6 - 2000

Обеспечение прямого управления станками с ЧПУ в системе ГеММа-3D

Владимир Вермель, Сергей Зарубин

Архитектура системы DNC

Программное обеспечение DNC

Опыт применения программно-технических средств DNC

Внедрение CAD/CAM-систем на машиностроительных предприятиях создает основу для существенного усложнения проектируемых изделий. По создаваемым математическим моделям изделий достаточно оперативно может быть разработана технологическая оснастка (пресс-формы, штампы, литейные формы и др.) для их производства и управляющие программы для обработки на станках с ЧПУ. Возможности современных CAD/CAM-систем позволяют получить программы на обработку изделий практически любой сложности с точностью и чистотой, ограниченной только возможностями станочного оборудования и применяемого инструмента. Наряду с этим, объем управляющих программ становится чрезвычайно большим и может достигать нескольких десятков килобайт. Использование бумажной перфоленты — традиционного носителя информации — для станков с ЧПУ, для размещения управляющих программ становится неприемлемым в связи с малой емкостью ленты, медленным вводом-выводом информации (что является особенно критичным), низкой надежностью. Последнее обусловлено низкими механическими характеристиками бумажной ленты (коробление при хранении, замасливание в процессе эксплуатации, обрывы), а также низкой надежностью используемых периферийных устройств (перфораторы, считывающие устройства).

В последние годы станки с ЧПУ оснащаются устройствами, обеспечивающими передачу информации на магнитных и электронных носителях — гибких дисках, кассетах внешней памяти, переносных ПК типа notebook. Эффективность их применения в интенсивно работающих производствах ограничена. Во-первых, хотя надежность данных устройств более высока, чем у перфоленты, но ниже, чем при использовании проводной связи. Сбои обусловливаются загрязнениями от масла и пыли, разбалтыванием (износом) штепсельных разъемов, порчей дополнительных движущихся элементов (дисководов), присоединяемых к станкам. Во-вторых, при передаче программ большого объема необходимо их деление на части в соответствии с располагаемым объемом памяти устройства управления станка с ЧПУ, что резко усложняет применение переносных устройств. В-третьих, затрудняется архивирование управляющих программ, проведение их изменений и т.д.

Другая проблема связана с тем, что возрастание объема управляющих программ, характерное для обработки с повышенной точностью и чистотой, приводит к существенному увеличению времени ввода управляющей программы в устройства управления станком с ЧПУ (УЧПУ) и ее «электронной» обработки, выполняемой УЧПУ при формировании управляющих воздействий на приводы станка. Так, для современной системы УЧПУ «Сименс-535» время обработки кадра составляет приблизительно 0,005 секунд. Объем программы для чистового фрезерования пуансона литьевой формы на изготовление кресла для стадиона составляет 4,9 Мбайт. Электронная обработка программы такого объема (без движения инструмента) составит 6-8 часов, то есть будет отставать от реальной физической обработки и затормозит ее.

Таким образом, повышение точности и производительности обработки сложных поверхностей, с одной стороны, требует радикального повышения надежности передачи подготовленных управляющих программ в устройства управления станков с ЧПУ, а с другой — максимально возможного сокращения объемов управляющих программ.

Рассмотрим последовательно основные компоненты программно-технического обеспечения прямого управления станками с ЧПУ.

В начало В начало

Архитектура системы DNC

Разработанная система DNC представляет собой локальную цеховую сеть в схеме «звезда», в середине которой находится центральный компьютер типа IBM PC. К ней подключается устройство распределенного обмена информацией со станками (мультиплексор).

Мультиплексор связывается кабельной сетью с контроллерами приема-передачи данных, непосредственно подключаемых к УЧПУ станков.

Контроллеры могут быть подключены к устройствам управления станками по всем доступным каналам — параллельно фотосчитывающему устройству; к каналам синхронной передачи данных; параллельно накопителям на магнитных дисках и кассетам внешней памяти; параллельно клавиатуре. Коммуникация мультиплексора и контроллеров осуществляется по двум витым парам (четыре жилы на один контроллер) с сечением 0,3 мм. Расчетное удаление мультиплексора от станков составляет до 600 м. Помехозащищенность сети достаточна для работы в цеховых условиях, включая прокладку вблизи высокочастотных генераторов электроэрозионных станков.

