Обзор литературы по системам управления

Патентно-информационный обзор

Лазерное термоупрочнение

 

Лазерное термоупрочнение применяется для повышения срока службы деталей, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что локальный участок поверхности массивной детали нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется передачей энергии лазерного излучения вглубь материала, используя его теплопроводность. После прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах, характерных только лазерной обработке.

Особенность термического цикла при лазерной закалке - отсутствие выдержки при постоянной температуре. Вслед за подъемом температуры следует немедленное охлаждение. Для образования мартенсита при интенсивном охлаждении необходимо понижать температуру металла со скоростью выше критической для сплава с определенным содержанием углерода. Мартенситное превращение развивается в интервале температур М_н и М_к (температура начала и конца превращения соответственно) зависит от содержания углерода и легирующих элементов.

Структура «лазерного» мартенсита более дисперсна, обладает повышенной твердостью и высоким уровнем внутренних напряжений по сравнению со структурой мартенсита, образующейся при других видах упрочняющей обработки.

Использование лазерного упрочнения позволяет обеспечить улучшение многих эксплуатационных показателей, а именно износостойкости, теплостойкости, остаточных напряжений в упрочненном слое, механических характеристик, коррозионной стойкости и др. Глубина упрочненной зоны на образцах металла после лазерной термообработки без оплавления поверхности обычно не превышает 0,2 мм, однако этого вполне достаточно, чтобы повысить стойкость изделий более чем в 2,5 раза.

Основные преимущества поверхностного упрочнения металлов лазерными комплексами:

    Широкий диапазон регулирования энергии импульсов лазерного излучения, частоты следования, их формы и длительности позволяют обеспечить необходимую структуру поверхностного слоя, его свойства, такие как твердость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков. Работы могут выполняться как на малогабаритных, так и крупногабаритных деталях и узлах, выполненных практически из любых металлов и сплавов.

    Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал дает возможность обрабатывать хрупкие конструкции.

    Возможность обработки на воздухе без необходимости подачи газа, отсутствие вредных выбросов.

    Использование автоматизированных координатных столов с системой управления, позволяет точно позиционировать детали при лазерной обработке.

    Возможность плавного вертикального перемещения излучателя лазера по высоте в сочетании с трех координатным позиционированием обрабатываемых деталей расширяет инструментальную зону обработки и оперативность технологической перестройки под новые изделия.

    Специально разработанное программное обеспечение позволяет легко управлять процессом с компьютера.

    Возможность транспортировать излучение на значительные расстояния и подвода его при помощи волоконных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы, в том числе с помощью высококонцентрированных источников энергии (плазменной обработки, ТВЧ, ЭЛО и др.), применить невозможно. Гибкость системы подвода лазерного излучения позволяет легко интегрировать оборудование в технологическую линию. Важным преимуществом является также высокая степень лазерной безопасности, при доставке излучения на расстояние в несколько метров.

    Наличие в составе установок оптической контрольно-фокусирующей системы со стереоскопическим микроскопом позволяет производить контролировать выполнение технологических операций с повышенной точностью. Система наблюдения, в соответствии с медицинскими требованиями, оснащена устройством защиты глаз оператора от вспышки в момент вспышки лазера, что обеспечивает полную безопасность работ. Большое увеличение и высокое качество стереоизображения позволяют производить сложные работы в ручном режиме.

    Система видеонаблюдения позволяет с хорошим качеством отображать на мониторе обрабатываемую поверхность. Конструктивная особенность видеокамеры позволяет получать изображение на мониторе одновременно с наблюдением стереоизображения в бинокулярной головке.

    Оборудование для освещения рабочей зоны применяется для получения максимально четкого изображения обрабатываемой поверхности.

    В большинстве случаев процесс лазерного упрочнения проводится без оплавления поверхности, следовательно, для его проведения возможно использовать установки небольшой мощности, что снижает их стоимость. Многофункциональность установок позволяет при необходимости успешно выполнять операций лазерной гравировки, прошивки отверстий и сварки.

В зависимости от конкретной задачи наши специалисты проводят анализ режимов лазерного упрочнения, а также правильный учет особенностей предшествующей термообработки и геометрии рабочей части деталей машин или инструмента, на основе чего может быть сделан выбор оптимальных схем облучения.

Некоторые области применения лазерного упрочнения в производстве:

производство режущих инструментов;

автомобильная промышленность;

оборонная промышленность;

космическая промышленность;

производство пресс-форм;

производство медицинской техники.

