[ «СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, получающих образование по направлению 550200 Автоматизация и управление, специальности 210200 Автоматизация ...»
УНИВЕРСИТЕТСКАЯ
БИБЛИОТЕКА
Посвящается 75-летию
МГТУ «СТАНКИН»
В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов
СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Учебное пособие для студентов высших учебных заведений,
получающих образование по направлению 550200 «Автоматизация
и управление», специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств» и магистерской программе 550207 «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы»
Москва Логос 2005 УДК 004. ББК 32.965. С Рецензенты ЮЛ. Купеев, кандидат технических наук, профессор Е.Н. Ивашов, доктор технических наук, профессор Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М.
С54 Системы числового программного управления: Учеб.
пособие. - М.: Логос, 2005. - 296 с.
ISBN 5-98704-012- Представлены архитектурные решения локальных систем числового программного управления, дан анализ вариантов их интеграции на системном и прикладном уровнях. Рассмотрены особенности новейшего поколения систем ЧПУ. Основное внимание уделено модульному построению однокомпьютерной системы ЧПУ и принципам взаимодействия модулей в рамках открытой архитектуры. Представлены все разделы прикладного программного обеспечения систем ЧПУ. Показано, каким образом понятия предметной области (интепретатор, интерполятор, языковый процессор и др.) соотносятся с понятиями программирования (объектный тип, атрибут, операция и др.). Охарактеризованы функциональные возможности современных систем ЧПУ.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств», направлению 550200 «Автоматизация и управление» и магистерской программе 550207 «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы». Может быть полезна преподавателям, аспирантам и специалистам.
УДК 004. ББК 32.965. ISBN 5-98704-012-4 © Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М., © «Логос», © Университетская книга, Оглавление Список сокращений Предисловие Введение Глава 1. Классификация систем управления 1.1. Современный мировой уровень архитектурных решений вобластиЧПУ 1.1.1. Системы CNC и PCNC-1 1.1.2. Системы PCNC-2 1.1.3. Система PCNC-3 1.1.4. Системы PCNC-4 1.2. Интеграция на основе открытого управления и стандарта ОРС (OLE for Process Control) 1.2.1. Представление об открытом управлении 1.2.2. Системы SCADA 1.2.3. Стандарт ОРС 1.3. Интеграция на основе комплекса производственных стандартов STEP (Standard for the Exchange of Product model data) 1.3.1. Обзор комплекса производственных стандартов STEP 1.3.2. STEP-NC 1.3.3. Использование в интерфейсе систем ЧПУ языков EXPRESSHXML Глава 2. Общие принципы построения систем Ч П У 2.1. Архитектура систем PCNC 2.1.1. Признаки нового поколения систем ЧПУ В.Л. Сосонкин, Пм. Мартинов. Системы числового программного управления б 2.1.2. Модульная архитектура систем ЧПУ на прикладном уровне 2.1.3. Открытая архитектура систем управления 2.2.3. Базовые понятия операционной системы 2.2.4. Использование в системах управления 2.2.5. Стратегия диспетчеризации на базе расширения RTX 2.2.6. Принцип разбиения потоков (threads) 2.3.1. Классификация систем управления электроавтоматикой 2.3.2. Система понятий, используемых при организации 2.3.3. Структура проекта системы управления 2.3.4. Альтернативные структуры проекта в клиентской части 2.3.5. Работа серверной части программы 2.3.6. Объектный подход при управлении 2.3.7. Особенности управления электроавтоматикой 2.4.3. Виртуальная структура объектно-ориентированной 2.4.4. Организация коммуникационной среды 2.5.1. Удаленный терминал в системе управления 2.5.2. Информационные технологии, используемые 2.5.3. Библиотеки классов Java, используемые 2.5.4. Инструментарий разработки удаленного терминала 2.5.5. Специфика удаленного терминала 2.6. Особенности архитектуры систем ЧПУ, 2.6.1. Традиционное программирование станков с ЧПУ 3.2.1. Формализм описания циклов электроавтоматики 3.2.2. Инструментальная поддержка визуального 3.2.3. Генерация инструментальной системой С++ кодов исполняемых модулей циклов электроавтоматики 3.3. Управление электроавтоматикой станков с ЧПУ 3.3.1. Объектно-ориентированный подход при организации математического обеспечения виртуальных контроллеров 3.3.3. Программная реализация виртуального контроллера 3.4.1. Интерпретатор диалога оператора в Windows-интерфейсе... В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления 3.4.2. Специфика построения редактора управляющих программ в коде ISO-7bit 3.4.3. Редактор-отладчик управляющих программ на языке высокого уровня (в составе терминальной задачи) Глава 4. Технологии разработки программного обеспечения 4.1. Технология объектно-ориентированного программирования 4.1.2. Базовые понятия объектно-ориентированного 4.1.3. Методические рекомендации по выбору объектов 4.1.4. Структура программного обеспечения 4.1.5. Инструментальная поддержка объектноориентированного проектирования и формализм Буча 4.2. Специфика объектно-ориентированного 4.2.2. Объектно-ориентированная модель модуля 4.2.3. Объектно-ориентированная модель 4.3. Методологические аспекты построения 4.3.2. Представление о системе PCNC 4.3.3. Построение систем ЧПУ по типу 4.3.4. Стандартные средства поддержания 4.3.5. Использование стандартных инструментальных средств поддержания открытой архитектуры 4.3.6. Использование оригинальных инструментальных средств поддержания открытой архитектуры 4.3.7. Формирование окружения разработки 4.4. Технология компонентной организации 4.4.2. Иллюстрация компонентного подхода 4.4.3. Классификация СОМ-интерфейсов и СОМ-серверов 4.4.5. Инструментальная поддержка компонентного Глава 5. Документы пользователя систем ЧПУ 5.1. Структура руководства по программированию 5.1.1. Фазовое пространство технологической машины 5.1.2. Повышение языкового уровня управляющих 5.1.3. Функциональные возможности системы управления, отражаемые в версии управляющей программы 5.2.1. Представление параметров конфигурации 5.3. Методика программирования станков с ЧПУ 5.3.2. Координатные оси и координатные системы 5.3.3. Траектории движения (типы интерполяции) В-Л- Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления 5.4. Методика разработки управляющей программы ЧПУ 5.4.2. Схемы управляющей программы Список сокращений ACS - Axes Coordinate System ADS - Automation Device Specification AP - Application Protocol API — Application Programming Interface ATL - Active Template Library CAD - Computer-Aided Design CAM - Computer-Aided Manufacturing CAN - Controller Area Network CAPP - Computer-Aided Process Planning CiA - CAN in Automation COM - Component Object Model DLL - Dynamic Link Library DNA - Distributed IntraNet Application DTD - Document Type Declaration ERP - Enterprise Resource Planning FBD - Functional Block Diagram GUID - Globally Unique Identifier HAL - Hardware Abstraction Layer IDL - Interface Definition Language IGES - Initial Graphics Exchange IL - Instruction List IPD - Interpolator Data LD - Ladder Diagram MAP - Manufacturing Automation Protocol MCS - Machine Coordinate System MIO - Main Input-Output MES - Manufacturing Execution System MFC - Microsoft Foundation Classes MMI - Man-Machine Interface MMS - Manufacturing Message Specification MRP - Manufacturing resource Planning NC - Numerical Control NCS - Numerical Control System OLE - Object Linking and Embedding В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления ООС - Object Oriented Channel ОРС - OLE for Process Control OPI -, OEM Program Interface PC - Personal Computer PCNC - Personal Computer Numerical Control PCS - Program Coordinate System PLC - Programmable Logic Controller PMAC - Programmable Multi-Axes Controller POUs - Program Organization Units PWM - Pulse Width Modulation RFC - Remote Function Call RTAPI - Real Time Application Interface PTSS - Real-Time Sub-System RTTI - Run-Time Type Information RTX - Real Time Extension RTX - Real Time extension SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition SFC - Sequential Function Chart ST - Structured Text STEP - Standard for the Exchange of Product Model Data TCS - Tool Coordinate System UML - Unified Modeling Language VMD - Virtual Manufacturing Device WCS - Workpiece Coordinate System WSN - Workplane for Setting Null XML - Extensible Markup Language XSDL - XML Schema Definition Language XSL - Extensible Stylesheet Language Предисловие Опыт преподавания ряда профилирующих дисциплин на кафедре компьютерных систем управления показал, что полностью отсутствует современная литература, поддерживающая проблематику числового программного управления. К этим дисциплинам относятся: «Программное обеспечение систем управления», «Автоматическое управление процессами и системами», «Структура и математическое обеспечение систем управления», «Распределенные системы управления». Дисциплины принадлежат типовым учебным планам по специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств»; по направлению 550200 «Автоматизация и управление»; по магистерской программе 550207 «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы».
У этих дисциплин общим является предметная область и понятийный аппарат, т.е. некоторое единое ядро, которое рассматривается в разных дисциплинах с различных позиций и сторон. Так родилась идея этой книги, которая состоит в том, чтобы содержательно и методически поддержать все четыре дисциплины, используя новейшие подходы и знания, приобретенные авторами, главным образом, в процессе их собственной научной работы.
Этой книге предшествовало написание более двух десятков статей в наиболее популярных технических журналах, пока, наконец, все необходимые темы оказались охваченными. Затем был создан двуязычный сайт www.ncsystems.ru, на котором (в том числе) были представлены эти статьи, но не в систематизированной форме. Тем не менее статьи вызвали большой интерес, о чем свидетельствует непрерывный рост рейтинга сайта. Однако создание задуманного учебного пособия оставалось по-прежнему актуальным, учитывая большой контингент студентов по специальности 210200, направлению 550200 и магистерской программе 55027.
Введение В течение последних десяти лет у нас в стране не было сколько-нибудь серьезных и полных публикаций, посвященных проблематике числового программного управления (ЧПУ). Между тем за это время в области ЧПУ произошли кардинальные изменения, затрагивающие спектр функциональных возможностей, аппаратную платформу и системные средства, архитектуру и состав прикладного математического обеспечения. Доминирующие позиции заняла концепция открытых систем ЧПУ, построенных на базе персонального компьютера (PCNC - Personal Computer Numerical Control). Другими словами, современные системы ЧПУ - это совсем не то представление, которое может возникнуть в воображении читателей монографий и учебников, написанных в 80-х и начале 90-х годов прошлого века.
Более того, мы уверены, что подобное представление будет превратным.
В этой связи был предпринят проект, нашедший свое отражение на нашем сайте www.ncsystems.ru и в предлагаемой вниманию читателя книге.
