Циклического процесса

В зависимости от назначения станок с ЧПУ оснащается различными по сложности и бесконечными по разнообразию узлами и механизмами, выполняющими специфические функции технологического обеспечения. Однако при всем разнообразии работающие циклические узлы и механизмы состоят из ограниченного набора типовых устройств, воспроизводящих составные компоненты циклов. Этими компонентами обычно являются линейные и угловые перемещения. К числу типовых механизмов, широко применяемых в системах автоматики металлорежущих станков с ЧПУ, можно отнести электродвигатели, линейные и поворотные гидроцилиндры, гидромоторы, электромагниты, электромагнитные муфты, пневмоцилиндры и т. д. Все типовые механизмы характеризуются некоторыми выходными технологическими параметрами, например, перемещением в пространстве, скоростью перемещения, давлением, силой тока, температурой и пр.

Рисунок 9.1- Выходные сигналы х типовых механизмов

При классификации типовых механизмов прежде всего обратим внимание на область изменения значений выходного технологического параметра, для которого примем обобщенное обозначение р. Такими областями могут быть: отрезок (р_min р_mах); полуось (0;+ ∞), (0; - ∞); ось (- ∞; + ∞). Пример отрезка - линейное перемещение поршня гидроцилиндра между двумя крайними положениями. Пример полуоси - нереверсируемое вращение ротора электродвигателя. Пример оси - реверсируемое вращение ротора электродвигателя. Дополнительную группу вариантов образуют механизмы, область изменения параметра которых представляется в виде суммы двух или более отрезков. К подобным механизмам относятся, к примеру, цифровые гидроцилиндры.

С помощью элементов сравнения, сопоставляющих текущее значение параметра с заданным, область изменения параметра разбиваем на участки. К участкам отнесем фиксируемые точки, а также интервалы между ними. Теперь появляется возможность сформулировать второй классификационный признак - число разбиений области изменения технологического параметра на участки. Соответственно этому признаку выделим группы: узлы с одним участком в области изменения технологического параметра (параметр в интервале не контролируется), двумя участками (фиксируемая точка и интервал), тремя (две точки и интервал между ними) и более участками области изменения параметра.

По числу выходов - элементов сравнения х - станочные узлы могут быть классифицированы как узлы без выходов, с одним, двумя, тремя и более выходами. Наиболее распространенный выход - сигнал конечного переключателя.

По числу каналов управления zстаночные узлы могут быть классифицированы как одно-, двух-, трех- и четырехканальные в основной своей массе, а также и n-канальные в специальных и редких случаях.

Некоторые узлы способны фиксировать входное воздействие z, например, гидроцилиндры с двухсторонними двухпозиционными распределителями. Другая группа узлов к фиксации входного воздействия не приспособлена.

По характеру осведомительных сигналов с преобразователей выходы условно могут быть импульсными (рис. 9.1,а)и потенциальными (рис. 9.1 б):

Указанная классификация может быть описана на языке «грамматики существования» в форме Бэкуса-Наура следующим образом:

1).(механизм системы станочной автоматики) → (число каналов управления] (область изменения технологического параметра) (разбиения области изменения параметра на участки) (дополнительные признаки).

2).(дополнительные признаки) → (возможность фиксации входных воздействий) (число выходов) (характер осведомительных сигналов).

3).(число каналов управления) -»• 1 КАНАЛ / 2КАНАЛ / ЗКАНАЛ / 4КАНАЛ

4).(область изменения технологического параметра) → ПОЛУОСЬ | ОСЬ | ОТРЕЗОК | 2ОТРЕЗОК ...

5).(разбиения области изменения параметра на участки) → 1УЧАСТОК | 2УЧАСТОК | УЧАСТОК ...

6).(возможность фиксации входных воздействий) → ФИКСАЦИЯ | БЕЗ ФИКСАЦИИ.

7).(число выходов) → Ø | 1ВЫХОД | 2ВЫХОД | ЗВЫХОД | ...

8).(характер осведомительных сигналов) → ИМПУЛЬС I ПОТЕНЦИАЛ | Ø.

На рисунке 9.2 показаны три различных механизма, имеющих одинаковую классификационную формулу: 2КАНАЛ ОСЬ 1 УЧАСТОК БЕЗ ФИКСАЦИИ 0. Общность формулы указывает на однотипные структурные свойства этих механизмов с позиций управления.