Контроллеры разработаны на базе микро-ЭВМ, снабжены энергонезависимой ОЗУ, обеспечивающей хранение управляющих программ объемом до 4 тыс. кадров, индикатором и клавиатурой. Объем памяти определяется системой управления станка — при наличии собственной памяти у системы управления станком объем памяти контроллера может быть существенно уменьшен. Современная реализация обеспечивает работу со всеми известными системами управления станков с ЧПУ разных лет выпуска, отечественными и зарубежными (рис. 1).

Контроллер выполняет следующие функции:

  • запрос программы, выполняемый оператором станка с помощью клавиатуры;
  • контроль передачи данных;
  • хранение программ в энергонезависимой памяти;
  • ввод программ в устройство управления станка;
  • обратную передачу программ из устройства управления станка или из собственной памяти в управляющий компьютер.

По сравнению со средствами передачи данных на магнитных носителях (магнитные ленты и диски, кассеты внешней памяти, портативные ПК) реализация связи с использованием проводной сети является более дорогой. Однако она существенно превосходит их по характеристикам надежности, эргономичности (оператор станка в нашей реализации имеет непосредственный доступ к архивам управляющих программ на цеховом компьютере, сервере или компьютере технологов-программистов при их сопряжении в сеть), возможностям организации современного программного сервиса.

Технические средства DNC создали основу для разработки программного обеспечения, образующего совместно с ними современное эффективное инструментальное обеспечение управления оборудованием с ЧПУ.

В начало В начало

Программное обеспечение DNC

Необходимость программирования для широкого парка станков и их систем управления привела к универсальной форме управляющих программ, формируемых в CAD/CAM-системах высокого уровня. Управляющие программы для станков с ЧПУ формируются в инвариантном коде, близком для различных CAD/CAM-систем. Данное обстоятельство позволило разработать программное обеспечение DNC, ориентированное на совместное использование со всеми наиболее известными CAD/CAM-системами высокого уровня.

ПО DNC включает в себя (рис. 2) графический редактор управляющих программ, позволяющий вывести изображение траектории движения инструмента и технологических параметров, а также текст программы на ПК типа IBM PC. Это может быть цеховой компьютер, в фоновом режиме управляющий станками с ЧПУ, или специализированный сервер (фронтальная ЭВМ), используемый для постпроцессирования (преобразование в коды конкретных систем управления) управляющих программ, или ПК технолога-программиста. Для визуального контроля управляющих программ в станочных кодах предназначен другой графический редактор, который позволяет оператору станка с ЧПУ ознакомиться с программой перед ее выполнением, провести имитацию обработки и внести определенные коррективы в текст программы: изменить технологические параметры обработки, отдельные участки траектории перемещения инструмента, точки начала и конца обработки, технологического останова. Пример работы редактора управляющих программ для программы гравировки клише памятного знака с гербом города Москвы, полученной в системе ГеММа-3D, показан на рис. 3. На рисунке видны главное меню редактора, графическое и текстовое окна, в которых выводится изображение траектории обработки, а также текст управляющей программы.

Генератор постпроцессоров позволяет пользователям самостоятельно создавать постпроцессоры для нового оборудования. Типичным режимом работы в этом случае является выбор наиболее подходящего постпроцессора из библиотеки с его последующей доработкой. Архив управляющих программ позволяет размещать программы в инвариантных кодах, подготовленные в известных CAD/CAM-системах, программы в кодах станков, а также программы, полученные непосредственно на станках с ЧПУ (например, в результате сканирования макетов детали или набора на пульте). Архив может целиком размещаться на диске управляющего компьютера или быть распределенным между цеховым ПК, ПК разработчиков управляющих программ, сервером локальной сети и др. Генератор и библиотека постпроцессоров также могут размещаться на цеховом компьютере, управляющем работой станков с ЧПУ, или распределяться по рабочим местам технологов-программистов. Они также могут быть сосредоточены на каком-либо фронтальном ПК, специализированном на постпроцессировании управляющих программ.

Особое значение для эффективного управления станком с ЧПУ имеет отработка исходной траектории движения инструмента. Традиционная траектория инструмента, формируемая в известных CAD/CAM-системах, представляет собой кусочно-ломаную линию, фрагмент которой показан на рис. 4а. Существенное повышение за последние годы характеристик точности станков с ЧПУ обусловливает необходимость повышения точности воспроизведения обрабатываемой поверхности в управляющих программах. Эта цель достигается за счет загущения отрезков в траектории движения инструмента. Наряду с этим наличие изломов траектории при обработке с повышенными подачами требует введения торможения при их прохождении для исключения возможных динамических ошибок. В результате эффективная подача может заметно снижаться по сравнению с расчетной. Соответственно возрастает и время обработки.