Проект затрагивает все основные проблемы современного ЧПУ. Реализация проекта была бы невозможной без теоретических исследований и практического опыта авторов, который сложился на основе их собственных разработок и сотрудничества с ведущими фирмами Запада за последние 12 лет.
Книга содержит пять глав.
Первая глава посвящена обзору архитектурных решений локальных систем ЧПУ, а также анализу вариантов их интеграции на системном уровне (OLE for Process Control - OPC) и прикладном уровне (Standard for Exchange of Product model data-STEP). Читателю предлагается ознакомиться с «архитектурным спектром» систем ЧПУ и функциональными возможностями, вытекающими из выбора конкретного варианта архитектуры. Наше предпочтение отдается компьютерному варианту. Новейшие тенденции состоят в использовании концепций «открытого управления» и включении систем ЧПУ в структуру «жизненного цикла» производства изделий (STEP).
Вторая глава посвящена изложению ключевых особенностей новейшего поколения систем ЧПУ. К их числу отнесены модульная организация систем ЧПУ типа PCNC, проблемы реального времени и внутренней коммуникации, архитектура управления электроавтоматикой, проблема создания удаленных терминалов систем ЧПУ и проблема перехода к новому поколению систем ЧГТУ, соответствующих стандарту STEP. Основное внимание уделено модульному построению однокомпьютерной системы ЧПУ и принципам взаимодействия модулей в рамках открытой архитектуры.
Особо выделены те модули, которые работают в реальном времени и требуют соответствующей системной поддержки. В их числе рассмотрен и новый программный модуль управления электроавтоматикой без привлечения аппаратуры программируемых контроллеров. Коммуникационная среда, являясь глобальным сервером системы ЧПУ, принимает на себя проблему интеграции всех модулей и проблему межмодульного взаимодействия, в том числе и в рамках распределенного управления.
К другим актуальным проблемам отнесены разработка модели удаленных терминалов на основе Java-апплетов и построение такой архитектуры ЧПУ, которая поддерживает стандарт STEP-NC (ISO 14649). Этот стандарт приведет в ближайшее время к появлению систем ЧПУ очередного поколения.
В третьей главе представлены все разделы прикладного программного обеспечения систем ЧПУ, т.е. так называемые задачи управления: геометрическая, логическая,терминальная,диагностическая. Каждая отдельная задача рассмотрена на том уровне, который отвечает концепции построения «продвинутой» системы ЧПУ. Геометрическая задача является центральной и отвечает за формообразование. Логическая задача занимается управлением электроавтоматикой; здесь показано наиболее современное ее решение по типу виртуального контроллера, т.е. без привлечения специальных аппаратных средств.
Терминальная задача организует диалоговый интерфейс с оператором.
В рамках построения диагностической задачи в качестве составной части прикладного программного обеспечения рассмотрены логический анализатор и осциллограф.
В четвертой главе показано, что произошло радикальное изменение взглядов на процедуру разработки прикладного математического обеспечения ЧПУ. Это связано с использованием объектно-ориентированного программирования, компонентного подхода и средств инструментальной поддержки проектных работ. Объектные и компонентные модели математического обеспечения систем управления имеют свою специфику. В этой связи показано, каким образом понятия предметной области (интерпретатор, интерполятор, языковый процессор, групповой интерпретатор, канал) соотносятся с понятиями программирования (объектный тип, атрибут, операция, наследование, полиморфизм, интерфейс и компонент).
Рассмотрены объектно-ориентированные модели систем ЧПУ типа PCNC с открытой архитектурой. Для поддержания разработки систем с В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления открытой архитектурой предложены стандартные и оригинальные инструментальные средства. Компонентный подход проиллюстрирован на примере контроллера привода. Очерчена рекомендуемая область компонентного проектирования и рекомендованы полезные инструментальные средства.
Пятая глава посвящена обзору функциональных возможностей современных систем ЧПУ, которые прямым или косвенным образом отображены в различных документах пользователя. Так, приведена структура руководства по программированию с описанием фазового пространства технологической машины и общим представлением относительно версий кода ISO-7bit. Раскрыто понятие конфигурации системы ЧПУ, суть которого состоит в настройке системы на конкретный объект управления с помощью глобальных переменных, называемых машинными параметрами. Изложена современная методика программирования систем ЧПУ с наиболее полным набором G-функций. Наконец, описана методика разработки управляющей программы ЧПУ соответственно стандарту ISO 14649 STEP-NC.
Глава 1.
Классификация систем управления Если сравнивать системы ЧПУ лишь по их внешним «паспортным» характеристикам, то трудно объяснить их функциональное разнообразие и их несовместимость при попытках интеграции различного уровня в пределах одного и того же предприятия. Для понимания причин несовместимости необходимо обратиться к внутренней организации и структуре систем ЧПУ, и здесь полезной оказывается классификация архитектурных решений. Эта классификация позволяет проследить эволюцию ЧПУ, которая привела к построению систем управления на базе персонального компьютера. Выбор архитектурного решения определяет возможность (или невозможность) интеграции систем ЧПУ. Говоря об интеграции систем управления на программно-аппаратном уровне, следует обратить внимание на один из перспективных вариантов, использующих стандарт ОРС. С другой стороны, единственным вариантом интеграции в рамках технологической среды предприятия и полного жизненного цикла производства является внедрение стандарта STEP.
1.1. Современный мировой уровень архитектурных решений в области ЧПУ Представлен и проиллюстрирован анализ архитектуры систем ЧПУ. Приведена классификация, указывающая на сосуществование на рынке ЧПУ пяти архитектурных вариантов. Показано, что в спектре архитектурных решений наиболее уверенные позиции занимает концепция PCNC. Самая значительная тенденция состоит в развитии и реализации идей открытой архитектуры ЧПУ, которая предоставляет конечному пользователю широкие возможности для внедрения в систему ЧПУ собственных функций.
Классифицированные архитектурные варианты сведены в табл. I.
Классические системы CNC (первый вариант) до сих пор выпускаются лишь фирмами с богатой традицией производства высококачественной собственной микроэлектронной аппаратуры. Но и эти фирмы под давлением В.П. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления Таблица I. Классификация архитектурных решений систем ЧПУ ПерсональПрограммноный компьреализованный компьютер ный процес- Внешний модуль лер электроавтотроавтомаматики Управление привоПериферийные шины следящих приводов и Интерфейс дами и электроавтоэлектроавтоматики Объекты управления конечных пользователей, желающих иметь гибкий интерфейс оператора, предлагают модификацию с персональным компьютером в качестве терминала (второй вариант). По многим причинам [1] первые системы типа PCNC относились к двухкомпьютерной архитектуре (третий вариант); они и сегодня очень популярны и наиболее широко распространены. Несколько позднее появились системы PCNC, ядро которых реализовано на отдельной плате, устанавливаемой в корпусе промышленного персонального компьютера (четвертый вариант). Наконец, по мере повышения мощности микропроцессоров все большее распространение получает однокомпьюГлава 1. Классификация систем управления терный вариант системы PCNC (пятый). Все варианты отражают суммарный опыт разработчиков систем ЧПУ и перспективные тенденции. В этой связи их рассмотрение достаточно поучительно, в особенности для тех, кто занимается разработкой новых моделей у нас в стране.
1.1.1. Системы CNC и PCNC- Семейство систем фирмы NUM (Франция, в составе концерна Schneider, Германия) построено по принципу многопроцессорных CNC-систем, т.е. с ЧПУ-процессором, процессором программируемого контроллера автоматики и графическим процессором (рис. 1). Система NUM может быть оснащена пассивным терминалом или промышленным компьютером с операционной системой Windows 98. Семейство представлено компактными, а такУправляФаза программа Рис. 1. Архитектура системы ЧПУ класса CNC фирмы NUM 20 В.П. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления Интерфейс приводов Рис 2. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-1 фирмы Allen-Bradley же и модульными версиями, которые различаются числом координат (и возможностью формировать независимые каналы ЧПУ из координатных групп), использованием традиционных аналоговых или автономных цифровых следящих приводов, подключенных к оптоволоконной сети, а также числом входов-выходов электроавтоматики и использованием удаленных (сетевых) входов-выходов.
Вычислительная мощность систем NUM исключительно высока, и этим объясняется широкий набор их функциональных возможностей. Так, предусмотрены сплайновый и полиномиальный (до пятого порядка) алгоритмы интерполяции, пяти-девятикоординатная интерполяция, пятикоординатная коррекция инструмента, одновременная работа по двум различным управляющим программам, ЗБ-графика и др. В системах с терминальным компьютером возможна адаптация интерфейса оператора к запросам конечных пользователей, диалоговое программирование с помощью инструментальных систем PROGRAMMILL и PROGRAMJTURN.
Фирма Allen Bradley в составе концерна Rockwell (США) выпускает широкое семейство систем ЧПУ: от традиционной CNC (модель 9/440) до систем CNC с персональным компьютером в качестве терминала (модель 9/260(290)) и систем класса PCNC (модель 9/РС). Последняя модель (рис. 2) выполнена по вполне классической схеме: специализированный промышленный компьютер с Windows NT операционной системой и возможностью разрабатывать пользовательские приложения на Visual Basic (функции прикладного интерфейса API опубликованы); PCI - одноплатный ЧПУ- компьютер, выполняющий все функции ядра, включая программно-реализованный контроллер электроавтоматики.
Программирование и редактирование контроллера осуществляются через общий для всей системы терминал. Программируемый контроллер имеет собственную сеть (и сетевую плату).
1.1.2. Системы PCNC- К этому классу принадлежат системы фирм ANDRON и BoschRexroth (Германия). Система ЧПУ фирмы ANDRON относится к полному двухкомпьютерному варианту. Ее структура представлена на рис. 3 в виде набора модулей: терминального компьютера, ЧПУ-компьютера, панели оператора и монитора, удаленных входов-выходов программируемого контроллера, одной или нескольких групп цифровых (SERCOS) приводов подачи и главного привода. Аппаратура системы практически полностью состоит из покупных компонентов и плат. В силу этого обстоятельства фирма ANDRON не скрывает деталей аппаратной реализации, и эта реализация весьма представительна для двухкомпьютерных версий систем ЧПУ других фирм.
В состав терминального компьютера входят: материнская плата с Celeron-процессором и интегрированными контроллерами SCSI, VGA, TFT, IDE; многофункциональная интерфейсная плата MFA с памятью CMOSROM (связь с внешним модемом; транспьютерный контроллер коммуникационного канала, связывающего терминальный и ЧПУ-компьютеры). Все платы установлены на пассивной ISA-шине, при этом предусмотрена установка дополнительных (по заказу) резервных плат: внутреннего модема, сетевой платы, SCSI-платы. Для специальных задач возможна установка PCI-плат.