Обзор литературы по системам управления

 

Система числового программного управления FMS-3000

Базовый вариант УЧПУ FMS3000 имеет следующую конфигурацию в соответствии с рисунком 1:

Промышленная рабочая станция с 15» CRT дисплеем: P233MMX/32Mb RAM/16Мb Flash/FDD; Средняя наработка на отказ: 50000 ч.

Технические характеристики программного обеспечения устройства ЧПУ FMS3000.

·         Количество управляемых координат, поддерживаемых программным обеспечением: 255;

·         Минимальное задание и перемещение, мм (град): 0.001;

·         Максимальное задание и перемещение, мм (град): 1*10^16;

·         Диапазон подач, мм/мин (град/мин): 2.9*10^-39..1.7*10^38;

·         Оперативная коррекция в пределах, (%%): 2.9*10^-16…1.7*10^40;

·         Максимальный радиус дуги окружности, мм: 1*10^16;

·         Минимальное время выполнения кадра управляющей программы (Р200), сек: 0.001 (1000 кадров в секунду);

·         Размер отрабатываемых управляющих программ: без ограничений по объему;

·         Линейная интерполяция: по всем осям одновременно;

·         Круговая, линейно-круговая интерполяция: в любой плоскости;

·         Кодирование управляющих программ: стандарт ISO;

·         Коррекция на радиус инструмента: в любой плоскости;

·         Коррекция на длину инструмента: по любой оси;

·         Поворот системы координат детали: в любой плоскости на любой угол;

·         Программирование в полярных координатах;

·         Масштабирование с произвольным коэффициентом по любой оси;

·         Программирования циклов пользователя (добавление дополнительных G-функций);

·         Возможность перекрытия стандартных G-функций

·         Возможность программирования и отработки процесса нарезания резьбы;

·         Наличие системы отработки подпрограмм (с неограниченным вложением);

·         Возможность отработки программы с любого кадра с автоматическим определением начальных условий (исходной точки и G-функций);

·         Возможность отработки программы до заданного кадра;

·         Выход в заданное положение (позиционированием или обратным ходом) с автоматическим запуском продолжения отработки программы;

·         Зеркальная отработка программы относительно произвольной точки;

·         Отработка программы с отключением любых осей;

·         Отработка программы с блокировкой технологии и геометрии (режим проверки);

·         Автоматическая коррекция люфтов, погрешностей ходовых винтов, дрейфа нуля приводов, позволяющая повысить точность позиционирования и отработки;

·         Наличие скоростной компенсации, обеспечивающее точное согласование движения координат, что повышает точность объемной обработки;

·         Возможность подключения электронных маховиков для перемещений по заданным координатам;

·         Многозадачная работа - возможность параллельно отрабатывать программу на станке, прорисовывать и редактировать другие, считывать или записывать файлы на дискеты;

·         Оперативная коррекция подачи и скорости вращения шпинделя;

·         Возможность работы в локальной вычислительной сети.

·         Формат файловой системы УЧПУ совместим с форматом MS-DOS и WINDOWS;

·         Графический цветной интерфейс пользователя по стандарту CUA с поддержкой манипуляторов типа «Мышь», «Трекбол»;

·         Возможность графической 3D прорисовки управляющей программы с масштабированием и разворотом в нужной проекции;

·         Наличие встроенного редактора для управляющих программ неограниченного размера;

·         Встроенный язык макропрограммирования (подмножество языка BASIC) с большим количеством операторов, вычислительных, графических функций и функций ввода-вывода (*, +,-, /, sin, cos, tan, arctan, print, input, window, line, и др.);

·         Возможность разработки диалоговых управляющих программ;

·         Наличие развитой системы параметров УЧПУ, параметров станка и параметров пользователя для учета любых особенностей станка, предпочтений технолога и оператора;

·         Наличие программного осциллографа, позволяющего отследить изменения любых переменных и сигналов, имеющихся в ЧПУ в режиме реального времени;

·         Ведение журнала работы с сохранением времени появления сообщений и ошибок;

·         Русскоязычный интерфейс.

·         Встроенный язык электроавтоматики с широкими возможностями отладки и индикации.

