14.

Смена инструмента револьверной головки на 12 инструментов происходит при помощи электродвигателя М4 следующим образом: револьверная головка поворачивается до заданной позиции и останавливается по достижении одного из конечных выключателей SQ9…SQ20 с небольшим перебегом; далее включается реверс двигателя и происходит посадка в заданную позицию, нажатие SQ21 и отключение двигателя.



Рис. 4.1. Кинематическая схема токарного станка

3. Функциональная схема СЧПУ

3.1 Описание УЧПУ «Электроника НЦ-31»

Аппаратно-программное исполнение систем этого поколения в значительной степени ориентировано на определенную группу станков. Таким специализированным УЧПУ является «Электроника НЦ-З1», предназначенная главным образом для токарной группы станков. Конструктивно устройство рассчитано на встройку в станок. Им оснащают токарные станки различных типоразмеров, в том числе встраиваемые в ГПС. В последнем случае УЧПУ оснащают дополнительным модулем. УЧПУ «Электроника НЦ-З1» обеспечивает контурное управление при следящем приводе подач и импульсных датчиках обратной связи.

Ввод программы может быть выполнен тремя способами: с клавиатуры УЧПУ, с кассеты электронной памяти и по каналу связи от ЭВМ верхнего ранга. Вычислительная часть УЧПУ «Электроника НЦ-31» состоит из процессора П1 (П2); ОЗУ (4К слов), адаптера магистрали и таймера. Базовое программное обеспечение заносится в ПЗУ на этапе изготовления УЧПУ.

Модули УЧПУ взаимодействуют между собой с использованием магистрали типа «общая шина». Одновременно могут взаимодействовать только два из них, выполняя одну из двух функций: передачу управления магистралью или обмен информацией. В свою очередь, обмен информацией подразделяется на чтение и запись по нему. Ведомые модули (ОЗУ и контроллер привода) участвуют в обменах только после адресного вызова от одного из остальных ведущих модулей.

Обмен информацией по магистрали осуществляется 16-разрядными словами. Объем адресного пространства, в котором возможны обмены по «Общей шине», равен 64К слов. Запросы на обмен информацией по 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. Дополнительный канал, управляемый адаптером магистрали, увеличивает функциональную гибкость УЧПУ в целом и позволяет упростить аппаратную реализацию модулей.

Адаптер магистрали реализует также функцию отсчета программно задаваемых интервалов времени (максимальная длительность задаваемого интервала 64К дискрет по 0,1 мс). Задание на отработку интервала времени поступает в адаптер от процессора и по окончании отработки сообщается процессору, вызывая его прерывание.

При необходимости обмена информацией с пультом оператора или с одним из контроллеров инициатор обмена запрашивает разрешение захвата общей магистрали и после разрешения генерирует адрес ведомого устройства. Модуль адаптера преобразует этот адрес в сообщение по радиальному каналу на вызываемый ведомый модуль.

Контроллер электроавтоматики (16 входов и выходов) обеспечивает электрическое согласование сигналов между УЧПУ и электрооборудованием станка, а также вызывает прерывание процессора при поступлении сигнала электроавтоматики. Обеспечена возможность адресного маскирования (запрета) прерывания процессора. Для организации прерываний могут быть использованы восемь входов. Все входы и выходы в УЧПУ «Электроника НЦ-31» так же, как и в других микропроцессорных системах управления, имеют оптронную развязку с электрическими цепями станка.

Указанное число входов и выходов является достаточным лишь при несложных задачах управления электроавтоматикой. Для ГП-модулей предусматривается программируемый командо-аппарат, связанный по каналам электроавтоматики с УЧПУ.

В УЧПУ «Электроника НЦ-З1 предусмотрено четыре входа от импульсных измерительных преобразователей. Один из входов используется для импульсного преобразователя электронного маховика ручного управления. В токарных станках, кроме импульсных преобразователей по координатам, устанавливается датчик на главном приводе для обеспечения режима резьбонарезания. Остальные импульсные преобразователи выполняют функцию датчиков обратной связи по пути (координаты X, Z).

