В предложенной схеме список команд, созданных интерпретатором при интерпретации управляющей программы, доступен как интерполятору, так и модулю внешнего управления. При этом остается возможность как прямого управления приводами, так и управления сканатором в рамках одной управляющей программы.

Реализация описанной схемы позволяет использовать одну систему ЧПУ для класса технологических задач лазерной обработки (маркировка, послойный синтез и др.) без принципиальных изменений в архитектуре системы.

Открытость предлагаемой архитектуры системы ЧПУ предоставляет возможность обработки любых типов участков траекторий, описанных в параметрическом виде. Это определяет модульную расширяемую структуру интерполятора. Структура обеспечивает наращивание алгоритмов интерполяции и их различные комбинации при отработке сложных траекторий в пространстве. Таким образом, реализация интерполятора предполагает возможность добавления новых модулей обработки траектории и связывания их с командами протокола обмена данными.

Другое важное условие реализации интерполятора – многопоточность.

При обработке траектории существует несколько параллельных операций с разным приоритетом:

1. Обработка (преобразование в команды интерполятора) пакетов данных пользовательского приложения. Обработка должна происходить независимо от интерполяции и с опережением (то есть транслированные команды должны добавляться в список быстрее их обработки интерполятором).

2. Интерполяция (вычисление приращений координат за заданный такт времени).

3. Коммуникация с модулями ввода-вывода. В ходе коммуникации модулям отсылаются приращения координат, запрашивается текущее положение и другие данные. Кроме того, осуществляется управление электроавтоматикой.

Для каждой из этих операций выделяется отдельный поток, потому что реализация в одном потоке всех операций не позволяет осуществлять буферизацию данных интерполяции, что необходимо для обеспечения бесперебойного управления в режиме реального времени. Потоки управляются диспетчером. Предлагаемая структура интерполятора показана на рис. 5.

К диспетчеру При инициализации интерполятора происходит чтение настроек из конфигурационного файла, в котором прописываются следующая информация:

– набор модулей обработки для каждой команды. Команды при этом определяются номерами. Каждый модуль содержит необходимые для обработки команды механизмы: объектно-ориентированную структуру команды, транслятор, интерполятор и блок разгона-торможения;

– настройки диспетчера потоков (период и фаза запуска каждого потока);

– набор модулей ввода-вывода, требуемых для взаимодействия с объектом управления.

Каждая фаза расчета параметров движения закреплена за отдельным блоком подключаемого модуля обработки. Такая схема позволяет реализовать решение специфических задач управления движением благодаря полной открытости интерполятора.

В третьей главе предложено решение задачи построения интерпретатора структурированного языка высокого уровня на основе метода рекурсивного нисходящего анализа. Предложен способ интеграции интерпретатора в архитектурную модель системы ЧПУ в виде препроцессора, позволяющий реализовать поддержку языка высокого уровня без изменений базовых модулей системы ЧПУ.

Язык высокого уровня для создания управляющих программ системы ЧПУ используют при реализации сложных пользовательских циклов;

оформлении фрагментов управляющей программы в виде параметрических функций; разработке управляющих программ для групповых технологий;

организации диалога с оператором; создании специальных тестовых программ для проверки работоспособности приводов, входов/выходов электроавтоматики и системы ЧПУ в целом.

Рассмотрим структуру программы на языке высокого уровня (рис. 6).

Рис. 6. Структура программы на языке высокого уровня Программа состоит из набора функций, ее выполнение начинается вызовом главной функции. Каждая функция имеет блок (последовательность, заключенную в ограничивающие символы, например в фигурные скобки) выполняемых операторов. Блок операторов – это последовательность выражений и сложных операторов.

В обобщенном виде выполнение программы представляет собой рекурсивную интерпретацию блоков операторов и выражений.

Одним из самых эффективных и простых способов реализации интерпретатора является использование рекурсивного нисходящего синтаксического анализа. Схема работы синтаксического анализатора на базе этого метода определяется рекурсивной логикой вычисления выражений структурированного языка. На рис. 7 представлена обобщенная блок-схема алгоритма интерпретации управляющей программы на структурированном языке высокого уровня по методу рекурсивного нсходящего анализа.