В состав ЧПУ-компьютера входят: материнская плата с Celeron-процессором; плата МЮ (Main Input-Output) поддержки как коммуникационного интерфейса с терминальным компьютером (со скоростью 10 Мбит/с), так и интерфейса маховичка ручного перемещения; плата программируемого контроллера с интерфейсом InterBus-S (с циклом 4 мс для 1024 входов-выходов); одна или несколько плат SERCOS-интерфейса (с микросхемой SERCON410-В). Все платы установлены на пассивной ISA-шине. Каждый SERCOS-интерфейс обслуживает (с периодичностью 0,5 мс) одну группу из трех автономных приводов подачи и одного привода шпинделя.
Приводы одной группы включены в кольцевую оптоволоконную сеть.
В платформе системы ЧПУ фирмы ANDRON аппаратный уровень расположен под операционной системой Windows NT в терминальном компьютере и оригинальной операционной системой реального времени в ЧПУкомпьютере. На прикладном уровне терминальный компьютер открыт для разнообразных приложений и специальных диалогов конечного пользоваSOCOHKUH, I.M. Мартинов. Системы числового программного управления пользователя переключения Отсутствует стандартный^ формат для сплайнов и "" сложной технологии ЧПУ Рис. 21. Существующая схема программирования станков с ЧПУ ми блоками (executables), с необходимыми допусками, с использованием инструмента, отвечающего всем необходимым требованиям. Эта модель использует информацию форматов АР204 и АР213 вплоть до этапа интерпретации управляющей программы, т.е. она несопоставимо богаче существующей схемы программирования. Предполагается, что система управления способна интерпретировать подобную информацию и генерировать необходимые перемещения и циклы.
Стандарт ISO 14649 устанавливает девять компонентов функциональности (Units of Functionality, UOFs): проект (project), изделие (workpiece), типовую форму (feature), исполняемый блок (executable), переход (operation), траекторию инструмента (toolpath), измерения (measures). Отношения между компонентами показаны на рис. 22.
Рисунок представлен в форме, соответствующей упрощенной графической версии объектно-ориентированного языка EXPRESS [14, 15], который послужил средством описания всех прикладных протоколов STEP.
Изделие описывают так, как это принято в стандарте STEP: с историей версии, информацией владельца, утверждениями, датой, указанием материала и его свойств. Изделие служит выходом технологического процесса, а его внешний вид является свойством готового продукта. Типовые формы определяют области удаляемого материала заготовки, а их внешний вид является частью внешнего вида изделия. Типовые формы задают в параметрическом виде как совокупность образующей и направляющей. ОсоВ.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления I cutter_contact_trajeclory cutter_contact_trajeclory I II cutter_tocation_lrajectory I |parameterised_path Рис. 22. Отношения между компонентами функциональности бый случай представляют поверхности свободной формы, для которых задают область, в пределах которой они размещаются. Некоторые виды типовых форм представлены на рис. 23.
Глава 1. Классификация систем управления Ядро модели STEP-NC составляет план операций (workplans), который является последовательностью шагов операции (workingsteps). Каждый шаг операции ассоциирован с переходом, выполняемым в некоторой типовой форме изделия. В свою очередь переход содержит технологический алгоритм (включая стратегию внедрения в материал и вывода инструмента) и указания по настройкам. Переходы имеют черновую и чистовую версии.
Предполагается, что интеллектуальные системы ЧПУ будут самостоятельно рассчитывать траектории инструмента для стандартных типовых форм.
Исполняемый блок (executable) описывает поток управления и последовательность переходов, ассоциированных с операциями и типовыми формами. Исполняемый блок технологически независим. Конструкция исполняемого блока приведена на рис. 24.
Траектория инструмента устанавливает точное движение координатных приводов в том случае, если интеллектуальная система ЧПУ неспособна сама спланировать такую траекторию. Однако полная траектория может быть воссоздана из каких-то ее повторяющихся или стандартных частей. Таким образом, гибкость плана операций снижается лишь частично. Структура траектории инструмента представлена на рис. 25.
Компонент функциональности измерения определяет используемые средства измерения и допуски в разработанной модели.
Обобщающим компонентом функциональности служит проект. Суть в том, что общая модель STEP-NC может включать описания нескольких изделий и structure 50 В.П. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления parameterised trajectory feedstop множество планов операций. Проект устанавливает стартовую точку, идентифицируя главный план операций. Формальное описание проекта в объектноориентированном языке EXPRESS выглядит следующим образом:
ENTITY project;
its id: identifier;
main_workplan: workplan;
itsworkpieces: SET [0:?] OF workpiece;
its_owner: OPTIONAL person_and_address;
its_release: OPTIONAL date_and_time;
its_status: OPTIONAL approval;
Informal proposition:
i t s j d shall be unique within the part programme.
END_ENTITY;
Управляющая программа для станка с ЧПУ представлена в формате физического файла, соответствующего ISO 1033, часть 21. Первая секция программы служит заголовком (header). Здесь представлена информация общего характера и комментарии (имя файла, автор, дата и др.) (рис. 26).
Далее следует секция данных, открываемая ключевым словом Data. Эта секция делится на три части: план операций и исполняемые блоки, технологические описания, геометрические описания. Рисунок показывает отношения между этими тремя частями.
Рис. 26. Структура управляющей программы для станка с ЧПУ План операции объединяет исполняемые блоки в линейном порядке или с учетом условий. Один из типов исполняемых блоков содержит структуру программы; чтобы изменить последовательность операций достаточно внести изменения в этот блок.
Пример использования управляющей программы в подобном виде был продемонстрирован фирмой Siemens. Далее приведен небольшой фрагмент такой программы:
#1=Project (Workplan #10);
#10=Workplan (#20, #35, #71,...);
#20=Machining_Workingstep («(Feature), #22(Operation));
#22=Drilling (#... (Tool),,,#... (Technology), #... (Machinejunctions));
#35=Machining_Workingstep (...);
End-ISO-10303- Использование этого формата имеет ясное представление и четкое окружение, как это показано на рис. 27. Однако имеются и другие предложеВ.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления Текстовое \ интерфейс ISO14649 /Объектноориентированное Рис. 27. Окружение разработки управляющей программы ния, связанные с прямым использованием в управляющих программах ЧПУ языков EXPRESS и XML. Дело в том, что синтаксис ISO 10303-21 не предполагает расширений и не предусматривает использование гипертекстовых механизмов.
1.3.3. Использование в интерфейсе систем ЧПУ языков EXPRESS и XML Среди многих интересных достоинств такого подхода важную роль играет ориентация на интегрированное распределенное производство.
Язык EXPRESS является универсальным средством для описания информационных моделей в терминах «сущность - атрибуты». Сущности могут сохраняться в репозиториях в качестве абстрактных объектов, не имеющих привязки к конкретным физическим образам. Однако разработчики математического обеспечения репозиториев имеют возможность использовать любые информационные технологии и подходы при определении сущностей и атрибутов.
Язык XML гибок и расширяем, в этом смысле он имеет преимущества перед ISO 10303-21: XML-документы могут быть обработаны Web-браузерами, при этом технология браузеров позволяет визуализировать EXPRESSсущности; XML-описания принимают участие в обмене нейтральными данГлава 1. Классификация систем управления ными, но могут быть использованы в разделяемых специализированных базах данных и архивах [16].
Правила отображения и раннего связывания моделей EXPRESS и XML состоят в следующем: имя тэга соответствует или имени EXPRESS-сущности, или имени атрибута; элемент тэга - значениям атрибута; для упрощения структуры тэга его атрибуты являются многофункциональными. Упрощенная схема отображения моделей показана на рис. 28.
Окончательная схема генерации управляющей XML-программы ЧПУ из EXPRESS-модели данных ЧПУ показана на рис. 29. Эта модель охватывает EXPRESS-схему и EXPRESS-репозиторий. EXPRESS-схему можно данных CNC Реализация EXPRESSТрансляция Рис. 29. Схема генерации управляющей XML-программы ЧПУ 54 В.П. Сосонкин, ГМ. Мартинов. Системы числового программного управления конвертировать в XML DTD (Document Type Declaration) с использованием правил отображения.
Сопоставление моделей управляющих программ ЧПУ - современной (ISO 6983) и перспективной (ISO 14649) - выполнено на рис. 30.
Подготовительная The bulan Ope">OliS)4lilO w»i Рис. 62. Схема расположения функций, предоставляющих данные ботки достигается за счет инструментальных средств проектирования, разработки, документирования и отладки программного обеспечения удаленного терминала.
Оптимизация трафика между ядром системы ЧПУ и удаленным терминалом предполагает тщательный отбор отслеживаемых данных. Некоторые информативные ограничения удаленных терминалов компенсируются исключительным удобством их применения.
2.6. Особенности архитектуры систем ЧПУ, поддерживающих стандарт ISO 14649 STEP-NC Стандарт STEP используют для создания информационной модели изделия, работающей на всех этапах его жизненного цикла.
Этапы перехода от системы автоматизированного проектирования CAD к системе автоматизированного программирования САМ достаточно хорошо согласованы. Однако внедрение заключительного этапа STEP-NC согласно стандарту ISO 14649происходит достаточно сложно; более того, многие специалисты высказывают серьезные опасения, что этот стандарт будет отвергнут реальным производством. Сама идея STEP без ее заключительной фазы во многом теряет свой смысл. В этой связи в В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления данном разделе изложен вариант решения проблемы с использованием новейших информационных технологий.
Среди возможных видов интеграции в автоматизированных производствах в последнее время привлекают те, которые построены на единой информационной модели изделия в рамках его жизненного цикла: от компьютерного проектирования (CAD) и компьютерного планирования (САРР) к автоматизированной подготовке управляющих программ (САМ) и изготовлению на станках с ЧПУ (NC). Подобная модель определена в рамках комплекса стандартов STEP. Слабым звеном в последовательных переходах по этапам жизненного цикла является переход CAM-NC, уверенное представление о котором не сложилось до сих пор. По этой причине акцент сделан именно на этом переходе, причем речь далее пойдет о той части стандартов STEP, которая определена для области обработки резанием на станках с ЧПУ [40-49].
2.6.1. Традиционное программирование станков с ЧПУ и стандарт STEP-NC Программирование современных систем ЧПУ подчиняется стандарту ISO 6983 (DIN 66025), которому уже более 50 лет и который явно тормозит развитие ЧПУ-технологии. Стандарт поддерживает простые команды для элементарных перемещений и логических операций, но не сложные геометрию и логику. Управляющие программы в стандарте ISO 6983 содержат ничтожное подмножество информации, полученной на уровне CADCAM систем. Однако более серьезным является невозможность двустороннего обмена информацией с этими системами. Это означает, что любые изменения в управляющей программе не могут быть отображены в восходящем информационном потоке к системам CAD-CAM [50] (рис. 63).