Программное обеспечение УЧПУ позволяет работать в режиме, обучения. В этом режиме при ручном управлении и работе от маховика параллельно с обработкой детали формируется управляющая программа для обработки последующих деталей в автоматическом режиме. Разбиение управляющей программы на кадры, включающие команды по адресам М, S, T также выполняется автоматически.

Контроллер привода обеспечивает управление скоростью движения (подачи) по осям X, Z выполняя функцию преобразования двоичного кода скорости подачи в пропорциональный этому коду аналоговый сигнал (дискретность 5 мВ; диапазон ±10 В).

Модуль пульта оператора обеспечивает взаимодействия оператора с УЧПУ. Элементы индикации позволяют индицировать: скорость подачи; номер и параметры кадра управляющей программы; информацию о состоянии УЧПУ. Клавиши панели пульта оператора обеспечивают ввод и отработку управляющей программы по шагам либо в автоматическом режиме.

Модуль ОЗУ внешней памяти выполнен в виде кассеты электронной памяти. Он позволяет расширить объем оперативной памяти УЧПУ от 4К слов в модуле ОЗУ до 8К слов суммарного объема и выполнить ввод или вывод из УЧПУ отлаженных программ обработки. Кассета имеет аккумуляторный источник питания, обеспечивающий сохранение информации не менее 100 ч.

В основном исполнении УЧПУ «Электроника НЦ-31» имеет специализированное программное обеспечение, ориентированное на выполнение функций токарной обработки. Обеспечивается выполнение развитых технологических циклов, оформленных в виде G-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 подпрограмм циклов и выполнение команд условных переходов по внешнему сигналу. Основным способом коррекции инструмента является повторный выход в режим размерной привязки. В результате этой процедуры устройство автоматически формирует величины корректоров и запоминает их значения в области памяти корректоров. При этом дискретность величин корректоров соответствует дискретности измерительных преобразователей 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 их останавливает отработку управляющей программы. Диагностика превышения допустимых скоростей в определенном диапазоне носит предупредительный характер.

3.2 Определение разрядности и объема ОЗУ

По адресам координатных перемещений (Х,Y,Z) необходимо определить величину максимального перемещения в дискретах.

где - цена одной дискреты, мм;

, h - шаг ходового винта

- максимальное перемещение по координате Х, мм.

, где n - число разрядов .

Емкость одной ячейки памяти - один байт двоичной информации. Если принять восьмиричную систему счисления, то в две последовательные ячейки(16 бит) могут быть записаны 7 разрядов восьмиричного числа .

Для записи в этом случае потребуется ячеек.

Стандартный кадр управляющей программы: круговая интерполяция без указания скорости подачи имеет вид

G02 X+XmaxY+YmaxI+Xmaxi+ymax

и занимает объем

1+1+1++1++1++1+=6+4

ячеек памяти. Таким образом, если ввести перерасчет управляющей программы через кадры круговой интерполяции, то объем памяти, необходимый для ее хранения

VОЗУ=(300…1000)(6+4)

VОЗУ=байт=5,4 Кбайт

Кроме управления приводами перемещений СЧПУ организует и формирует сигналы управления электроавтоматикой станка.

Максимальное время формирования управляющих импульсов



где - скорость быстрых ходов, м/мин;

- максимальная частота импульсов, поступающих с ДОС в СЧПУ.

Минимальный период выдачи импульсов 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 время управляющего сигнала на выходе КЭА

, с

К=1,5 - коэффициент, учитывающий несоответствие реальной длительности выполнения операции алгоритма позиционирования длительности операции.

=1,7 мкс - время задержки в аппаратной части КЭА или время преобразования.

4. Схемы электроавтоматики и подключения СЧПУ к станку

4.1 Электрическая принципиальная схема электроавтоматики станка

Схема электроавтоматики станка показана на рис. 4.2. и содержит:

1 - подключение к питанию комплектных приводов подач и главного движения с указанием выходов контроля состояния: готовность привода,

Рис. 4. 2.Принципиальная схема электроавтоматики станка

управление приводом, термозащита. Соединение блоков управления с двигателями, тахогенераторами, термодатчиками.