Рис. 7. Алгоритм интерпретация программы на языке высокого уровня Последовательность выполнения алгоритма:

1. Осуществляется чтение всех функций, включаемых файлов, определений переменных и констант (prescan, №1).

2. Производится вызов главной функции программы (call, №2).

3. Интерпретируется очередная конструкция тела функции (interpret, №3).

4. Функция interpret интерпретирует очередную конструкцию тела функции (№3). При этом выполняется проверка лексемы (№4) Если встретилось ключевое слово, определяющее оператор, вызывается нужная функция обработки оператора (№6), в противном случае выполняется еще одна проверка (№5). Если лексема является именем функции, производится вызов(№2). В противном случае обрабатывается выражение (№7).

5. Выполняется проверка лексемы (№8). Если оказалось, что текст закончился (или встретился конец блока операторов), интерпретация завершается. Если нет, интерпретируется очередная конструкция тела функции (interpret, №3).

В работе предложено интегрировать интерпретатор языка высокого уровня в качестве надстройки (препроцессора) над имеющимся в системе интерпретатором языка ISO-7bit, что позволило сохранить структуру модулей и конвейер обработки данных без изменений. Место препроцессора в структуре системы ЧПУ можно представить следующей схемой (рис. 8).

Интерфейс оператора Рис. 8. Интеграция препроцессора в структуру системы ЧПУ Файлы управляющей программы на языке ISO-7bit пропускаются через препроцессор без обработки и передаются интерпретатору. Файл на языке высокого уровня обрабатывается препроцессором, а полученные строки в коде ISO-7bit передаются интерпретатору.

Препроцессор настраивается с помощью файла конфигурации языка в формате XML. В файле описаны: лексемы структурных элементов языка;

соответствие между входными и выходными командами языка ISO-7bit, что позволяет настроить препроцессор на обработку файлов разных диалектов ISO-7bit.

Предложенная схема интеграции позволяет реализовывать поддержку языков высокого уровня без изменения базовых модулей системы ЧПУ.

В четвертой главе представлена разработка архитектуры интерполятора и алгоритмов управления движением для лазерной обработки сложных контуров. Описаны практические аспекты реализации интерполятора (объектно-ориентированная структура модулей, наборы классов и связи между ними, механизм диспетчеризации потоков).

Задачи адаптация геометрической задачи для импульсной лазерной обработки и обеспечения открытости интерполятора для конечного пользователя требуют применения обобщенного подхода к обработке контуров, заданных в параметрическом виде. При этом ошибки интерполяции, накапливаемые при проходе контура, не могут компенсироваться во время движения. Таким образом, стоит задача разработки алгоритма, позволяющего с точностью до дискреты интерполяции вычислять приращения координат на каждом такте движения от начала и до конца траектории в кадре без накопления ошибки. Чтобы найти координаты точки сплайна, в которую надо переместиться за такт интерполяции, требуется вычислить приращение параметра за время такта.

Для решения поставленной задачи предлагается разработать алгоритм итеративного приближения к заданной точке (рис. 9).

Рис. 9. Алгоритм интерполяции для параметрических кривых Основные параметры алгоритма показаны на пояснительной схеме (рис. 10).

Рис. 10. Пояснительный рисунок к схеме алгоритма интерполяции На первом шаге задается несколько переменных: s_temp – путь от начала кадра до приближенной точки; переменная err, которая определяет разность между требуемой длиной пути S и полученной в ходе поиска s_temp; приращение параметра t (в начале задается равным параметру текущей точки T); значение параметра t приближенной точки.

На втором шаге (активном со второй итерации) вычисляется приращение параметра t, соответствующее пути, равному err. t вычисляется как отношение err к производной пути по параметру в точке t.

Далее вычисляются: приращение пути s, определяемое значением t;

путь s_temp; ошибка пути err. Если err меньше заданной погрешности, текущее значение параметра принимается равным t и координаты заданной точки вычисляются исходя из этого значения. В противном случае происходит переход ко второму шагу.