Система передачи информации от IBM PC

Система передачи предназначена для двустороннего обмена УП, а также другой технологической и тестовой информацией между IBM PC и станками с ЧПУ, удаленными на расстояние до 1 км. Возможно подключение к 1 компьютеру до 32 станков с различными типами устройств ЧПУ (2С42-65, 2С42-61, Н33, Н22, НЦ31, МС2109, МИКРОЛИД-62, CNC-600, CNC-700, CNC-432, Allen-Bradly, Siemens, Bosch, Fanuc и др.). В зависимости от условий эксплуатации, по выбору заказчика, Система передачи может быть реализована как на базе обычного офисного компьютера, так и IBM-совместимой рабочей станции промышленного исполнения.

Применение системы позволило:

· существенно улучшить характеристики устройств ЧПУ без их дорогостоящей замены: - подключение к компьютеру устройств ЧПУ класса NC (например, Н22, Н33), не имеющих памяти для хранения УП, позволяет использовать для этого память компьютера;

·         подключение к компьютеру устройств класса CNC (например, 2С42-65) позволяет производить непрерывную отработку УП, объем которых превышает объем памяти ЧПУ, в режиме «подкачки» информации, без промежуточного дробления УП на части, кратные объему памяти ЧПУ;

·         увеличить производительность труда за счет увеличения в 8-10 раз скорости загрузки УП;

·         осуществить полный контроль за работой станков с выводом на печать протокола рабочего дня;

·         полностью исключить из обращения перфоленту и расходы, связанные с ее использованием;

·         интегрировать станки с ЧПУ в заводскую компьютерную сеть.

Служба технологов получила возможность:

· унифицировать систему программирования для всей номенклатуры станков с УЧПУ 2С42;

·         устанавливать уровень доступа операторов станков к УП (полный доступ или запрет редактирования);

·         осуществить контроль за правильностью изменений в УП, которые производят операторы станков;

Операторы ЧПУ получили возможность:

· находить и загружать с пульта ЧПУ нужную УП из памяти IBM PC;

·         работать с библиотеками программ, корректоров и нулей;

·         редактировать и сохранять УП в памяти IBM PC с пульта ЧПУ.

Служба наладки систем ЧПУ получила возможность:

· тестировать аппаратную часть УЧПУ от компьютера;

·         исключить затраты, связанные с ремонтом ФСУ и перфораторов.

Способ подключения со стороны IBM PC.

Адаптер 8-канальный «токовая петля» в соответствии с рисунком 2

Адаптер предназначен для организации связи с внешними устройствами по 8 последовательным каналам в Системе двусторонней передачи информации от IBM PC. Адаптер выполнен в соответствии со стандартом на платы расширения для IBM РС и устанавливается внутри системного блока ПК. Обеспечивается возможность совместной работы до четырех адаптеров в одном ПК. Питание адаптера по цепи +5В осуществляется от источника питания ПК. Внешние устройства подключаются к адаптеру через 4-проводные линии связи.

Способы подключения со стороны станка:

· эмулятор фотосчитывающего устройства DATALOAD-MS (для всех типов ЧПУ);

·         математическое обеспечение со встроенным протоколом обмена (для 2С42, НЦ31, МС2109);

·   коннектор «RS232-Current Loop» в соответствии с рисунком 3 (для УЧПУ с интерфейсом RS-232);

· индивидуальные способы для нестандартного оборудования.

Устройство числового программного управления NC-110

Устройство числового программного управления NC-110 является дальнейшим развитием серии УЧПУ NC-100.

Устройство ЧПУ построено по модульному принципу и позволяет удовлетворять растущие требования потребителей путем встраивания дополнительных модулей.

Устройство легко адаптируется для самых сложных объектов, элементы которых могут требовать одновременного и независимого управления в реальном времени.

Мощное программное обеспечение позволяет управлять станками всех основных типов: токарными, фрезерными, обрабатывающими центрами, копировальными, шлифовальными, кузнечно-прессовым оборудованием,

термической и лазерной резки и др.

Графическая поддержка.

Графика позволяет:

·         просматривать реальное движение инструмента;

·         проверять элементы траектории инструмента при отключенном станке;

·         производить точную настройку приводов в режиме осциллоскопирования.

Пооперационный контроль.

Система изготавливается с использованием пооперационного контроля, начиная от подготовки производства и до выпуска готового изделия, включая температурный прогон с последующей функциональной проверкой работы всех модулей.

Особенности программирования.

Технологическое программирование использует:

·         привычные G-функции;

·         трехбуквенные коды, позволяющие давать осмысленные названия макрокомандам;

·         встроенный язык описания графических объектов, позволяющий программировать сложные 2D контуры непосредственно с чертежа без использования САПР. УЧПУ само вычисляет точки пересечения и касания геометрических элементов. Такое решение позволяет легко ориентироваться в выборе функций для составления управляющих программ вручную.