В отличие от существующей ситуации стандарт STEP-NC ISO предлагает модель того, что нужно сделать на уровне системы ЧПУ, но не подробности того, как осуществлять траекторные перемещения и выполнять команды логических переключений. Это определяет специальную структуру управляющей программы ЧПУ (program structure), которую используют для построения логических блоков в рамках структурного программирования обработки.
Структура управляющей программы не является списком типовых обрабатываемых форм (features) (см. ниже); она определяет план операции (workplan), который представляет собой последовательность исполняемых объектов (executables). Кроме того, возможны: свободная организация процесса обработки (non-sequential), параллельные структуры (parallel), циклы (while-statement), условные переходы (if-statement) и др. Исполняемые объекты (executable) в составе плана операции инициируют активность Сегодня: ограниченный обмен информацией между инженерными CAD/CAM/CAPP Трудности моделирования Разнообразие каталогов Неупорядоченность информации Отсутствие know-how технологическими модифиациями и Сложность сопровождения геометрическими данными •Открытый общий интерфейс между CAD/САМ системами и системой ЧПУ II"У*""-О • Использование цехового know-how квалифицированных рабочих Рис 63. Структура двустороннего потока информации между станка. Существуют три типа исполняемых объектов: собственно план операции (workplan), функция ЧПУ (NCfunction), шаг операции (workingstep) (рис. 64).
Шаг операции workingstep описывает процессы, в которые вовлечены интерполируемые координатные оси. В отличие от этого функции ЧПУ (NC function) сопоставлены единичным событиям и с интерполяцией не связаны. Шаг операции workingstep является важнейшим строительным блоком управляющей программы ЧПУ стандарта STEP-NC ISO 14649. Блоки могут быть нейтральными действиями - ускоренными перемещениями rapid movement, измерительными циклами touch probing, а также технологическими шагами операции machining workingstep. Реальное содержание шага операции workingstep специфицировано в объекте-переходе operation.
Существует возможность повторного использования информации перехода operation (но не workingstep) для нескольких типовых форм обработки features. Итак, переход operation может быть ассоциирован со многими типовыми формами features и использован в разных местах. С другой стоВ.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления Рис. 64. Компоненты управляющей программы ЧПУ соответственно стандарту ISO 14649 в виде набора исполняемых объектов «executables»
местах. С другой стороны, шаг операции workingslep уникален. Дублирование этого шага в пределах плана операции workplan в точности воспроизведет те же самые действия станка. Переход содержит технологический алгоритм (включая стратегию внедрения в материал и вывода инструмента) и указания по настройкам. Переходы имеют черновую и чистовую версии. Предполагается, что интеллектуальные системы ЧПУ будут самостоятельно рассчитывать траектории инструмента для стандартных типовых форм. Переходы operations, согласно стандарту ISO 14649, находятся на самом нижнем информационном уровне процесса управления обработкой.
Глава 2. Общие принципы построения систем ЧПУ milling_operation Bottom_and_side_mHling Рис. 65. Структура перехода: (ABS) - абстрактный объект;
Помимо прочего, там описана траектория инструмента, если того требует САМ-система или система ЧПУ. Структура перехода показана на рис. 65.
2.6.2. Язык EXPRESS Описанные выше компоненты управляющей программы ЧПУ являются объектами данных entities, которые могут быть формально представлены на языке EXPRESS. Далее приведены примеры такого представления для структуры управляющей программыprogramjstructure, для технологического шага операции machiningjvorkingstep и плана операции workplan.
ENTITY program_structure
Abstract
SUPERTYPE OF (ONE OF(workplan, parallel, nonsequential, selective, if_statement, whilestatement, assignment)) SUBTYPE OF (executable);
END ENTITY;
••"• Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления -| -| ENTITY machining_workingstep SUBTYPE OF (workingstep);
its_feature: manufacturing_feature;
its_operation: machining_operation;
its_effect: OPTIONAL in_process_geometry;
END_ENTITY;
Рассмотрим поля объекта технологического шага операции:
• its_feature: типовая форма обработки, с которой работает технологический шаг операции;
• its_operation: переход;
• itsefFect: изменение геометрии детали в результате выполнения перехода. САМ-система может использовать этот атрибут для предсказания эффекта перехода на геометрию детали, а система ЧПУ может сравнить предсказанные изменения с теми, которые обусловлены ее внутренними алгоритмами.
ENTITY workplan SUBTYPE OF (program_structure);
its_elements: LIST[1:?] OF executable;
its_channel: OPTIONAL channel;
its_setup: OPTIONAL setup;
its_effect: OPTIONAL in_process_geometry;
WR1: SIZEOF(QUERY(it OnPro cessT imeS iice() Client!->OnProcessTimeSlice Время, выполнения функции OnProcessTimeSliceO i|H Время работы SoftPIc Рис. 87. Временная диаграмма потоков виртуального контроллера частоты назначен программный таймер. Интервалы времени выделены для анализатора IPD-кода (Interpolator Data, данные на входе интерполятора), синхронизатора, каждого таймера в отдельности. Таким образом, в интервалах времени, кратных 10 мс, будут работать все три таймера.
С целью более равномерного распределения нагрузки в интервалах времени, задачи второго и третьего программных таймеров разделены, соответственно, на две и четыре подгруппы. Это позволяет запускать подгруппы поочередно в каждом интервале времени.
Модель контроллера на уровне функциональных модулей показана на рис.88.
Виртуальный контроллер имеет пять составных частей (модулей):
В.П. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления • анализатор, читающий IPD-данные из входного буфера и преобразующий эти данные во внутренний формат виртуального контроллера с учетом входных и выходных регистров электроавтоматики;
• синхронизатор, поддерживающий механизм назначения квантов времени и генерирующий синхросигналы для всех процессов виртуального контроллера;
• исполняемые модули, служащие для отработки команд, поступающих в виртуальный контроллер, таких как опрос датчиков аварийного останова и конечных выключателей, включение/выключение подачи охлаждающей жидкости, зажим/разжим патрона, запуск/останов шпинделя, опрос датчиков температуры и т.д;
• регистр, используемый для обмена информацией между системой ЧПУ и виртуальным контроллером;
• шлюз, предназначенный для отображения информации, передаваемой по CAN-магистрали в регистр.
IPD-код Рис. 88. Архитектура виртуального контроллера на уровне Взаимодействие модулей осуществляется следующим образом. В результате интерпретации управляющей программы ЧПУ формируется промежуточный IPD-код [21], представляющий собой универсальный бинарный код, не зависящий от используемой платформы. IPD-код содержит траекторную информацию об относительных перемещениях инструмента и детали, а также информацию о вспомогательных М-командах. Модуль интерполятора читает IPD-код, отделяя те данные, которые относятся к командам контроллера. Выделенная команда направляется соответствующему исполняемому модулю, внутри которого есть все необходимое для выполнения контроллером команды. Исполняемый модуль представлен в виртуальном контроллере в виде отдельной задачи.
Допускается параллельное выполнение нескольких М-команд. Механизм назначения квантов времени, генерирующий синхросигналы для всех процессов контроллера, обеспечивает синхронное выполнение команд.
После отработки внутреннего алгоритма контроллер передает интерполятору информацию о своем состоянии.
Обмен данными между контроллером и системой ЧПУ осуществляется через разделяемую память, называемую в нашем проекте «регистром».
В регистре выделены три блока: специальных маркеров SM (Special Marker), входных данных виртуального контроллера; выходных данных контроллера. Маркер SM используется для оповещения о нерегулярных ситуациях, возникающих в системе ЧПУ и контроллере. В каждом кванте времени блок SM анализируется на наличие в нем признаков сбоев (отказов аппаратуры и механизмов и др.) или признаков особо важных сигналов (при воздействии оператора на внешние органы управления). Например, аварийный останов принудительно прекращает работу всей системы. Информация о поступлении аварийного сигнала (при нажатии на кнопку аварийного останова) распространяется по всем объектам контроллера через определенную ячейку в блоке SM.
Блоки входных и выходных данных предназначены для организации двустороннего обмена с объектом управления: контроллер считывает информацию из блока входных данных и записывает ее в блок выходных данных. Передача информации между регистром и CAN-магистралью осуществляется посредством шлюза. Модель виртуального контроллера на уровне программной реализации рассмотрим в отдельном разделе.
3.3.3. Программная реализация виртуального контроллера Виртуальный контроллер представляет собой некоторую систему с DLLинтерфейсом, работающую в отдельном RT-процессе реального времени (Real Time). Система имеет единственный экспортируемый класс CNcMParser, содержащий набор базовых функций управления и общедоступные экземпляВ.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления ры входных и выходных данных. Остальные механизмы системы защищены от совместного доступа и не контролируются пользователем.
Объекты представляют собой экземпляры классов, описывающих электроавтоматику системы ЧПУ. В рамках модульной архитектуры виртуального контроллера каждый отдельный класс отвечает за свой объект управления на станке (рис. 89). Так, класс CNcSpindle отвечает за управление шпинделем, класс CNcClnt - за управление механизмом подачи смазочноохлаждающей жидкости и т.д.
Благодаря модульной архитектуре виртуальный контроллер обладает высокой степенью гибкости, позволяющей использовать его на станках различных групп и типов. Конфигурация контроллера для заданного типа станка, в процессе ее инициализации, состоит в создании такого набора связанных объектов, который воспроизводит конфигурацию станка. Например, если в станке имеются два шпинделя, то будут созданы два объекта класса CNcSpindle.
При создании объектов осуществляется их взаимное связывание. На уровне языка C++ процесс связывания состоит в инициализации специальных указателей. Например, для привязывания патрона к шпинделю в T*ClampO f*StopToTimeiGetAngleO F * l j CBIkLineNumbei void CBlkGVector-. 5et.LineHu*SourcE(CLongData» pi [± " i ; CBIkSpindleSpeed T 210 В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления Рис. 128. Схема зависимости модулей объектно-ориентированной магистрали, определяющая очередность их компиляции ками. Каждый модуль проекта оформлен в виде динамической библиотеки и имеет свое назначение:
• модуль, независимый от конкретной реализации системы PCNC (IndNcsCl);
• модуль работы с файловыми потоками (NcsStdio);
• галерея управляющих элементов (Ctrl Gall);
• галерея элементов визуализации (ViewGall);
• базовый модуль (BasNcsCL), в котором осуществляется открытиезакрытие объектно-ориентированной магистрали, а также ее начальная инициализация;
• коммуникационный модуль (ComNcsCL) геометрического канала;
• модуль языка УП высокого уровня (CplNcsCL);
• модуль диагностики программируемого контроллера (DgnNcsCL);
• модуль работы с сообщениями (WeaNcsCL);
• модуль диагностики следящих приводов по типу осциллографа (OscNcsCL);
• модуль прикладного уровня (AppNcsCL), поддерживающий реализацию приложений, взаимодействующих через объектно-ориентированный канал, и т.д.