- а - реверсируемый асинхронный двигатель;

- б - ротационный гидродвигатель;

- в - двигатель постоянного тока (регулирование его частоты вращения входит в задачу другого автомата управления)

Рисунок 9.2 - Примеры механизмов, имеющих одинаковую классификационную формулу

Все возможные варианты исполнительных механизмов станочной автоматики (т. е. объектов управления) могут быть сведены в таблицы согласно следующим правилам. Индекс таблицы (I, II, III ...) указывает на число каналов управления. Столбцы таблицы задают область изменения технологического параметра, а строки - разбиения области на участки. Каждая позиция таблицы может быть разбита на секторы соответственно дополнительным признакам. В качестве иллюстрации на рисунке 9.3 приведен фрагмент таблицы II .

Математические модели объектов управления должны отражать способ преобразования информации на входах исполнительных механизмов в информацию преобразователей выходных параметров. Это позволит абстрагироваться от несущественных с позиций управления конструктивных особенностей объектов управления. Функциональной математической моделью объекта управления может послужить ориентированный граф конечного автомата.

Вершины графа, моделирующего типовой исполнительный механизм, обозначаются разбиениями на участки области изменения технологического параметра, а дуги нагружаются входными сигналами z.

Рисунок 9.3 - Фрагмент таблицы II вариантов исполнительных механизмов

С серией классификационных таблиц, содержащих различные схемные варианты исполнительных механизмов станочной автоматики (по типу рис. 9.3), может быть сопоставлена другая серия таблиц с тем же обозначением столбцов и строк, позициями которых служат соответствующие графы состояния. На рисунке 9.4 приведен фрагмент таблицы II_оу, где индекс оу означает «объект управления», построенный для исполнительных механизмов таблицы II на рис. 9.3

Методику построения модели объекта управления рассмотрим на примере механизма, классификационная формула которого 2КАНАЛ 1ОТРЕЗОК ЗУЧАСТОК БЕЗ ФИКСАЦИИ 2ВЫХОД ИМПУЛЬС С ОТКЛЮЧЕНИЕМ (см. рис. 9.3, 9.4).

Рисунок 9.4 -Фрагмент таблицы II_оу графов состояний исполнительных механизмов

Рисунок 9.5 – Этапы построения модели объекта управления (а-в)

и модели процесса (г)

На первом этапе строим первичный граф состояний, учитывающий разбиения области изменения технологического параметра на участки. Для рассматриваемого примера таких участков будет три: поршень у левой крышки цилиндра (состояние х1), поршень у правой крышки цилиндра (состояние дх2), поршень в произвольном промежуточном положении (состояние). В этой связи первичный граф имеет три вершины (рис. 9.5, а), а переходы от вершины к вершине (т.е. от участка к участку) осуществляются в зависимости от управляющего сигнала z1 или z2.

На втором этапе дополнительно учитываем внутренние состояния узла, что увеличивает число вершин (рис. 9.5,б).Так, поршень может удерживаться у левой крышки под действием сигнала г2 или при отсутствии всяких сигналов, и по этой причине необходимо предусмотреть в графе два состояния x1. Поршень может удерживаться у правой крышки под действием сигнала zl или при одно временном отключении zl и z2, что требует введения в граф двух новых вершин х2. Поршень может находиться в промежуточном положении при движении вправо, влево и в неподвижном состоянии (когда сигналы z1и z2 сняты). Таким образом, окончательный граф должен располагать тремя вершинами (рис. 9.5,б).Соединяя вершины дугами, обозначенными сигналами перехода из состояния в состояние, получим граф объекта управления в окончательном виде.

На базе моделей типовых станочных механизмов можно разработать математические модели циклических процессов. Понятия моделей объекта и процесса следует различать. Модель объекта отражает реакции объекта на любые управления, допустимые объектом, модель процесса - конкретное поведение объекта в конкретной системе управления. Конфигурация графа состояний объекта управления зависит от особенностей органов ручного управления технологической панели. Для этого обратимся к рисункам 9.5,в. Все состояния, показанные на рисунке 9.5,в,реализуемы лишь в том случае, если органы ручного управления обеспечивают генерацию трех типов сигналов: zl, z2 и (т.е. «включено вперед», «включено назад», «выключено»). Возможно, однако, что органы ручного управления обеспечивают лишь «включено вперед» и «включено назад». В этом случае рассматриваемый граф объекта управления примет вид, показанный на рис. 9.5,г.