2 - подключение асинхронных электродвигателей охлаждения, револьверной головки и перемещения задней бабки.

3 - средства защиты.

вводный автомат защиты QF1; предназначен для защиты всей электроавтоматики станка от перегрузок .

автоматы защиты комплектных приводов подач и главного движения QF2, QF3, QF4 от перегрузок.

тепловые реле КК1…КК3; предназначены для защиты асинхронных электродвигателей от недопустимого перегрева при длительных перегрузках. Предназначены для обеспечения защиты трансформаторов и цепей управления от перегрева и короткого замыкания.

блоки для защиты от электрических помех асинхронных электродвигателей.

4 - трансформаторы.

для формирования напряжений, питающих промежуточные схемы управления TV 1, TV 2 и сигнализатор заземления.

для формирования напряжений, питающих комплектные электроприводы TV 3, TV 4, TV 5.

5 - средства индикации.

контроль напряжения Н 1; предназначен для контроля напряжения в цепях питания.

сигнализатор заземления Н 2, Н 3; предназначен для индикации наличия заземления.

4.2. Реализация схемы подключения СЧПУ

Схема подключения СЧПУ показана на рис. 4.2. Она отражает все ее функциональные возможности характерные для данного класса систем и технологического оборудования.

На схеме показаны выходы управления вспомогательной функцией М, функцией Т - автоматической смены инструмента, выход “Готовность УЧПУ”. Количество выходов определяется в процессе работирования: М-функций - 8, Т-функций - 5, “Готовность УЧПУ” - 1. На выходах устанавливаются промежуточные реле KV01...KV15, KV40. На схеме показаны входы подключения всех конечных выключателей SQ1...SQ25; входы “Ответ М”, “Ответ Т”, “Ответ S” и вход “Готовность станка”.

На схеме подключения СЧПУ показаны выходы КП управления приводами подачи и главного движения (ав, cd, ef), входы датчиков положения рабочего органа станка. Выходы КП выводятся через один разъем СЧПУ. Каждый датчик положения связан с СЧПУ через свой разъем.

При работировании принципиальных электрических схем электроавтоматики и подключения СЧПУ выполнены все требования ЕСКД.

4.3. Реализация комплекса вспомогательных М-функций и Т-функций автоматической смены инструмента

Определим схему реализации комплекса заданных вспомогательных функций, начиная с выходного разъема СЧПУ, на котором реализуется М-функция и кончая конкретными исполнительными приводами.

Для однозначного определения реализации М-функций примем, что

М19 - включение двигателя охлаждения (М3);

М20 - отключение двигателя охлаждения (М3);

М21 - включение двигателя М5 для подвода задней бабки;

М22 - включение двигателя М5 для отвода задней бабки;

М23 - выключение двигателя М5.

Для реализации комплекса функций, начиная с М19 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 функцией Хij, принимающей значение 1 - контакты замкнуты и 0 - контакты разомкнуты. Реле имеет, как нормально разомкнутые контакты Хij, так и нормально замкнутые .

Таким образом, для реализации функций М19 … М23 необходимо реализовать зависимости рис. 4.3.:

Аналогично для Т-функции (Т1 … Т12 - включение инструментов № 1…12)



Рис.4.3. Принципиальная электрическая схема дешифраторов вспомогательных функций

На основании полученных зависимостей строится схема управления.

Непременным условием решения задачи работирования схем электроавтоматики станка является формирование сигнала “Готовность станка“. Сигнал “Готовность станка“ содержит информацию о подаче питания на исполнительные.

На схеме электроавтоматики станка показано решение задачи формирования сигнала “Ответ М”. Сигнал “Ответ М” содержит информацию о выполнении М-функций реализованных в дешифраторе, и осуществляет переход к следующему этапу выполнения программы.