Visual C++ обладает мощным механизмом настройки средств разработки, утилитами, обслуживающими проект, и механизмами встраивания внешних приложений. Системы поддержки проекта Source Safe и проектирования Rational Rose встраиваются в Visual C++ как внешние приложения. Определим функции перечисленных систем и общую схему интеграции.
В проект создания системы PCNC вовлечены десятки человек, в него постоянно вносятся изменения и коррекции. Конечные пользователи системы нуждаются в поддержке релизов и обновлении версий, что определяет направление развития проекта. Поэтому проект нельзя начинать без системы поддержки проекта Source Safe (Microsoft). Как компонент MSDN она наилучшим образом интегрируется с Visual C++ и реализует простую концепцию работы с исходными кодами: в любой момент времени файл доступен для изменения только одному разработчику с помощью функций CheckOut и Checkln. Во время работы с файлом другие разработчики, как правило, пользуются его копией. Пример проекта системы PCNC приведен на рис. 129. Использование Source Safe предполагает выделение администратора, который распределял бы права пользователей, маркировал релизы и архивировал версии, отслеживал корректность базы данных.
Архитектор проекта не в состоянии отследить взаимосвязь между используемыми классами и довести до программиста детали их реализации.
Проблемы подобного рода решаются с помощью систем CASE. Одной из наиболее удачных среди них является Rational Rose [78]. Система позволяНИИ \-Querylnterface(IIDJDriveControl, (void**)&pDriveControl) == NOERROR) long SelfTestResult;
pDriveControl->SelfTest(0, *SelfTestResult);
// освобождение указателя, полученного через Querylnterface pDriveControl->Release();
Указатель на компонент pUnk был получен заранее, например через вызов системной функции CoCreateInstance(). Посредством вызова IUnknown::QueryInterface0 клиент получает в переменной pDriveControl указатель на интерфейс IDriveControl. По этому указателю вызывается метод SelfTestO для выполнения внутреннего теста привода, после чего использованный указатель освобождаеется вызовом ReleaseOКлассификация СОМ-интерфейсов и СОМ-серверов При построении СОМ-сервера у разработчика есть альтернативы. В этой связи остановимся на классификации СОМ-интерфейсов.
Интерфейсы, производные от IUnknown, обладают высоким быстродействием и интуитивно понятны C++ программисту (см. рассмотренный выше пример реализации интерфейса IDriveControl). Интерфейсы, производные от IDispatch, поддерживают OLE автоматизацию (технологию, позволяющую встраивать программные пакеты в другие приложения) и работу с языками сценариев, такими как Visual Basic Script, Java Script и т.д.
Вызов метода посредством интерфейса IDispatch осуществляется через таблицу имен. По имени метода функция IDispatch::GetIDsOfNames0 возВ.Л. Сосоннин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления вращает из таблицы имен идентификатор метода (DISPID). По этому идентификатору функция IDispatch::Invoike() вызывает сам метод.
Набор функций, реализованных с помощью IDispatch::Invoike(), называют диспетчерским интерфейсом, или disp-интерфейсом (рис. 136). На рисунке слева представлена виртуальная таблица интерфейса IDispatch, a справа показан disp-интерфейс. Следует иметь в виду, что из-за особенности механизма вызова методов через таблицу имен интерфейсы на базе IDispatch работают существенно медленнее в сравнении с интерфейсами, производными OTlUnknown.
Дуальные интерфейсы представляют собой комбинации IUnknown и IDispatch, обладающие всеми их свойствами. Как правило, реализация этого интерфейса требует больших затрат времени на разработку. Таблица виртуальных функций интерфейса IDriveControl, реализованного по типу дуального, представлена на рис. 137. По способам реализации СОМ-серверы подразделяются на следующие типы.
• Внутрипроцессный (in-process), загружаемый в ту же область памяти процесса, что и обслуживаемый клиент. Высокая скорость является основным достоинством внутрипроцессной связи. Клиенты получают доступ к функциональным возможностям внутрипроцессного сервера со скоростью вызова локальных функций, поскольку клиент и объект общаются напрямую через указатели интерфейса. Недостаток внутрипроцессного сервера состоите его низкой устойчивости к ошибкам.
• Внепроцессный (out-of-process, local), когда клиент и сервер находятся на одном компьютере, но загружены в разные области его памяти (т.е. выполняются в разных процессах). Достоинство такой связи в высокой устойчивости к ошибкам. При ошибке в сервере, приводящей к завершению серверного процесса, клиент продолжит работу. Недостатком локального сервера можно посчитать низкую скорость: информация от одDisp-интерфейс Интерфейс IDispatch IUnknown::QueryInterface () IUnknown::Release () IDispatch: :GetTypeInfoCount() IDispatch:.Invoike() Рис. 136. Обобщенный интерфейс управления приводом на базе IDispatch Глава 4. Технологии разработки программного обеспечения систем управления IUnknown::QueryInterface () IUnknown::AddRef() IUnknown::Release () IDriveControl::Start() IDriveControl::Stop() Рис. 137. Таблицы виртуальных ного процесса к другому должна быть запакована, передана и распакована на границе процессов. СОМ берет этот сервис на себя.
Удаленный сервер расположен на другом компьютере по отношению к клиенту. Эта клиент-серверная связь наиболее медленная, поскольку здесь оказывают влияние пропускная способность и задержки в сети. Удаленная связь устанавливается с помощью протокола удаленного вызова процедур в распределенной модели COM (DCOM).
Объект СОМ может создавать и использовать другие СОМ-объекты, при этом клиенту не известно, является ли СОМ-сервер составным или монолитным. Использование одного компонента другим возможно посредством включения или агрегации.
Включение (containment) предполагает, что внешний компонент предоставляет интерфейс включаемому компоненту и обращается к нему для организации интерфейса. Создадим, например, компонент геометрического канала системы ЧПУ и вместо реализации функций управления приводом воспользуемся включенным компонентом управления приводом. Если клиент обращается к интерфейсу IDriveControl (рис. 138), компонент геометрического канала CMachineChannelServer переправляет вызов компоненту В. Л. Сосонкин. Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления CDriveServer. Внешний компонент может специализировать этот интерфейс, добавив свой код перед вызовом внутреннего компонента или после этого.
Агрегация (aggregation) означает, что внешний компонент агрегирует интерфейс внутреннего компонента, не создавая интерфейс заново и не передавая вызов этого интерфейса явно, как при включении. Вместо этого внешний компонент передает клиенту указатель на интерфейс внутреннего компонента.
Агрегация интерфейса IDriveControl компонентом геометрического канала показана на рис. 139. Она применяется тогда, когда реализация интерфейса устраивает разработчика полностью.
4.4.4. Область использования СОМ Преимущества компонентного подхода обеспечили широкую сферу его применения.
Во-первых, это повторное использование компонентов. СОМ позволяет однажды создать программный код, а потом использовать его во многих приложениях. Через какое-то время в компонент можно вносить коррекции и усовершенствования, что не повлечет необходимости менять любое использующее его приложение.
Во-вторых, это параллельная разработка. Обычно начинают с разработки интерфейсов компонента, что определяет корректность совместной раlUnknown lUnknown Рис. 140. Параллельная разработка программного обеспечения Глава 4. Технологии разработки программного обеспечения систем управления "2.2. боты всего программного обеспечения (рис. 140). Последующую разработку функциональных возможностей компонентов можно распараллеливать.
В-третьих, это унификация прикладного программного обеспечения.
Речь идет о производстве, в котором собраны несовместимые системы управления разного типа и от разных производителей. Пусть нужно создать приложение, осуществляющее измерение сигналов для диагностики следящих приводов. Создают обобщенный СОМ-интерфейс и разрабатывают СОМ-сервер для каждого контроллера управления приводами. Прикладное приложение обращается через обобщенный СОМ-интерфейс к любому СОМ-серверу контроллера, при этом протокол управления конкретным контроллером привода полностью прозрачен (рис. 141).
Рис. 141. Унификация программного обеспечения Существуют некоторые особенности использования СОМ. Например, необходимо тщательно планировать интерфейсы, потому что опубликованный интерфейс нельзя менять. Если нужно изменить или расширить функциональные возможности интерфейса, то выпускают его новую версию с новым GUID. В новой версии компонента необходимо поддерживать все старые интерфейсы для обеспечения совместимости.
4.4.5. Инструментальная поддержка компонентного проектирования Применение инструментальных средств существенно ускоряет процесс проектирования и разработки компонентного программного обеспечения.
CASE-система Rational Rose 2001 ориентирована на разработку СОМ на базе библиотеки активных шаблонов ATL и использование только дуальных интерфейсов. Ниже приведено альтернативное решение проектирования СОМ-сервера для управления приводом с использованием стандартной нотации Буча [70].
Создадим абстрактный класс стандартного интерфейса IUnknown, который не будем генерировать (рис. 142). Объявим знакомые нам методы IUnknown как чистые виртуальные функции (pure function), т. е. не имеющие реализации.
228 В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления ^SetCorortiandPosittonO Puc. 142. Проектирование компонента в нотации Буча с помощью Назначим расположение IUnknown в заголовочном файле предварительной компиляции. Создадим абстрактный класс интерфейса IDriveControl, унаследованный от IUnknown, в котором методы StartO, StopO, SetCommandPositionO, GetActualPositionO, SetConfigParameterO, GetConfigParameter() и SelfTestQ объявлены как чисто виртуальные функции.
Прототипом сервера служит класс CDriveServer, в котором объявлен вложенный класс XDriveControl,реализующий функциональность интерфейса IDriveControl. Построение интерфейса осуществляется путем переопределения в классе XDriveControl виртуальных функций Start(), StopO, SetCommandPositionO, GetActualPositionO, SetConfigParameterO, GetConfigParameterO и SelfTestO- Сам класс компонента CDriveServer должен быть унаследован от стандартного MFC класса CCmdTarget или его потомка.
Сгенерировав C++ проект с помощью Rational Rose, получим каркас, который остается заполнить функциями компонента, реализующими функциональность СОМ-интерфейса.