а - кнопка без фиксации входного воздействия; б - кнопка с электрической фиксацией входного воздействия (входное воздействие снимается нажатием сбросовой кнопки); в - кнопка с механической независимой фиксацией (входное воздействие снимается повторным нажатием той же кнопки); г - кнопка с механической зависимой фиксацией (входное воздействие снимается нажатием любой другой кнопки этого же многоканального переключателя); д - трехпозиционный переключатель с нерабочим средним положением (фиксация входного воздействия механическая); е - комбинация кнопки без фиксации и трехпозиционного переключателя

Рисунок 9.6 - Графические обозначения органов ручного управления

Графические обозначения органов ручного управления различных типов показаны на рисунке 9.6. Для той ситуации, когда число каналов управления равно двум или более двух, органы ручного управления подразделяются на три группы: без нерабочих или отключающих позиций (один из каналов постоянно включен), с нерабочими или отключающими позициями (переключение каналов выполняется через нерабочее промежуточное положение), комбинированные. Органы ручного управления первой группы приводят к более простым моделям циклических процессов, что подтверждается при сопоставлении рисунка 9.5,в и рисунка 9.5,г.

В некоторых случаях работа исполнительного механизма станка блокируется по осведомительным сигналам преобразователей значений собственного выходного технологического параметра. При построении модели циклического процесса заблокированные состояния механизма следует исключить из рассмотрения. Например, исследуем поведение объекта управления, заданного моделью, показанной на рисунке 9.5,в,в том случае, если управляющее воздействие должно быть отключено (целесообразность подобного отключения определяет конструктор) при наезде на конечный выключатель - ограничитель пути. При этом в случае срабатывания конечного выключателя х2 должен отключаться z1, а при срабатывании х1-z2. При выполнении указанных условий в графе, показанном на рисунке 9.5в, нет вершин, характеризуемых парами х1·z2 и x2·z1, а граф циклического процесса примет вид, показанный на рисунке 9.7.

Рисунок 9.7 - Пример модели поведения исполнительного механизма,

работа которого блокируется собственными датчиками

выходного параметра

Имея в виду указанные особенности органов ручного управления и возможность блокировок от собственных преобразователей, можно расширить классификационную формулу объекта управления, используемого с конкретным устройством управления: {типовой механизм системы станочной автоматики}→ (число каналов управления) {область изменения технологического параметра) (разбиения области на участки) (дополнительные признаки) (органы ручного управления) (блокируемые состояния механизма), где (органы ручного управления)→БЕЗ ОТКЛЮЧЕНИЯ |С ОТКЛЮЧЕНИЕМ| КОМБИНАЦИЯ Ø; (блокируемые состояния механизма)→Ø | z1·х1 | …| zi × xj | …| zn·xm|, i=1,…,n; j=1,…,m - соответственно индексы состояний входа и выхода, составляющих пару, определяющую конкретное внутреннее состояние механизма.

Эта формула полностью определяет поведение объекта управления в системе, а следовательно, и конфигурацию графа соответствующего циклического процесса.

Описание сложных циклических процессов в станках с ЧПУ целесообразно представлять в блочном виде. При этом чрезвычайно важен рациональный синтез таких блоков из элементарных циклических процессов, реализуемых типовыми механизмами, поскольку от состава и функций блоков будет зависеть эффективность проектирования системы управления автоматикой. В качестве основы для блочного представления циклического процесса в станках с ЧПУ используем следующие представления.

Все сложные циклические процессы, выполняемые в станках с ЧПУ, можно представить в виде циклов, операций и подопераций.

Цикл - последовательность действий, кодируемых по адресу М, S или Т. Сложный цикл складывается из последовательности технологических операций, простой - из одной операции. Операция - последовательность действий исполнительных механизмов, которая осуществляется по команде соответствующего органа ручного управления в наладочном режиме работы станка. Сложной операции соответствует последовательность подопераций, простой - одна подоперация. Подоперация - элемент циклического процесса, реализуемый типовым механизмом. Чаще типовой механизм станка с ЧПУ реализует две подоперации, составляющие полный цикл его работы, например: включение - отключение; зажим - разжим; подъем - опускание и др. Окончание подоперации фиксируется либо соответствующим преобразователем, либо сигналом об окончании требуемой выдержки времени. Каждая последующая подоперация некоторой сложной операции начинается по сигналу об окончании предыдущей безотносительно к режиму работы станка. В автоматическом режиме последующая операция некоторого сложного цикла начинается по окончании предыдущей операции, а циклы могут осуществляться параллельно.