Таким образом, переменная t итеративно приближается к значению, соответствующему длине кривой S от начала кадра с допустимой погрешностью. Как правило, для достижения заданной точности до дискреты интерполяции достаточно 2-3 итераций. Этот алгоритм подходит для любых гладких кривых, заданных в параметрическом виде. Длина кривой S(t) для данного алгоритма находится методом приближенного вычисления интеграла. Точность интегрирования обеспечивается с помощью апостериорных методов оценки погрешности.

Основная проблема существующих алгоритмов разгона и торможения при импульсной обработке заключается в необходимости остановок в обрабатываемых точках. Стоит задача разработки усовершенствованного алгоритма управления движением, позволяющего обеспечить синхронизацию движения с импульсами лазера при максимально допустимой скорости прохода точек. Синхронизация движения подразумевает, что путь между двумя рабочими точками должен быть пройден за время, определяемое номинальной частотой импульсов и ее допустимой погрешностью.

Рассмотрим схему, которая отражает сопряжение алгоритма опережающего просмотра и алгоритма синхронизации параметров движения с параметрами импульсов (рис. 11).

Список кадров Перед началом движения в кадре вычисляются параметры функции разгона/торможения. После этого подсчитывается количество тактов, требуемое для прохождения кадра, и проверяются два условия:

1. Попадание в очередное временное окно, соответствующее допуску частоты лампы накачки лазера.

2. Количество тактов N >= n_nom*k + n_max_syn. Здесь n_nom*k – количество тактов, равное целому числу номинальных периодов импульсов; n_max_syn – предельное значение частоты импульсов накачки.

Допускается за несколько тактов до рабочего импульса лазера произвести холостой импульс с повышенной частотой,. поэтому первый импульс кадра можно производить через n_max_syn тактов от начала движения.

Если эти условия выполнены, параметры движения сохраняются и процесс анализа кадра прекращается. В противном случае производится уменьшение конечной и максимальной скорости в кадре и процесс повторяется. Таким образом, происходит итеративная подстройка времени пробега кадра ко времени, кратному периоду импульсов. Сравнение работы существующего и разработанного алгоритмов управления движением при импульсной обработке проиллюстрировано на рис. 12.

Рис. 12. Уменьшение времени прохода кадра при синхронизации с лазером Предложенный алгоритм дает возможность сократить время обхода траектории, так как коррекция скорости позволяет достичь рабочей точки точно ко времени осуществления импульса лазером. Сочетание алгоритма опережающего просмотра (look ahead) и алгоритма синхронизации позволяет поддерживать максимальную контурную скорость с учетом пороговых ускорений по осям. Используемые параметры, такие как частота лазера и ее допустимая погрешность, максимальные ускорения по осям и т. д, могут настраиваться наладчиком станка, что позволяет экспериментально находить оптимальное соотношение производительности и качества обработки.

В пятой главе описана проверка достоверности результатов работы на основе сравнения теоретических данных с данными, полученными при проведении экспериментальных исследований, а также на основе анализа выходных управляющих сигналов системы ЧПУ.

Проверка достоверности полученных результатов работы производилась с целью:

– подтверждения соответствия реализованных алгоритмов интерполяции аналитическому представлению интерполируемых кривых;

– проверки практической применимости разработанных алгоритмов управления движением;

– оценки влияния разработанных алгоритмов на эффективность импульсной низкочастотной обработки.

Использовались как тестовые управляющие программы, так и специальные утилиты для анализа выдаваемых системой сигналов.

Проверка алгоритмов сплайновой интерполяции проводилась с помощью утилиты, генерирующей эталонные кривые, которые сравнивались с кривыми, построенными на основе выходных данных интерполятора.

Путем программных измерений вычислено время, необходимое для расчета всех параметров движения за такт интерполяции. На основе этого оценена максимальная частота выдачи управляющих сигналов на приводы при разных типах запрограммированных траекторий - до 10 кГц при использовании кривых NURBS и кубических сплайнов, до 50 кГц при использовании простых линейных и круговых кадров (однако, в реальных приложениях частота составляет, как правило, не более 20 кГц ввиду ограничений современных операционных систем реального времени и используемых приводов подачи).