Глава 4. Технологии разработки программного обеспечения систем управления 4.4.6. Пример реализации ATL СОМ-сервера Рассмотрим задачу верификации рабочего процесса в рабочем пространстве станка с ЧПУ с помощью твердотельного графического моделирования. Графический эмулятор работает совместно с ЧПУ-эмулятором в виртуальном времени, поскольку их скорости несопоставимы. Это означает, что можно запустить ЧПУ-эмулятор (включая процесс интерполяции) на определенное время, после чего он приостановит свою работу, пока не получит очередную порцию времени от графического эмулятора. Графические эмуляторы распространяются как коммерческие продукты. ЧПУ-эмуляторы разрабатываются производителями систем ЧПУ для своих целей.
Проблема заключается в организации совместной работы эмуляторов, располагающих собственными интерфейсами. Для ее решения необходим модуль сопряжения на основе компонентного подхода.
В силу необходимости конвертировать форматы данных, перемещаемых между двумя приложениями (графическим и ЧПУ), предпочтительней использовать библиотеку шаблонов ATL, способную создавать компактный код.
Компонентная модель показана нарис. 143. ЧПУ-эмулятор предлагает прикладной интерфейс (API-функции) для взаимодействия с внешним окружением. ATL СОМ-сервер реализует интерфейсный модуль, управляющий, с одной стороны, ЧПУ-эмулятором через API-функции, с другой стороны, взаимодействующий с графическим эмулятором посредством СОМинтерфейсов. Графический эмулятор через интерфейс Inc_emulator посредством ATL СОМ-сервера управляет ЧПУ-эмулятором. Интерфейс Inc_emulator позволяет выбирать управляющие программы в любом канале системы управления, запускать и приостанавливать выбранные программы в любом из каналов, а также полностью останавливать систему управления.
Со своей стороны ATL СОМ-сервер через СОМ-интерфейс Igraphic_similator уведомляет графический эмулятор об изменении текущего кадра управляlUnknown Рис. 143 Компонентная модель интеграции графического эмулятора "-"• Сооонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управлений ющей программы, возникновении и снятии ошибки в системе ЧПУ, изменении конфигурации осей и каналов, о смене типа интерполяции в канале, вызове подпрограммы, а также об изменениях текущих координат осей.
СОМ-сервер поддерживает два потока асинхронного взаимодействия двух эмуляторов. Первый поток - основной, а второй предназначен для приема управляющих вызовов к ЧПУ-эмулятору и возврата управления. Однопоточная реализация СОМ-сервера позволила бы осуществлять лишь синхронные вызовы, а графический эмулятор вынужден был бы останавливаться и ждать ответа после каждого обращения к системе ЧПУ.
Заключение Компонентная организация программного обеспечения систем управления позволяет повторно использовать исходный код, применять готовые компоненты независимых поставщиков, имеющиеся на рынке, компоновать систему управления под конкретные технологические задачи. Компонентный подход, применяемый на этапе проектирования программного обеспечения, дает возможность распараллелить процесс разработки за счет выделения компонентов.
Компонентная технология повышает надежность системы управления за счет повторного использования готовых отлаженных компонентов и сокращает время выпуска новых версий за счет возможности приобретения и интеграции существующих на рынке компонентов. Компонентный подход сегодня - это путь к крупномодульной реализации программного обеспечения систем числового программного управления мехатронными системами.
Глава 5.
Документы пользователя систем ЧПУ К пользователям систем управления относят весьма обширную группу специалистов. Это технологи-программисты, наладчики систем управления, операторы. Всем им весьма полезны знания о внутреннем устройстве систем ЧПУ, но их преимущественно интересует информация о возможностях и тонкостях технологического программирования. К сожалению, технологи-программисты используют лишь небольшую часть таких возможностей, что, в конечном счете, оказывает огромное влияние на точность и производительность обработки.
Другая важная проблема состоит в том, что при разработке постпроцессоров систем автоматизированного программирования обычно предусматривают лишь слабое подмножество G-функций, а это приводит к недоиспользованию функциональных возможностей систем ЧПУ. Обозначенные выше специалисты заинтересованы и в других «документах пользователя», в числе которых рекомендации по конфигурированию системы управления, т. е. адаптации к конкретному объекту.
5.1. Структура руководства по программированию Содержание документа по программированию систем управления в основном определяется описанием фазового пространства технологической машины, описанием кода IS O-7bit (общие принципы которого изложены в стандартах DIN66Q25 и ISO6983), указаниями относительно возможностей повышения языкового уровня кода ISO-7bit, комментариями к использованию подготовительных функций.
Код ISO- 7bit до сих пор не потерял своего значения и непрерывно развивается за счет пополнения конкретных версий новыми подготовительными функциями. Набор этих функций служит хорошим отражением потребительских возможностей системы управления. Еще недавно классический диапазон G-функций составлял 100, и в этой связи версии кода ISO-7bit для различных систем - - Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления управления мало отличались одна от другой. Сегодня этот диапазон приближается к 1000. В этой связи поставлена задача рассмотреть те особенности кода IS0-7bit, которые обычно опускают при его поверхностном описании.
Любой инженер, связанный с ЧПУ, имеет более или менее полное представление о языке программирования систем с ЧПУ, коде ISO-7bit, принципы которого описаны в стандартах DIN66025 и ISO6983. Стандарты не накладывали ограничений на расширения языка, что оказалось весьма предусмотрительным. Резкое усложнение технологических возможностей мехатронного оборудования породило две тенденции в его программировании: код ISO-7bit существенно обогатился и сильно выросло число его версий, а кроме того, появились языки программирования более высокого уровня (например, язык CPL фирмы Bosch). Вторая тенденция имеет хорошую перспективу, но пока не стала доминирующей. Рассмотрим некоторые важные особенности расширенных версий кода ISO-7bit.
5.1.1. Фазовое пространство технологической машины Под фазовым пространством будем понимать виртуальную параметрическую модель, одной частью которой является совокупность координатных систем машины, обрабатываемой детали, инструмента и отношений между координатными системами, а другой частью - скорость подачи, приведенной к инструменту, включая все виды коррекции подачи.
Совокупность координатных систем определяется некоторым множеством базовых точек, которые являются началом своих собственных координатных систем. Нулевая точка машины зафиксирована производителем технологической машины и привязана к поверхности и точке определенного ее узла. Координатная система с началом в нулевой точке машины является главной (исходной) для всех других координатных систем.
Нулевую точку заготовки задают относительно нулевой точки машины так, чтобы обработка заготовки была безопасной во всем рабочем пространстве машины. Нулевая точка программы служит точкой отсчета для всех данных управляющей программы. Ее выбирают с таким расчетом, чтобы не препятствовать обработке при последующей ориентации и зажиме заготовки, а также при работе измерительных циклов. Относительную точку устанавливают заранее для каждой координатной оси при помощи кулачка и конечного переключателя. Расстояние между нулевой точкой машины и относительной точкой (вдоль той или иной координатной оси) всегда постоянно.
После включения системы управления и до начала обработки обязательно должен быть выполнен выход во все относительные точки координатных осей для связывания нулевых точек технологической машины и заготовки с помощью измерительных систем координатных приводов, а возможно и других измерительных устройств (датчиков касания заготовки, щупов, измерительных головок и др.).
Полученная информация после простейших перерасчетов сохраняется в памяти системы управления в виде смещения координатной системы управляющей программы относительно координатной системы технологической машины. Связывание координат осуществляют в самом начале управляющей программы вызовом подготовительной функции G54, которую называют в этом случае функцией программного смещения. Для организации нескольких разных программных смещений (например, при обработке по одной управляющей программе группы одинаковых деталей, закрепленных на общем столе технологической машины) используют несколько функций программного смещения G55,..., G59, значения которых сохраняются в памяти системы управления в специальной таблице. Отмену программного смещения осуществляют подготовительной функцией G53.
Некоторые системы управления допускают прямой ввод вектора программного смещения новой координатной системы управляющей программы относительно старой системы (с использованием подготовительной функции G92) или новой координатной системы управляющей программы относительно координатной системы технологической машины (с использованием подготовительной функции G93). Следует оговориться, что эти номера подготовительных функций в других системах управления могут быть использованы совершенно для других целей.
Для инструмента также определены базовые точки, служащие началом соответствующих координатных систем. Относительная точка инструмента расположена на том узле машины, который несет в себе инструмент, например на передней плоскости шпинделя. Нулевая точка инструмента находится в определенном месте инструментальной наладки (державки), причем при установке наладки в шпиндель нулевая и относительная точки инструмента обычно совмещаются. Координатные системы машины, управляющей программы и инструмента становятся связанными после ввода коррекции на длину инструмента (например, с использованием функции Н, численное значение которой указывает на адрес в таблице коррекций длины инструмента). Теперь отработка управляющей программы возможна и достаточна лишь на основе ее собственных данных.
Связывание координатных систем позволяет использовать при программировании такие возможности, как зеркальное отображение, масштабирование, поворот координатной системы детали. Зеркальное отображение наиболее просто осуществить в системе координат управляющей программы. Модальная подготовительная функция G38 «включает» зеркальное отображение, причем в этом же кадре должны быть определенным образом В-Л- Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления (далее выделено) показаны оси для зеркального отображения: NG38X-lY-lLF.
В более сложной ситуации подготовительная функция G37 и соответствующие координаты задают «полюс» зеркального отображения (т. е. начало некоторой новой координатной системы в координатной системе управляющей программы). Далее работает подготовительная функция G точно так же, как это уже было показано, но для новой координатной системы. Подготовительная функция G39 отменяет зеркальное отображение.
Упомянутые выше подготовительные функции G38 и G39 используют и для масштабирования размеров детали, но в рамках соответствующего формата кадра. Так, функция G38 активизирует коэффициент масштабирования, величину которого указывают в том же кадре следующим образом: Ы G38 Х Y< величина коэффициента^-LF. Коэффициент масштабирования от 0 до 1 уменьшает размеры, а коэффициент, больший 1, приводит к их увеличению. Неодинаковые для разных осей коэффициенты масштабирования используют только при линейной интерполяции. Подготовительная функция G39 отменяет масштабирование.
Поворот координатной системы управляющей программы осуществляется все той же группой подготовительных функций G37, G38, G39. Кадр с функцией G37 задает координаты «полюса» поворота координатной системы управляющей программы. Кадр с функцией G38 устанавливает величину угла поворота, например R30 (отрицательный угол поворота), R (положительный угол поворота). Функция G39 отменяет поворот и устанавливает в «О» все запрограммированные значения.
