Геометрическая задача ЧПУ

ГЗ ЧПУ формулируется следующим образом: отобразить гео­метрическую информацию чертежа в совокупность таких формообра­зующих движений станка, которые материализуют чертеж в конечном изделии. Формообразующие движения воспроизводятся обычно следя­щими приводами подачи станка. Следящие приводы подачи располо­жены так, что они соответствуют координатной системе станка, в кото­рой и осуществляется в процессе обработки управляемое относитель­ное движение инструмента и заготовки. При этом координатная сис­тема должна быть такой, чтобы ГЗ ЧПУ была реализуемой. ГЗ ЧПУ реализуется с помощью управляющей программы, состоящей из кад­ров. Последовательная активизация кадров управляющей программы, то есть последовательная обработка содержащейся в них информации сопровождается выдачей оперативных команд на исполнительные при­воды станка, приводит к последовательному обходу запрограммиро­ванного контура от одной опорной точки к следующей. Во избежание приостановки подачи на стыке двух элементарных участков, то есть в момент активизации очередного кадра, этот очередной кадр должен быть подготовлен к оперативным расчетам и отработке. Кадр, подго­товленный в таком виде, называется буферным.

Укрупненный алгоритм работы устройства ЧПУ в автоматическом цикле показан на рис. 3.2.

Основным содержанием переработки информации в автоматиче­ском цикле являются подготовка буферного кадра и отработка рабочего кадра Подготовка буферного кадра состоит в преобразовании инфор­мации из того вида, в котором она представлена на физическом про­граммоносителе, или в памяти устройства ЧПУ, в тот вид, который наиболее удобен для выполнения расчетов, связанных с отработкой рабо­чего кадра. Любой кадр управляющей программы в конце концов ста­новится буферным, а затем и рабочим. Информация рабочего кадра но­сил обобщенный характер. Она укрупнено описывает ГЗ ЧПУ (то есть ту траекторию, которую необходимо воспроизвести), но ничего не го­ворит о способах ее решения (то есть о том, какими должны быть ко­манды, оперативно выдаваемые на следящие приводы подачи). Вычис­лительная процедура устройства ЧПУ, обеспечивающая переход от укрупненного описания заданного перемещения к оперативным командам в функции времени для исполнительных приводов, на­зывается интерполяцией.

Интерполяция осуществляется над целыми числами, каждая еди­ница которых соответствует наименьшему перемещению или углу по­ворота рабочего органа станка, контролируемым в процессе управле­ния. Такое соответствие понимают как дискретность перемещения. Поскольку контроль перемещения на станке вдоль каждой координат­ной оси выполняет датчик обратной связи по положению следящего привода подачи, постольку и дискретность перемещения определяется ценой деления шкалы этого датчика. В общем случае заданное переме­щение на уровне рабочего кадра представлено целым числом дискрет. Под дискретой понимается управляющая команда, поступающая на вход следящего привода подачи. Следящий привод подачи отрабатыва­ет каждую дискрету соответственно ее цене, т.е. в виде некоторого эле­ментарного перемещения.

При линейной интерполяции исходя из заданной скорости подачи несложно рассчитывается число управляющих дискрет, которые необ­ходимо равномерно выдавать на приводы подачи X и Y. Однако с це­лью экономии затрат вычислительный процесс интерполяции на прак­тике строится на других принципах.

Координату X, перемещение по которой часто называют ведущей, управляющие дискреты формируют так, что они поступают в привод подачи X равномерно. Выдача управляющих дискрет по ведомой коор­динате Y разрешено лишь в моменты времени, определяемые дискре­тами ведущей координаты, что приводит обычно к некоторому запаз­дыванию по времени дискрет ведомой координаты. Теоретически неиз­бежно некоторое отклонение от заданной прямой линии, которое не превышает цены одной дискреты. Преимуществом является то, что вычислительный цикл интерполяции завершается одновременной выдачей управляющих команд для приводов подачи всех координат.

На практике такая интерполяция осуществляется следующим об­разом. В очередном вычислительном цикле, выполняемом с макси­мально высокой скоростью в машинном масштабе времени, определя­ют, в какие приводы подачи должны быть выданы дискреты на теку­щем этапе оперативного управления. Результат сохраняют в буфере, который опрашивают с частотой, соответствующей скорости подачи для ведущей координаты. Таким образом, расчеты максимального мас­штаба привязывают к реальному времени, развитие событий в котором определяется технологическими соображениями.