Реализованные алгоритмы управления движением позволяют перемещать пятно луча лазера с постоянной скоростью на гладких кривых траекториях, что важно для многих способов лазерной обработки, требующих неизменных температурных условий вдоль траектории обработки. Рис. 13 демонстрирует обеспечение постоянной высокой скорости для последовательности любых поддерживаемых системой сегментов, объединенных в гладкую траекторию (последовательность линейных, круговых, кубических и NURBS кадров). Ступенчатые отклонения на графике – это следствие дискретности выходного сигнала интерполятора.

По вертикальной оси обозначено количество дискрет интерполятора (в рассматриваемом случае дискрета равна 1 мкм).

Рис. 13. График скорости для последовательности кадров, составляющих кусочногладкую траекторию Алгоритм опережающего просмотра ограничивает скорость между кадрами в соответствии с пороговым ускорением. На рис. 14 показан график для последовательности коротких кадров, составляющих ломаную траекторию. Скорость ограничивается предельным ускорением, но не снижается до нуля. Разработанный алгоритм позволяет значительно поднять среднюю скорость прохождения сложной ломаной траектории по сравнению с существующим алгоритмом управления, применяющимся при импульсной обработке.

Рис. 14. График скорости для последовательности коротких (10-200 мкм) кадров Оценка влияния разработанных алгоритмов на эффективность импульсной низкочастотной обработки была проведена на станках лазерной графики в прозрачных средах фирмы LaserGraphicArt при различных параметрах движения.

Во-первых, спрогнозируем аналитически, какие преимущества может дать алгоритм, обеспечивающий синхронизацию движения с лазерным излучением. Рассматриваемые станки имеют следующие основные характеристики:

– номинальная частота импульсов при обработке изделия: 40 Гц;

– рекомендуемое ускорение стола с заготовкой и блока лазера: 300 мм/с2;

– номинальное значение подачи: 1800 мм/мин;

Расстояние между обрабатываемыми точками составляет 100-150 мкм, что не позволяет станку при старте с нулевой скорости достичь номинального значения подачи, как видно из выражения (1):

где S – путь, необходимый для разгона до номинальной подачи, A – номинальное ускорение, F – подача, t – время. Все значения переведены в единицы СИ. Таким образом, путь разгона в 10 раз больше типичного расстояния между точками. Отсюда следует, что график изменения скорости в кадре имеет вид равнобедренного треугольника. Исходя из этого, найдем время t, требуемое для прохождения половины кадра (2):

Отсюда следует, что полное время прохождения кадра приблизительно равно 40 мс. В то же время, период импульсов, соответствующий номинальной частоте 40 Гц, равен 25 мс. Таким образом, среднее время прохождения кадра при отсутствии синхронизации движения с излучением составляет 2 периода импульсов лазера с учетом того, что после останова станок находится в состоянии ожидания очередного импульса 252-40 = 10 мс.

Номинальное значение подачи позволяет пройти кадр за время, заведомо меньшее одного периода излучения, если скорость в кадре поддерживается постоянной (3):

Таким образом, использование алгоритма опережающего просмотра, обеспечивающего проход точек без торможения за счет синхронизации движения с излучением, теоретически может дать значительный прирост производительности (вплоть до двукратного на длинных прямых участках для лазерного станка с указанными выше характеристиками).

Экспериментальные проверки показали, что разработанный алгоритм действительно позволяет существенно повысить производительность обработки низкочастотным излучением. В Таблице 2 сведена информация о времени обработки для 14 файлов управляющих программ (с разным количеством точек) при использовании существующего алгоритма управления движением и разработанного алгоритма, обеспечивающего синхронизацию движения с импульсами лазера. Сравнение проведено при номинальных параметрах обработки (частота импульсов: 40 Гц; допустимое ускорение: 300 мм/с2; максимальная подача: 1800 мм/мин; расстояние между обрабатываемыми точками: 100-150 мкм.). Количество точек округлено до сотен.