В определенной мере решением данных проблем становится гладкая аппроксимация исходной траектории обработки при ее постпроцессировании кривыми, движение по которым заложено в конкретных УЧПУ. Реализованная в модуле, включаемом в программное обеспечение DNC, гладкая аппроксимация траектории обработки, используя заложенные в устройствах управления станков возможности интерполяции, позволяет заменить ломаную на гладкую совокупность дуг окружностей (рис. 4б; для плоских траекторий), пространственных отрезков винтовых линий (рис. 4в), сплайнов различного типа (рис. 4г).

Для некоторых типов систем управления станками, которые принципиально не позволяют осуществлять передачу больших программ в режиме подкачки, в базовое программное обеспечение введены средства деления управляющих программ. С помощью нескольких определенных макропараметров конечные пользователи в состоянии настроить модуль деления программ на любую конкретную систему управления.

Разработанное сетевое программное обеспечение DNC осуществляет диспетчеризацию обменов с контроллерами станков, связь с сетевым программным обеспечением предприятия, обеспечение доступа операторов станков с ЧПУ к архиву управляющих программ, расположенному на цеховом ПК или распределенному по сети. Сетевое программное обеспечение также контролирует правильность передачи информации к контроллерам станков. При необходимости осуществляется повторная передача блоков, в которых были обнаружены сбои. Также ведется протокол взаимодействий со станками с фиксацией замеченных сбоев и отказов.

Сетевое программное обеспечение DNC может работать как в среде MS-DOS, так и Windows 95/98/NT.

Передача управляющих программ в УЧПУ станков осуществляется в двух основных режимах.

Для УЧПУ, обеспечивающих покадровое или поблочное исполнение управляющих программ, используется динамическая загрузка («подкачка»). В ней по мере исполнения загруженного сегмента управляющей программы формируется запрос и загружается следующий сегмент и т.д.

Для УЧПУ, ориентированных на выполнение только загруженных завершенных программ, осуществляется загрузка всей управляющей программы в память УЧПУ.

Для управляющих программ с объемом, превышающим объем памяти УЧПУ, может быть выполнено автоматическое деление на сегменты — ряд программ с общей точкой технологического останова. Деление выполняется по заданному объему или по времени обработки, указанному пользователем. Для того чтобы на рабочей поверхности не оставалось следов отхода, деление может быть осуществлено в точках излома траектории.

В начало В начало

Опыт применения программно-технических средств DNC

Опыт эксплуатации рассмотренного варианта программно-технических средств DNC подтверждает их высокую эффективность. Радикально возрастает надежность управления станками с ЧПУ при исключении бумажной перфоленты. По оценкам специалистов, за счет исключения сбоев в перфорации и последующем считывании информации на перфоленте программ большого объема, а также за счет скорости обмена — для трех фрезерных действующих станков достигается экономия рабочего времени, эквивалентная применению четвертого станка. Данная оценка подтверждается специалистами Раменского приборостроительного завода. Чрезвычайно важными оказываются сервисные программные средства, размещаемые на управляющем ПК в непосредственной близости от рабочих мест операторов станков с ЧПУ. Прежде всего, графический редактор, позволяющий наглядно представить программу обработки (особенно для программ, хранящихся продолжительное время в архиве) и внести в них необходимые коррективы. Архив управляющих программ обеспечивает упорядоченное хранение информации, ее модификацию и замену. Работа с архивом, заполнение его подготовленными программами и их передача на станок могут осуществляться как в сетевом, так и в изолированном цеховом варианте использования. Наличие энергонезависимой памяти в контроллерах повышает надежность работы и создает дополнительные удобства оператору станков с ЧПУ. С одной стороны, минимизируется обращение к управляющему компьютеру, с другой — достигается автономность работы станков с программами, размещенными в памяти контроллеров, включая возможность их остановки в перерывах на обед, между сменами и др.

К настоящему времени данная разработка внедрена более чем на 100 предприятиях стран СНГ различного профиля. Достигнутая надежность работы программного обеспечения и оборудования составляет 1,5-3 года наработки на отказ.

«САПР и графика» 6'2000