Возможна принципиально иная схема интерполяции - интер­поляция на постоянной текущей частоте. В каждом периоде постоянной частоты и для каждой координаты в отдельности рассчитывают число дискрет, которые в этом периоде должны быть отработаны исходя из скорости подачи, заданной для привода конкретной координаты. Если результаты расчета окажутся дробными, так как часть от дискреты при управлении не имеет физического смысла, то пачки дискрет, подготов­ленные к выдаче в приводы подачи в определенном приводе постоян­ной частоты, округляют до целых чисел. При этом дробные остатки на­капливают и учитывают в последующих периодах. В этой связи выдачи пакета дискрет в приводы от периода к периоду неравномерны.

Выдачи дискрет при линейной интерполяции равномерны и вы­числяют достаточно просто. При круговой интерполяции частоты управляющих дискрет неравномерны и вычисляются при круговой ин­терполяции сложнее.

В целом интерполяционный процесс есть совокупность непре­рывно повторяющихся (до полной отработки всей интерполяции кадра) вычислительных циклов, которые завершаются определением комби­нации управляющих дискрет, выдаваемых на приводы или выдаваемых на приводы пачек управляющих дискрет.

Заключительный этап решения ГЗ ЧПУ состоит в отработке управляющих дискрет следящими приводами подачи в формообразую­щей системе координат станка. В качестве примера рассмотрим отра­ботку управляющих координат с использованием следящего привода произвольного типа, показанного на рис. 3.3.

Здесь датчик обратной связи (по положению) передает прямую информацию х о перемещении исполнительного органа. Абсолютная заданная координата исполнительного органа:

где х - содержимое накопителя абсолютной координаты (заданной) в безразмерных координатах; Δх - дискретность перемещения исполни­тельного органа. Абсолютная фактическая координата

где  - содержимое накопителя абсолютной координаты (фактической) в безразмерных дискретах. Одна управляющая дискрета приведет к пе­ремещению исполнительного органа на величину Δ х. Действительно, если x=1, то Δ =k(1- ). Следящий привод придет в движение, и после перемещения исполнительного органа на величину Δ х датчик обратной связи по положению сформирует сигнал =1, рассогласование Δ ста­нет нулевым, а следящий привод остановится.

Структурная схема геометрической задачи в общей конфигурации системы ЧПУ приведена на рис. 3.4.

Анализируя структуру, можно установить отдельные фазы реше­ния ГЗ ЧПУ.

Ввод управляющей программы в память устройства ЧПУ с программоносителя или по каналу связи с верхнего уровня. При разме­щении управляющей программы в памяти неизбежны некоторые изме­нения исходного текста, связанные с исключением пробелов, комментариев, непредусмотренных символов, а также синтаксический и се­мантический контроль.

Активизация управляющей программы в автоматическом ре­жиме и вовлечение ее информации в процесс вычислений. Здесь важ­ную роль играет подготовка буферного кадра, поскольку исходные тек­сты управляющей программы не содержат в явном виде всей информа­ции, необходимой для траекторных расчетов. Подготовка буферного кадра включает расчеты эквидистант, преобразования координатных систем, определение данных, используемых алгоритмами интерполя­ции.

Интерполяция. Алгоритмы интерполяции обслуживают тот кадр управляющей программы, который является в данный момент рабочим. Интерполяционные вычислительные циклы воспроизводятся с высокой частотой, чтобы получить информацию, необходимую для оперативно­го управления следящими приводами подачи с целью движения по за­данной траектории. Задача интерполяции состоит в управлении каж­дым отдельным приводом подачи, а также в согласовании приводов по­дачи между собой.

Сложность ГЗ ЧПУ определяется программным наполнением ее фаз: уровнем начального контроля исходных текстов; степенью автома­тизации подготовительных траекторных расчетов; возможностями вмешательства оператора в процесс автоматического управления; чис­лом алгоритмов интерполяции и богатством этих алгоритмов; числом управляемых координат; возможностями настройки и коррекции сле­дящих приводов.