автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обеспечение заданных технических характеристик токарных станков с прямоугольными системами ЧПУ на основе микропроцессорного оперативного управления

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ОПЕРАТИВНЫХ СИСТЕМ ЧПУ

1.1. Развитие элементной базы и ее влияние на способы реализации устройств ЧПУ.

1.2. Ситуация на мировом рынке систем С Л/С.

1.3. Принципы оперативного управления станками

1.4. Модификации устройств ЧПУ и классификация систем оперативного управления станками.

1.5. Архитектура однопроцессорных систем ЧПУ станками

1.6. Архитектура мультипроцессорных устройств ЧПУ.

1.7. Способы организации математического обеспечения процессорных устройств ЧПУ

1.8. Анализ деталей, обрабатываемых на токарных станках, с технологических позиций

1.9. Выводы. Цели и задачи работы.

Глава П. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА ЧПУ

2.1. Абстрактное представление устройства ЧПУ.

2.2. Информационно-лингвистическая схема математического обеспечения устройства ЧПУ

2.3. Структура данных и организация МО ЧПУ.

2.4. Организация взаимодействия интерпретаторов, входящих в состав системы ЧПУ

2.5. Выводы.

Глава Ш. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ГРАММАТИКИ ЯЗЫКА ОПЕРАТОРА

МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ЧПУ С ЗАДАННЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

3.1. Разработка форматов кадров управляющих программ токарного станка с прямоугольным ЧПУ

3.2. Разработка грамматики языка "задание на управление"

3.3. Разработка панели оператора устройства ЧПУ

3.4. Выводы

Глава 1У. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЙ МУЛЬТИПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ЧПУ С ЗАДАННЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

4.1. Разработка математического обеспечения интерпретатора int А "ввод данных"

4.2. Разработка форматов хранения управляющей программы и констант в памяти устройства ЧПУ

4.3. Разработка математического обеспечения интерпретатора int В "подготовка данных"

4.4. Выводы.

Глава У. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ АППАРАТНОЙ ОСНОВЫ УПРОЩЕННОГО УСТРОЙСТВА ЧПУ НА БАЗЕ ДВУХ МИКРО-ЭВМ.

5.1. Разработка аппаратной части модуля ввода и подготовки данных

5.2. Разработка аппаратной части модуля управления приводами подачи и электроавтоматикой

5.3. Разработка аппаратной части модуля сопряжения двух микро-ЭВМ.

5.4. Разработка протоколов обмена информацией двух микро-ЭВМ, входящих в состав устройства ЧПУ

5.5. Выводы.

Развитие техники в течение последнего полувека характеризовалось двумя направлениями. Во-первых, постоянно возрастала роль новых технологических процессов, а их внедрение было связано с созданием качественно новых машин и устройств. Во-вторых, бурными темпами развивались устройства автоматического управления, влияя на методы решения различных технических и организационных вопросов. Эти тенденции приносили новые технические решения и обнаруживали новые функциональные возможности устройств, не реализуемые ранее.

Со времени появления в 50-х годах первых систем числового программного управления (ЧПУ) их развитие определялось уровнем развития электронной техники, которая предоставляла в распоряжение разработчиков систем ЧПУ определенную базу [3Q, 71 ] . Этапы перехода от релейно-контактной элементной базы к дискретной полупроводниковой, а затем к интегральной означали эволюционное развитие устройств управления, в рамках которых расширялись их функциональные возможности. Переход к использованию мини-ЭВМ, а затем микро-ЭВМ и микропроцессоров привел к коренным изменениям в технике программного управления, к появлению устройств класса CNC (Computerized Numerical Control ) С9, 21, 53, 88, 97 J .

Использование микро-ЭВМ в структуре управления станком кардинально изменило функциональные возможности программного управления, значительно повысило надежность оборудования и снизило стоимость системы управления ¿"43, 91J .

Сегодня все большее признание получает один из функциональных вариантов устройств ЧПУ - так называемое числовое оперативное управление (0У). К классу подобных устройств относят автономные или встроенные в станок электронные системы, выполняющие такие: функции: все виды ручного управления исполнительными органами, бесперфолентный ввод программы обработки детали и ее редактирование непосредственно на рабочем месте в режиме диалогового общения с оператором; хранение программы в памяти, ее воспроизведение отдельными кадрами и в автоматическом режиме. При этом исходным для оператора документом является, как правило, рабочий чертеж детали ¿"51, 56, 60 J .

В ближайшее время ожидается дальнейшее совершенствование потребительских свойств устройств ЧПУ [15, 99J . К таким свойствам относятся удобство программирования, надежность, гибкость, расширяемость, приемлемая стоимость.