Таблица 2. Результаты измерения времени обработки изделий на лазерном станке № Количество Время обработки, мин:сек Время обработки, мин:сек Файла точек (существующий алгоритм) (разработанный алгоритм) Результаты сравнения в графическом виде представлены на рис. 15:

Время обработки, мин Из полученных данных следует, что разработанный алгоритм управления, обеспечивающий синхронизацию движения с импульсами лазера, позволил снизить время обработки изделий на импульсном лазерном станке на 30 - 50 % по сравнению со стандартной позиционной схемой управления с остановками в конечных точках кадров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

3. На основании установленных взаимосвязей разработана архитектурная модель обобщенной системы ЧПУ для управления установками лазерной маркировки, графики в прозрачных средах, послойного синтеза и комбинированной механо-лазерной обработки, основанная на архитектуре системы управления класса PCNC.

4. Разработаны алгоритмы опережающего просмотра траектории и управления движением по параметрическим кривым для импульсных лазерных станков, позволяющие исключить остановки в обрабатываемых точках и обеспечить постоянную контурную скорость. Применение разработанных алгоритмов приводит к сокращению времени обработки на 30-50% на станках с приводами подач по сравнению с использованием алгоритмов, не учитывающих синхронизацию движения с импульсами лазера.

5. Построение интерпретатора структурированного языка управляющих программ высокого уровня на основе метода рекурсивного нисходящего анализа обеспечило возможность применения параметрического программирования при сохранении совместимости с программами в коде ISO-7bit. Предложенный способ интеграции интерпретатора в архитектурную модель системы ЧПУ в виде препроцессора позволил реализовать поддержку языка высокого уровня без изменений базовых модулей системы ЧПУ.

6. Созданные в рамках диссертационной работы программные компоненты позволили на единой программно-аппаратной платформе практически реализовать управление комбинированной механолазерной обработкой (система AxiOMA Ctrl), маркировкой и графикой в прозрачных средах (система ArtNC), а также послойным порошковым синтезом (система AxiOMA Laser Ctrl).

7. Разработанная методика компоновки системы управления для задач лазерной обработки на основе предложенного единого архитектурного решения позволяет сократить время и себестоимость процесса разработки систем управления для лазерных станков.

8. Полученные теоретические и практические результаты рекомендуется применять на предприятиях машиностроительного профиля, использующих лазерное технологическое оборудование, а также в учебном процессе по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств» (220700).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мартинов Г.М., Любимов А.Б., Обухов А.И. Проблема адаптации систем ЧПУ класса PCNC к станкам лазерной графики // Мехатроника, автоматизация, управление. №1, 2009 г., C. 59-62.

2. Мартинов Г.М., Обухов А.И., Пушков Р.Л. Принцип построения универсального интерпретатора языка программирования высокого уровня для систем ЧПУ // Мехатроника, автоматизация, управление. № 6, 2010 г., С. 42-50.

3. Нежметдинов Р.А., Соколов С.В., Обухов А.И., Григорьев А.С..

Расширение функциональных возможностей систем ЧПУ для управления механо-лазерной обработкой // Автоматизация в промышленности. №5, 2011 г., С. 49-53.

Другие публикации автора:

4. Обухов А. И. Диспетчеризация потоков реального времени в однокомпьютерной системе ЧПУ // Труды XIV международной научнотехнической конференции «Информационные средства и технологии».

Секция «Информатизация в машиностроении», ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 17-19 октября 2006 г.

5. Мартинов Г.М., Обухов А.И., Воскресенский К.Д. Современные технологии обработки поверхностей свободной формы на станках с ЧПУ // Труды международной конференции «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности», «AEROSPACE - 2008», 20-24 августа 6. Обухов А. И., Соколов С.В., Трофимов Е.С. Построение системы числового программного управления для установки послойного синтеза из порошковых материалов // Труды XVIII международной научнотехнической конференции «Информационные средства и технологии».

Секция «Информатизация в машиностроении», ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 19-21 октября 2010 г.

7. Соколов С.В., Обухов А.И., Пушков Р.Л., Евстафиева С.В., Нежметдинов Р.А. Многофункциональная система управления мехатронными объектами // Материалы 7-й научно-технической конференции «Мехатроника. Автоматизация. управление» (МАУ-2010), СПб, 12- октября 2010 г.

8. Обухов А.И. Принцип реализации сплайнового интерполятора системы ЧПУ // Труды 2-й Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов INNOTECH 2010. Пермь, декабрь 2010 г.