Простота в изучении и использовании.

Обслуживание и работа с УЧПУ не вызывает никаких трудностей у персонала. Через сообщения пользователю предоставляется полный контроль за выполняемыми операциями, а также за состоянием комплекса УЧПУ - станок.

Управление устройством ЧПУ выполнено в диалоговом режиме с использованием меню, которое позволяет легко ориентироваться в выполняемых операциях.

Программное обеспечение УЧПУ существует в русской, английской и китайской версиях; программное обеспечение преемственно и совместимо для всех серий УЧПУ.

В комплект поставки УЧПУ NC-110 входит:

·         Блок управления (БУ)

·         Пульт оператора (ПО)

·         Станочный пульт (38 свободно-программируемых кнопок, электронный штурвал)

·         Релейные модули постоянный ток 24В/3А, переменный ток 220В/1,5А, 110В/3А

·         Кабели связи между БУ и ПО -10 м

·         Кабель связи между ПО и станочным пультом -1 м

·         Кабели связи с релейными модулями -2 м

·         Разъёмы датчиков и ЦАПов

·         Программа связи с персональным компьютером

·         Комплект эксплуатационной документации

Ниже представлены технические характеристики УЧПУ NC-110.

УЧПУ NC 110 программно совместимо с УЧПУ Вектор, Контур, AB-8600 и 4СК, но построено на современной элементной базе и имеет более высокое быстродействие и более высокую надёжность.

Основные характеристики УЧПУ NC-110.

· Управляющих осей от 2 до 16 и такт управления приводами для 16-ти осей 1 мс.

·         Дискретные Вх / Вых 48/32 - 384/256.

·         Данные организованы в файлах (таблицы инструментов, коррекций инструментов, начальных чек).

·         Подготовка управляющих программ одновременно с выполнением цикла обработки детали.

·         Различные сообщения (ошибки при подготовке кадров, ошибки оператора, ошибки диагностики системы и станка)

·         Компенсация погрешности ходового винта и компенсация люфтов.

·         Программные ограничения.

·         Защищенные области и определение рабочего поля из управляющей программы.

·         Управление скоростью на профиле.

·         Управление разгоном / торможением по линейному или экспоненциальному закону.

·         Устанавливаемые при конфигурации начальные точки.

·         Электронный штурвал.

·         Диагностика при включении и во время работы.

·         Последовательный канал RS232 и параллельный порт.

·         Встроенный программируемый интерфейс логики станка.

·         Язык высокого уровня для программирования интерфейса логики станка.

·         Видеографика

· Процессорный модуль Pentium II MMX-200 (Flash-память 8 Мб, Видеоадаптер VGA и TFT, RAM от 4 Мб, Интерфейсы FDD, HDD, РС - клавиатуры, RS232, параллельный канал)

·         ЦАП 14 разрядов или 16 разрядов (по заказу)

·         АЦП 8 каналов 12 разрядов (по заказу)

·         Подключаемые датчики - фотоимпульсные с питанием +5В

·         датчик касания;

·         дискретные Вх / Вых - 48/32 (макс. 8 модуля);

·         Релейные платы.

Устройство комплектуется внешними модулями (24/16 вх/вых) NC110-41 DC-24V/3A, AC-110V/3А или AC-220V/1,5А

Пульт оператора.

· TFT 10.4» цветной

·         герметизированная мембранная алфавитно-цифровая клавиатура с тактильным эффектом и клавиатура «МЕНЮ»;

Станочный пульт.

· герметизированная мембранная клавиатура с тактильным эффектом и светодиодной индикацией:

·         8 клавиш выбора режима работы и 38 свободно-программируемых клавиш;

·         корректора (11 положений): подачи, ручных перемещений, корректор оборотов шпинделя; электронный штурвал;

Краткие характеристики программирования.

· Программирование в абсолютных размерах и приращениях, в миллиметрах и дюймах.

·         Компенсация радиуса инструмента.

·         Смещение нуля.

·         Определение величины припуска.

·         Коническое и цилиндрическое резьбонарезания с постоянным и переменным шагом.

·         Циклы черновой обработки и чистовой обработки.

·         Циклы обработки пазов и снятия стружки.

·         Циклы резьбонарезания.

·         Программирование полного круга.