Цикл (операцию) назовем жестким (жесткой), если после каждой предыдущей операции (подоперации) следует одна и та же последующая операция (подоперация). Цикл (операцию) назовем разветвленным (разветвленной), если за какой-либо его (ее) операцией (подоперацией) в зависимости от некоторого условия может следовать либо одна операция (подоперация), либо несколько, когда в объекте управления имеются параллельно работающие части.

Рассмотрим, например, гипотетический механизм автоматической смены инструмента для токарного станка, состоящий из циклически работающих типовых механизмов: линейного гидроцилиндра подъема-опускания манипулятора, линейного гидроцилиндра поворота манипулятора влево-вправо на 180° с реечной передачей, двух линейных гидроцилиндров зажима-разжима захватов манипулятора. Запуск типовых механизмов в режиме наладки осуществляется по командам своих двухпозиционных переключателей. Таким образом в режиме наладки могут быть осуществлены операции: подъем-опускание манипулятора, зажим-разжим захватов манипулятора, поворот манипулятора влево-вправо. Операции простые, так как каждая состоит всего лишь из одного элемента (подоперации). Операция зажима-разжима - разветвленная, так как в ней параллельно работают два типовых механизма. Весь цикл смены инструмента по команде М06 состоит из последовательности операций: опускание манипулятора; зажим захватов манипулятора (при этом один инструмент зажимается в резцедержателе, а другой устанавливается в инструментальный магазин); подъем манипулятора; поворот манипулятора на 180° влево или вправо в зависимости от того, в каком положении (правом или левом) находится гидроцилиндр поворота в исходный момент; опускание манипулятора (при этом отработанный и вновь выбранный инструмент меняются местами); разжим захватов манипулятора; подъем манипулятора в исходное положение. В автоматическом цикле каждая последующая операция начинается по сигналу окончания предыдущей. Цикл смены инструмента в данном случае сложный, состоит из семи операций. Кроме того, цикл .разветвленный, так как операции поворота манипулятора влево и вправо в циклах чередуются.

Отдельные циклические операции часто тесно связаны на уровне конструкции сложного исполнительного механизма и команд органов ручного управления. В этом случае механизм реализует лишь одну из нескольких возможных операций, причем выбор определяется положением многопозиционного органа ручного управления в наладочном режиме работы станка. Команды подобного органа ручного управления составляют полную ортогональную систему, а группы технологических операций, связанных указанным образом, являются ортогональными (т.е. взаимоисключающими). Аналогичное представление может быть введено для групп циклов, управляющие сигналы которых представляют собой взаимоисключающие коды функций М, S, Т. В качестве примеров ортогональных групп циклов можно привести группу циклов смены диапазонов частоты вращения шпинделя (коды М38—М41), группы циклов выбора направления вращения и останова шпинделя (коды МОЗ—М05) и др. Циклы поиска инструмента (ТОО Т99) и циклы включения частоты вращения шпинделя (SOO, ..., S99) также представляют подобные ортогональные группы.

Механизмы автоматики станка можно разделить на следующие функциональные группы (в зависимости от состава и взаимосвязи исполнительных механизмов конкретного станка): привод главного движения и шпиндель; приводы подачи; механизм автоматической смены инструмента; механизм автоматической смены заготовки; зажимные приспособления станка; механизм уборки стружки; система охлаждения; люнеты; задняя бабка и пиноль токарного станка и т. п. В общем случае функциональная группа циклов содержит несколько ортогональных групп циклов. Например, функциональная группа привода главного движения может иметь в своем составе ортогональную группу циклов включения направления вращения и останова шпинделя и ортогональную группу циклов выбора диапазона скорости вращения шпинделя. Состав функциональных групп в зависимости от замыслов конструктора может быть различным. Так, возможен вариант, когда механизм привода главного движения и механизм подачи СОЖ входят в различные функциональные группы механизмов, и вариант, когда указанные механизмы включены в состав одной функциональной группы. В последнем случае выбор диапазона скорости вращения шпинделя осуществляется совместно с включением охлаждения по одной и той же команде устройства ЧПУ.