Выдача сигнала “Ответ М” происходит с задержкой, реализуемой посредством установки конденсаторов и резисторов. Задержка необходима для того чтобы после команды управления, реализованной по импульсному принципу, существующей на выходе в пределах 200250 мс, появлялся сигнал “Ответ М”.

5. Разработка цикла позиционирования

5.1 Алгоритм цикла позиционирования

В общем случае любой цикл позиционирования может быть представлен графиком. На каждом этапе приближения к точке позиционирования система формирует одно из возможных управлений u.

При

Для положительной области >0, =1, при отрицательной <0, = -1.

[В/мм]

1- зона нечувствительности, обеспечивающая отсечку различных флуктуаций;

U1- скачок управления;

Принимаем:

U1= 2 дискреты = 2 В;

1= 2 дискреты;

U4=4U1=8 В;

- определяется инертностью привода и максимальной скоростью перемещения привода.

Для его определения следует решить систему уравнений

, при >0, т.е. =1.

дискрет

По результатам вычислений построим график цикла позиционирования



Рис. 5.1. График цикла позиционирования

5.2. Блок-схема алгоритма

Цикл начинается с расчета текущего значения . После определения знака формируется значение коэффициента . Далее проводится анализ выполнения условия , на основании, которого формируется уравнения .

После выполнения условия , включается подпрограмма формирования сигналов конца отработки кадра. На блок-схеме опущена подпрограмма задержки перед формированием сигнала конца отработки кадра.



Рис. 5.2 Блок-схема алгоритма

6. Заключение

В данном курсовом работе был реализован общий подход к задачам работирования СЧПУ металлорежущих станков, их разработки и эксплуатации.

Был произведен анализ кинематики станка и обоснован тип и число управляемых и контролируемых параметров, разработаны электрические принципиальные схемы подключения УЧПУ к станку и электроавтоматики станка, а также алгоритм позиционирования. При выполнении этого работа были использованы знания и навыки, полученные при изучении дисциплин «Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов», «Электроника и микропроцессорная техника систем управления», «Теория автоматического управления », «Управление процессами и объектами в машиностроении».

7. Библиографический список

1. Сосонкин В. Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками. - М., 1985. - 198 c.

2. Станки с программным управлением и промышленные роботы. Локтеева С. Е. - М., 1986. - 320с.

3. Станки с программным управлением: Справочник. - М., 1981. - 200с.

4. Ратмиров В. А. Управление станками гибких производственных систем. - М., 1987. - 272с.

5. Гнатек О. Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогово-цифровым преобразователям /Пер. с англ. под ред. Ю. А. Рюжина. - М., 1977. - 76с.

6. Волчкевич Л. И., Ковалев М. П., Кузнецов М. М. Комплексная автоматизация производства. - М., 1983. - 270с.

7. Аналоговые и цифровые интегральные схемы: Справочник / Под ред. С. В. Якубовского. - М.: Радио и связь, -1985.- 360с.

8. Микропроцессоры. В 3-х кн.: Учеб. для втузов / Под ред. Л. Н. Преснухина. Кн. 1. Архитектура и работирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов. - М.: Высш. школа,1986.

9. Работирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В. В. Сташин и др. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

10. Микропроцессоры имикропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник. В 2-х т. / Под ред. В. А. Шахнова. - М.: Радио и связь, 1988.

11. Комплект БИС 1804 в процессорах и контроллерах. / Под ред. В. В. Смолова. - М.: Радио и связь. - 1990.

12. Калабеков Б. А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. - М.: Радио и связь, 1988.

13. Федорков Б. Г., Телец В. А., Дегтяренко В. П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. - 282с.

14. ГОСТ 2.708-81 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники. - М.: Госстандарт СССР, 1981. - 32с.

15. ГОСТ 3.1418-82. Оформление техдокументации. - М., 1982. - 29с.

16. Конспект лекций по дисциплине «Управление техническими системами».

Размещено на Allbest.ru