·         Прямое программирование при помощи углов, прямых и окружностей.

·         Параметрическое программирование.

·         Повторение частей управляющих программ.

·         Подпрограммы с параметрами.

·         Условные и безусловные переходы.

·         Масштабирование.

·         Пропуск кадров.

·         9999 инструментов и коррекций инструментов.

·         Возможность включения нескольких функций G и M в кадре.

·         Двойные оси.

·         Непрерывные оси вращения.

·         Оси вращения с заданием более 360 градусов.

·         Скоординированная ось шпинделя.

·         Виртуальные оси с преобразованием декартовые координаты / полярные координаты.

·         Проверка отработки управляющих программ на быстром ходу и при блокированных осях.

·         Определение длины инструмента на станке и цикл контроля целостности инструмента.

·         Управление расточными и обточными головками.

·         Запомненный поиск для продолжения отработки после останова.

·         Многокадровое обратное прослеживание по профилю.

·         Отвод инструмента от профиля и автоматический возврат на профиль.

·         Встроенный редактор.

Из обзора видно, что приведенные СУ не подходят под выше указанные требования или подходят но обладают избытком лишних функций и дороги. Это приводит к необходимости разработки новой системы управления.

 

2.
Лазерный технологический комплекс

Понятие ЛТК

 

Лазерный технологический комплекс (ЛТК) по термоупрочнению деталей представляет собой технологическую установку, снабженную манипулятором изделия и оптики, вспомогательной технологической оснасткой и оборудованием для проведения технологических операций и является одним из видов специализированных лазерных технологических комплексов (СЛТК), он предназначен для обработки одного типа деталей, что и определяет его конструкцию.

При создании ЛТК можно используются уже готовые, отработанные компоновки и конструкции, применяемые в станкостроении и робототехнике.

Основными элементами, входящими в состав любого ЛТК, являются лазер, манипулятор изделия или оптики, внешний оптический тракт и система управления. В ЛТК обязательно обеспечение функциональных связей между системойуправления лазером и системой управления манипуляторами. Основная функция таких связей состоит в синхронизации движения манипулятора и лазерного луча. В качестве источника излучения в зависимости от условий применения могут быть использованы газовые, твердотельные, волоконные или диодные лазеры. Если ЛТК входит в состав технологического потока, то он включает систему автоматической загрузки и выгрузки деталей. В этом случае достигаемся максимальный эффект от использования ЛТК.

Ручной режим

В данном режиме реализуется выполнение следующих команд с пульта управления оператора:

·   перемещение приводов постоянного тока и шаговых приводов;

·   регулирование скорости и положения приводов;

·   выход приводов в начальную точку;

·   обнуление датчиков положения;

·   управление заслонкой лазера;

·   аварийная остановка системы и т.д.

Управление осуществляется непосредственно с экрана монитора, на котором выводится пульт оператора с соответствующими кнопками управления. Нажатие кнопок осуществляется либо от манипулятора типа «Мышь», либо с использованием набора клавиш. Процедура управления не отличается от общепринятой в системах программного управления, а клавиши имеют тоже мнемоническое изображение.

Автоматический режим

В данном режиме должно быть обеспечено движение по заданной траектории, которое должно соответствовать следующим требованиям:

·   поддержание заданной скорости;

·   обеспечение заданной точности.

В системе управления организовано ее тестирование, включающее:

·   автоматический тест всей системы при ее запуске (тестирование нижнего уровня выполняют микроконтроллеры);

·   автоматический тест всей системы из окна программы (тестирование нижнего уровня выполняет ПЭВМ);

·   тестирование ручного управления (проверяется работоспособность приводов, клавиатуры).

В целях безопасности и надежности функционирования всей системы организовано разделение входа в систему управления на «Режим пользователя» и «Режим администратора». «Режим пользователя»

В данном режиме выполняются задачи:

·   разработка траекторий перемещения;

·   движение по заданной траектории (автоматический режим);

·   работа в ручном режиме;

·   тестирование всего оборудования. «Режим администратора»

В данном режиме выполняются задачи:

·   ограничение прав пользователей на уровне системы, чтобы избежать непредвиденных ситуаций;

·   управление запуском программы;

·   установка и настройка связи с ЭВМ нижнего уровня. Комплекс программ выполнен в Windows-подобной среде.

Поэтому для подготовки оператора не требуется затрат, т. к. привычная среда позволяет быстро адаптироваться к работе.

 

3.
Разработка системы управления АЛТК