Продолжая обзор модели фазового пространства технологической машины, рассмотрим некоторые расширенные возможности программирования и коррекции скорости подачи.
При программировании скорости подачи важно спрогнозировать эффект двух противоречивых факторов: быстродействия и качества переходных процессов координатных следящих приводов подачи. Проблему решают с помощью специально выделенного набора подготовительных функций.
Функция G07 задает в программе всем приводам подачи максимальное ускорение при разгонах и торможениях. Соответствующее значение хранится в памяти системы управления в области «машинных параметров».
Функция G06 позволяет свободно назначать ускорения независимо для каждой координатной оси: G06 XI.0 Z2.1 LF.
В этом примере заданное значение ускорения для оси X равно 1 м/с2, для оси Z - 2,1 м/с2, а для оси Y - по умолчанию ускорение максимально и равно величине, сохраняемой в памяти системы управления в качестве параметра. Если в одном из следующих кадров встретится подготовительная функция G206, то запрограммированные значения ускорений будут сохранены в памяти системы управления и смогут быть вновь вызваны функцией G06 (без параметров) после любой серии изменений. Функция G07 устанавливает максимальное ускорение, сохраняемое в памяти системы управления (например, 8 м/с2).
Функции G08, G09 программируют включение-выключение разгонов и торможений. Так, функция G09 требует разгона до установленной в кадре скорости подачи и торможения до полной остановки в конце каждого кадра. Функция G08 вместе с функцией G00 разгоняет в начале кадра приводы до скорости быстрого (холостого) перемещения и тормозит приводы в конце кадра. Далее разгоны и торможения активизируются только при изменении величины подачи и обходе острых углов (с изменением направления движения вдоль той или иной оси).
Законы разгонов и торможений поддаются программированию (с помощью подготовительной функции G408) или не поддаются (при использовании подготовительной функции G09). Параметрами программирования служит идентификатор уравнения кривой разгона-торможения, а также число циклов интерполяции, в рамках которых процессы разгона и торможения начинаются и завершаются. Что касается уравнений, то возможны линейные разгоны-торможения, а также разгоны-торможения по закону SIN 2. Последний закон предпочтителен. Число интерполяционных циклов при линейных разгонах-торможениях может быть установлено в пределах 2-40. Число интерполяционных циклов для 81№-закона разгонов-торможений выбирают из ряда: 3,4,5,10,15,20,40. Приведем примеры форматов программирования законов разгонов-торможений: G408 без параметров (по умолчанию разгоны и торможения линейны и работают в двух интерполяционных циклах); G408 SIN3 LIN5 (выбран закон SIN 2 для трех интерполяционных циклов, LIN5 игнорируется в силу предпочтения закона SIN 2 ); G408 LIN5 (работают линейные разгоны-торможения всякий раз в пределах пяти интерполяционных циклов).
В результате описанных выше мероприятий контурная скорость подачи становится достаточно гладкой, однако не таковыми могут оказаться проекции вектора контурной скорости на координатные оси. Существуют специальные алгоритмы совместного (т. е. без траекторных искажений) сглаживания подачи для каждого из координатных приводов. Для этого опережающим образом просматривают несколько кадров управляющей программы и корректируют значения координатной подачи в местах резкого изменения этих значений. Алгоритм, выполняющий подобную работу, называют Look-Ahead (просмотр вперед). Он является частью ядра программного обеспечения системы управления, но может быть выключен, если управляющая программа подготовлена на рабочей станции соответЯ Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления ствующим образом. Для управления алгоритмом Look-Ahead выбирают подготовительную функцию и формат ее использования, например (для одной из систем управления) G286 Ь, причем значение = 011, где 1 активизирует алгоритм, а 0 деактивирует его.
5.1.2. Повышение языкового уровня управляющих программ Одна из возможностей повышения языкового уровня состоит в использовании макросов. Макрос может быть описан в любом месте управляющей программы, но не ранее его вызова. Формат описания макроса выглядит следующим образом:
# имя макроса # От подпрограммы макрос отличается тем, что непосредственно вставляется в ту инструкцию управляющей программы, которая его вызывает.
Вызов макроса осуществляется, например, подготовительной функцией G14, причем он может быть сделан в теле программы неоднократно. Пример вызова: Ы G14 Ы=»» [Р Все файлы загружают в «пользовательскую» память EPROM, после чего они становятся активными.
Деформация узла или станины в направлении, перпендикулярном траектории некоторой оси, не вызывая искажения траектории этой оси, может оказывать влияние на другие ортогональные оси. В этом случае используют так называемую кросс-компенсацию.
Возьмем в качестве примера прогиб портала станка вдоль оси Z, который влияет на точность перемещений вдоль ортогональных осей X и Y. В принципе же для каждой оси допустимы две серии кросс-компенсаций, источником которых служат разные другие оси. Для формирования файла кросс-компенсаций выполняют действия, напоминающие те, которые производились при компенсации погрешностей ходового винта. Выбирают рабочий участок «зависимой» оси, делят его на отрезки, назначая точки измерения на их границах, осуществляют программное перемещение в точки измерения, определяют компенсацию как разность между положением по программе и измеренным (с помощью внешнего измерительного устройства). Результаты компенсации вносят в ASCII файл с именем типа - Сосон^ин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления.tab. Файл имеет следующий внутренний формат (он аналогичен приведенному выше):
< комментарий >, где Р и N - компенсации при движении в положительном и отрицательном направлениях соответственно.
Файл, как и другие подобные файлы, загружают в «пользовательскую»
память EPROM, после чего он становится активным.
5.1.3. Функциональные возможности системы управления, отражаемые в версии управляющей программы Функциональная мощность версии управляющей программы хорошо отображается набором ее подготовительных функций. Далее продемонстрируем в табличной форме (табл. 10) подобные наборы для весьма продвинутых систем ЧПУ Bosch Typ3osa (фирма BOSCH, Германия) и Andronic 2000 (фирма ANDRON, Германия). Выше, при изложении материала за основу была принята версия Bosch.
Сравнение двух версий оказалось возможным только в диапазоне подготовительных функций от G00 до G289. Вне этого диапазона подготовительные функции существуют только в версии Bosch (табл. 11). Обе версии обладают исключительно высокой мощностью, а каждая из них имеет свои интересные особенности. Так, в версии Bosch предусмотрены широкий спектр программирования ускорений и коррекции подачи, большое число вариантов смещений систем координат, прямой доступ из программы к глобальным переменным - машинным параметрам, межканальная связь по данным, использование возможностей смешанного программирования в абсолютных и относительных координатах и др. В версии Andron обращают на себя внимание сложные измерительные циклы, а также раздел программирования лазерной обработки. Сравнение вариантов показывает, что несмотря на универсальный характер систем управления они в значительной степени ориентированы на своего базового заказчика.
Заключение Код IS0-7bit до сих пор не потерял своего значения и непрерывно развивается за счет пополнения конкретных версий новыми подготовительными функциями. Набор этих функций служит отражением потребительских возможностей системы управления. Еще недавно классический диапазон G-функций составлял 100, и в этой связи версии кода IS0-7bit для различных систем управления мало отличались одна от другой. Сегодня Таблица 10. Версии управляющей программы G-функЗначения для версии Bosch Значения для версии Andron G00- Традиционные функции интерполяции для обеих версий Круговая (винтовая) интерполяция со входом в контур по касательной Программирование ускорений при G06 разгонах и торможениях независимо Программирование максимального G07 ускорения для всех осей при разгонах и торможениях Использование разгонов и торможеG08 ний только при изменении подачи Использование разгонов и торможеG G10соответственно, но в полярных коорG Программирование величины коэф- Вызов макроса по имени G14 фициента усиления по скорости G15 ОтменаG Традиционные функции выбора базовой плоскости для обеих версий G17G Выбор плоскости круговой интерполяции по декартовым координаG20 там полюса. Далее предполагается программирование в полярных координатах относительно полюса Активизация таблиц базы данных Вызов, в рамках основной управляюG22 для компенсации геометрических щей программы, другой, которая погрешностей и смещений нуля может быть выполнена несколько раз.
Нарезание резьбы в режиме линейG32 ной интерполяции без компенсирующего патрона Скругление угла для двух соседних G34 прямолинейных участков (с допустимым отклонением под адресом Е) G35 Выключение сглаживания угла Выключение запрограммированного при скруглении угла отклонения, G36 которое становится равным машинному параметру 240 В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления G-функЗначения для версии Bosch Значения для версии Andron Программирование точки для зерG37 кального отображения или поворота Активизация зеркального отображения, поворота координат, масштабиG Отмена зеркального отображения, G39 поворота координат, масштабирования G40- Традиционные функции коррекции инструмента для обеих версий Традиционные функции смешения нуля для обеих версий G53G Смещение координатной системы «Доработка» кадра до запрограммиG Отмена доработки кадра до запроG граммированной позиции Деактивация корректора скорости Поддержание постоянной подачи в Поддержание постоянной подачи для Активизация корректора скорости Отмена смещения координатной Сопряжение прямолинейных эквидиG Соединение эквидистант путем включения дополнительных кадров G70- Соответственно дюймовая и метрическая системы измерения для обеих версий В отличие от GO) программируется Программирование зеркального линейная интерполяция с доработкой отображения и масштабирования G73 каждого кадра до запрограммированной позиции (независимо от G Глава 5. Документы пользователя систем ЧПУ G-функЗначения для версии Andron Одновременный выход в относиG74 тельную точку для указанных координат Движение измерительного устройства трштерного типа до касания с Выход в фиксированную точку в координатной системе станка Присвоение некоторой оси статуса Отмена присвоения оси статуса Ускоренный и безопасный выход к G80- Традиционные сверлильные циклы для обеих версий G87G G90- Программирование соответственно в абсолютной и относительной системах G91 координат для обеих версий Программирование подачи через Программирование подачи в мм/мин для обеих версий Программирование подачи в мм/об Прямое задание частоты вращения G Программирование новой нулевой точки для «квазинепрерывной» оси (оси с очень большим перемещениG ем), от которой ведется новый отсчет Отмена снижения подачи до уровня, G112 чтобы было возможно торможение (отмена учета тормозного пути) 242 В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления G-функЗначения для версии Bosch Значения для версии Andron Снижение подачи до уровня, при GU3 котором возможно торможение (учет Слежение за изменением направлеG114 ния подачи для учета зазора в кинематике Отмена слежения за изменением G1I Скругление угла аналогично G34, но G с заданным радиусом скругления Компенсация положения заготовки в G системе координат станка Выключение компенсации положеG Включение внешней компенсации GI Выключение внешней компенсации G Использование типа позиционирования «бесконечных» осей, как это G указано в машинных параметрах Программирование типа «бесконечG Отмена первого (дополнительного G аддитивного) смещения осей G154- Первое дополнительное аддитивное G Инициируемое извне (например, со стороны программируемого конG троллера) смещение нуля Точный выход в позицию при ускоG G162 Отмена точного выхода в позицию Доработка кадра до запрограммированной позиции при движении как со G скоростью подачи, 'гак и при ускоренном перемещении Доработка кадра до запрограммированной позиции со снижением подачи до нуля. Контроль (через привоG ды) попадания осей в «окно точного позиционирования»
Доработка кадра до запрограммированной позиции со снижением подачи до нуля. Контроль (через привоGI ды) попадания осей в окно «грубого позиционирования»
Доработка кадра до запрограммированной позиции со снижением подаGI G-функЗначения для версии Bosch Значения для версии Andron Отмена инициируемого извне Цикл бесконтактного измерения с помощью измерительной системы приG вода и сигнала, подаваемого измерительной головке в точках измерения Программирование максимального крутящего момента для оси (нормальGI но это значение сохраняется в качестве машинного параметра) Программирование в абсолютных Профаммирование измерительного координатах по отношению к актив- цикла: установление поломки инструG Программирование в абсолютной Задание центра окружности в абсосистеме координат с возможным вы- лютных координатах полнением инструкций относительного программирования системе координат с возможным выGI 244 В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления G-функЗначения для версии Bosch Значения для версии Andron Программирование нижнего ограниG чения на частоту вращения шпинделя Дискретное изменение подачи для достижения запрограммированной G подачи в конце кадра (мягкое ускорение) Линейная интерполяция на быстром ходу без торможения до нуля в конце G Сохранение в памяти максимальных значений ускорений для всех осей (в отличие от значения по умолчанию);
G использование этих значений при Внешняя компенсация инструмента G245 (другое значение в сравнении с G145, которое деастивируется) Отмена второго (дополнительного G аддитивного) смещения нуля Второе дополнительное аддитивное G G Цикл бесконтактного измерения с помощью измерительной системы привода и сигнала для измерительG ной головки. В отличие от G175 каждая точка измерения программируется заново G G G G G Таблица 11. Подготовительные функции для Bosch G292 Программирование верхнего ограничения на частоту вращения шпинделя (см.