Таким образом при описании конструкции металлорежущего станка с ЧПУ можно следовать такой иерархической схеме описания физической структуры оборудования (схема задана правилами формальной грамматики):

(технологическое оборудование металлорежущего станка с ЧПУ}→ →(список функциональных групп исполнительных механизмов};

(функциональная группа исполнительных механизмов} → (список ортогональных групп исполнительных механизмов};

(ортогональная группа исполнительных механизмов} → (список механизмов отдельных циклов операций};

(механизм цикла операций} → (список механизмов операций};

(механизм операции} →(список механизмов подопераций};

(механизм подоперации} →(классификационная формула типового исполнительного механизма}.

Применение подобной схемы позволяет лаконично и наглядно описать конструкцию исполнительных механизмов автоматики любого металлорежущего станка с ЧПУ.

Описание циклического процесса в сложном объекте управления можно получить из описаний циклических процессов типовых станочных механизмов, применяя конечное число формальных операций над графами элементарных автоматов. Элементарный автомат будем задавать графом, состоящим из начальной и финальной вершин, соединенных ребром, помеченным булевой функцией. К числу формальных операций относятся операции продолжения, замыкания, объединения и совмещения (табл. 3).

Таблица 3 – Операции над графами элементарных автоматов

Операция продолжения ставит упорядоченной паре автоматов Д1 и Д2 в соответствие новый автомат, обозначаемый Д1 ->Д2, который образуется наложением финальной вершины автомата Д1 на начальную вершину Д2. Операция существует для автоматов, у которых f1·f2≠0, где f1 и f2 - реберные функции автоматов Д1 и Д2 соответственно.

Операция замыкания в цикл ставит автомату Д в соответствие новый циклический автомат, обозначаемый Д°, который образуется наложением финальной вершины Д на его начальную вершину. Полученная вершина является в автомате Д° одновременно начальной и финальной. При этом f1·f2≠0.

Операция объединения ставит автоматам Д1 и Д2 в соответствие новый автомат, обозначаемый Д1 Д2, который образуется наложением начальной и финальной вершин Д1 на начальную и финальную вершины Д2. Вершина, порожденная наложением начальных вершин, становится начальной в Д1 Д2, а вершина, порожденная наложением финальных вершин, - финальной. Операция определена при ограничении f1·f3≡0.

Операция совмещения ставит автоматам Д1 и Д2 в соответствие новый автомат, обозначаемый Д1 • Д2, который образуется следующим образом. Начальная и финальная вершины Д1 накладываются на соответствующие вершины Д2. На ребре, связывающем образованные таким образом вершины, записывается конъюнкция от реберных функций Д1 и Д2. Данная операция специально введена для графов, моделирующих параллельно работающие объекты, которые имеют одинаковую структуру с точки зрения преобразования информации. Операция определена при ограничении

Рассмотрим пример сложного механизма токарного станка с ЧПУ - автоматической коробки скоростей (АКС). Частота вращения выходного вала АКС изменяется под действием управляющих сигналов z_j, воздействующих на электромагнитные муфты. Преобразователями осведомительных сигналов x_i, подтверждающих включение муфт, служат токовые реле. Функционирование АКС в наладочном и автоматическом режимах одинаково: по коду скорости вызывается соответствующая комбинация включения муфт. Каждая муфта представляет собой типовой механизм, работа которого описывается графом, показанным на рисунке 9.8, а. Каждой скорости АКС соответствует по парное (параллельное) включение двух муфт. Применяя операцию совмещения Д1-Д2 над графами отдельных муфт, можно получить графы, описывающие включение соответствующих скоростей АКС (рис. 9.8, б). Далее, учитывая, что каждая последующая скорость АКС включается только после выключения предыдущей, и применяя над графами скоростей операцию продолжения (Д1 → Д2), можем получить граф, описывающий поведение АКС в целом (рис. 9.8, в).

Рисунок 9.8 - Построение графа поведения АКС токарного станка

Описание циклических процессов в наладочном режиме можно представить в виде совокупности блоков, описывающих отдельные операции. Взаимосвязь блоков проявляется на уровне блокировок, которые войдут в описание соответствующих блоков устройства управления на последующем этапе проектирования, а на уровне данного режимного описания не учитываются. В одном блоке целесообразно описывать разветвленные операции и циклы, реализуемые сложными станочными механизмами. Как правило, каждый подобный цикл совпадает с соответствующей операцией, а каждая подобная операция совпадает с соответствующей подоперацией.

Для описания циклических процессов в автоматическом режиме возможно воспользоваться уже имеющимся описанием всех элементов автоматических циклов в наладочном режиме. Подробно такая возможность рассмотрена ниже.