G301 Программирование осциллирующего движения для одной из осей при линейной интерполяции G345 Внешняя компенсация инструмента (другое значение по сравнению с G145, G245, которые деактивируются) G35O Программирование параметров осциллирующего движения G352 Программирование нуля заготовки, расположенной в наклонной плоскости относительно координатной системы станка G353 Отмена программирования наклонной плоскости G354- Программирование таблицы параметров наклонной плоскости заготовки G G36O Третье инициализируемое извне смешение нуля (см. G260) G408 Программирование формы разгонов и торможений в каждом кадре и их продолжительности в циклах интерполяции Внешняя компенсация инструмента (другое значение по сравнению с G145, G G245, G345, которые деактивируются) G500 Мониторинг коллизий при эквидистантной коррекции: программируется число кадров, вовлеченных в мониторинг G520 Программирование перемещений для интерполируемых осей одного канала с помощью данных, поступающих из другого канала Возвращение к обычным операциям (отмена G520) G Привлечение интерполируемых осей одного канала к программированию G перемещений из другого канала Программирование скорости подачи для осей, перемещение которых проG граммируется из другого канала G524 Программирование ускорения для осей, перемещение которых программируется из другого канала Цикл резьбонарезания для нескольких шпинделей G Включение мониторинга коллизий G G544 Выключение мониторинга коллизий Внешняя компенсация инструмента (другое значение по сравнению с G145 G G445, которые деактивируются) Активизация объединения осей, которые программируются вместе (с указаG нием master-оси и slave-оси) Деактивация объединения осей G Сглаживание ускорений для каждой из интерполируемых осей, задаваемое G числом интерполяционных циклов Внешняя компенсация инструмента (см. G145, G245, G345, G445, G545) G645, G745, G Программирование идентификатора SERCOS-привода подачи непосредстG венно в программе (зависимого или независимого от производителя) Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления этот диапазон приближается к 1000. Содержание документа по программированию систем управления в основном определяется описанием фазового пространства технологической машины, указаниями относительно возможностей повышения языкового уровня кода IS0-7bit, комментариями к использованию подготовительных функций.
5.2. Конфигурация систем ЧПУ Обобщены параметры конфигурации (часто называемые машинными параметрами) и показана важность выбора и систематизации этих параметров. Проиллюстрирована зависимость между параметрами конфигурации системы ЧПУ и ее функциоанльностью и качеством обработки.
Подавляющее число производителей систем ЧПУ выпускают всего одну базовую модель, которая постепенно эволюционирует, при этом смена базовых моделей осуществляется сравнительно редко. Успех модели на рынке зависит от способности ее адаптации к бесконечно разнообразным запросам станкостроителей и конечных пользователей. Возможность адаптации в свою очередь определяется открытой архитектурой систем ЧПУ [84], спектром подготовительных функций и набором параметров конфигурации. Проблема выбора параметров конфигурации (называемых часто машинными параметрами) не нашла своего отражения в литературе. В этой связи остановимся на этой проблеме подробнее. При ее рассмотрении был принят во внимание опыт фирмы BOSCH, которым в определенной степени воспользовались при создании отечественной системы ЧПУ на базе персонального компьютера [85].
5.2.1. Представление параметров конфигурации в системе ЧПУ Параметры конфигурации являются, по сути, глобальными переменными системы ЧПУ. Значения параметров устанавливают на уровне стыковки с технологическим оборудованием, после чего доступом к изменению значений располагают лишь лица, обладающие на то специальным правом. Технологу-программисту (который входит в группу конечных пользователей) предоставлена возможность временного изменения значений некоторых параметров в рамках управляющей программы с помощью специально ориентированных на то подготовительных функций.
Каждый параметр конфигурации имеет свой идентификатор, представленный девятиразрядным десятичным числом. Четыре старших разряда идентификатора служат номером группы, к которой приписан параметр, а два старших разряда номера группы являются кодом функциональной обГлава 5. Документы пользователя систем ЧПУ ласти. Таким образом, возникает упорядоченная картина параметров конфигурации, которая показана в табл. 12. В таблице не приведены полные идентификаторы всех параметров, но указано общее их число в каждой группе. Всего в таблице упомянуты 260 параметров конфигурации.
Каждый параметр является сложной однотипной структурой данных, представление о которой дает рис. 144. Здесь показан пример описания параметра с идентификатором 100300004, который устанавливает тип движения для каждой координатной оси системы координат рабочего пространства станка.
Приведем комментарий к табличной структуре данных. Диапазон значений параметра указывает наименьшее и наибольшее его значения. Дискретность параметра означает минимально возможное его приращение в пределах диапазона значений. Обычно приращения заданы в десятичной форме, однако существуют и специальные формы задания. Так, форма 2х означает, что приращения могут составить 1, 2, 4, 8...; форма Юх - что приращения могут быть 1, 10, 100, 1000...; форма а2х - что приращения могут составить а, 2а, 4а, 8а...
Если форма не задана, то в диапазоне значений приращения могут иметь любое значение. Размерность относится к физической сущности параметра. Число элементов означает структуру параметра, т. е. некоторый набор его индивидуальных значений. Так, для приведенного на рис. 1 примера, число элементов соответствует возможному числу координатных осей.
Длина элемента равна объему памяти, выделенному для каждого индивидуального значения параметра в элементе, причем длина элемента соотТаблица 12. Упорядоченная картина параметров конфигурации Функциональная Группа параметров гмый контролПараметры программ контроллера ггер, интерфейс В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления Функциональная Группа параметров Код Наименование Код Число 40 Коммуникация 4055 15 Настройка параметров периферии 50 Приложения 60 Интерфейс 80 Специфиче- 90 Управление ветствует его типу. Один или два байта выделяются для элементов типов (integer unsigned), (integer signed), (string); четыре байта - для элементов типов (integer unsigned), (integer signed), (string), (real, floating decimal point), (real, with exponent); восемь байтов - для элементов типов (string), (real, floating decimal point), (real, with exponent). Число цифр включает целую и дробную части. Дробная часть означает число цифр после запятой. Формат представляет собой дополнение к типу данных. Доступ раздельно указывает права станкостроителя, настройщика инструментов, пользователя:
w - право читать и записывать значение параметра; г - право читать значение параметра; прочерк означает отсутствие всяких прав. Примечание описывает класс параметра, который может быть общим, а может указывать на принадлежность к определенному каналу ЧПУ, функциональной подобласти шпинделя, функциональной подобласти координатной оси. Преселекция элементов приводит их индексы и преселективные значения, имеющие разнообразный смысл.
100300004 | Тип движения координатной оси Для каждой оси установлено:
является ли она линейной или круговой;
ведется ли для оси подсчет "модуля перемещения".
Значения параметра в диапазоне значений:
0 - координатная ось в параметре 100100001 не была определена.
1 — линейная координатная ось. Перемещения ограничены установленным диапазоном и программируются в миллиметрах или дюймах.
2 - круговая координатная ось (бесконечная ось) с подсчетом модуля перемещения. Это специальный тип круговой оси без ограничений на величину перемещения. Для бесконечных осей допустимо любое число оборотов в одном и том же направлении. Но как только перемещение превышает величину модуля перемещения (называемого также модуль-фактором), текущая координата перерассчитывается и попадает в диапазон от нуля до модуля перемещения.
3 - круговая координатная ось. Перемещения ограничены установленным диапазоном и программируются в градусах.
4 - линейная координатная ось с подсчетом модуля перемещения, специальный тип линейной оси. Если запрограммированная абсолютная координата превышает модуль перемещения, система ЧПУ выдает сообщение об ошибке (в процессе отработки управляющей программы). Как только перемещение превышает величину модуля перемещения, текущая координата перерассчитывается и попадает в диапазон от нуля до модуля перемещения. Момент достижения величины модуля перемещения определяется следящим приводом автоматически при достижении программно-установленного (с помощью подготовительной функции G105) нуля координаты.
на примере параметра установки типа движения 250 - Сосонхин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления Семантика параметров. Рассмотрим семантику параметров в наиболее важной их группе, принадлежащей функциональной области «Координатные оси и шпиндели».
В группе 1001 приведены число используемых координатных приводов, признаки круговых и линейных осей и признак привода шпинделя.
Шпиндельная ось может иметь свой собственный признак, позволяющий присваивать ей адрес «С», например при резьбонарезании.
«