Удобство программирования обеспечивается за счет повышения уровня входного языка системы. Осуществляется постепенный переход от кода ISO к символическому представлению, отражающему привычные для технолога фразы. Разнообразие способов задания контура детали на символическом языке значительно облегчает программисту извлечение из чертежа геометрической информации.

Надежность современных устройств ЧПУ определяется отказами как аппаратных, так и программных средств. Пути повышения надежности аппаратуры к настоящему времени во многом уже определились £78, 92 J , причем здесь сыграло свою роль применение в системах ЧПУ больших интегральных схем (БИС). Устройства ЧПУ класса CNC , как правило, надежнее устройств класса А/С (Numerical Control) . Например, устройство System 7М фирмы Siemens содержит на 40% меньше электронных компонентов, чем аналогичное по своим задачам устройство ЧПУ класса NCCI4] . Отказы же программных средств обусловлены проектными ошибками. Эти отказы зачастую очень трудно обнаруживаются [17, 40 J. Поэтому важнейшей задачей сегодняшнего дня является повышение технологичности проектирования математического обеспчения систем ЧПУ.

Гибкость и расширяемость системы ЧПУ обеспечивается путем соответствующего подхода при проектировании: благодаря модульности как аппаратных, так и программных средств.

Реализация указанных свойств систем ЧПУ возможна лишь при специальном построении и программировании аппаратно-программных средств.

Аппаратная часть систем ЧПУ (в том числе оперативных) достаточно совершенна. Производители аппфатшй части ЧПУ используют БИС и системы на их основе - микро-ЭВМ [ 4, 5, 38, 537 ; при этом широко применяют унифицированные решения. При разработке же математического обеспечения (МО) систем ЧПУ все еще существуют серьезные проблемы, связанные с трудностями добавления дополнительных функций. Кроме того, непрерывное повышение уровня функциональности устройств ЧПУ ставит все новые и новые математические задачи, решение которых требует затрат, сопоставимых со стоимостью аппаратной части системы управления. Для снижения стоимости написания и отладки программ, входящих в состав МО оперативного ЧПУ, необходимо формализовать методы разработки МО. Так как функциональные возможности станков непрерывно расширяются, а конкретные производственные условия непрерывно изменяются, - формализованная модель МО должна следовать этим изменениям, обеспечивая заданные технические характеристики станка.

Целью данной работы является попытка установить возможность разработки указанной формализованной модели ЧПУ, и на основе этой модели создать методику разработки устройства оперативного управления станком.

В первой главе приведены результаты анализа аппаратных и программных средств современных процессорных устройств ЧПУ, в том числе устройств оперативного управления.

Во второй главе разработаны теоретические основы построения МО микропроцессорных устройств ЧПУ, приведена модель МО программной.части и предложены на ее основе принципы организации МО ЧПУ.

Третья глава посвящена методике разработки входного языка оператора устройства ЧПУ для токарного станка с заданными техническими характеристиками.

Программная и аппаратная части оперативной системы прямоугольного управления с ручным вводом данных для токарного станка описаны в четвертой и пятой главах.

Работы выполнена в лаборатории микропроцессорных систем управления станками кафедры металлорежущих станков в Московском ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментальном институте под руководством проф., д.т.н. Сосонкина Владимира Лазаревича.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ - ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Оперативное ЧПУ утвердилось в станкостроении как способ управления, сопро во дцаемый подготовкой управляющих программ на основе резидентных математических средств устройства ЧПУ. Анализ состояния ЧПУ и вычислительной техники, а также перспектив их развития показывает целесообразность одной из ветвей оперативного ЧПУ на основе мультипроцессорной структуры. Соответствующие устройства ЧПУ строят по модульному принципу, причем модульная организация распространяется на внешнюю конфигурацию (проблемная ориентация процессоров) и внутреннюю структуру математического обеспечения (выделение программных модулей, которые решают отдельные частные задачи ЧПУ).

2. Для подавляющего числа деталей, получаемых путем токарной обработки, достаточны недорогие упрощенные устройства оперативного управления, обеспечивающие воспроизведение сравнительно простых форм - ступенчатых валиков с канавками, фасками, резьбовыми участками. Создание устройств подобного типа требует тщательной методической проработки процедуры проектирования МО соответственно заданным техническим характеристикам станка в ситуации, когда из экономических соображений применяют недорогие микро-ЭВМ сравнительно невысокого быстродействия.

3. Проектирование МО микропроцессорных устройств управления целесообразно выполнять на основе формальных методов. С этой целью разработана модель устройства ЧПУ, в соответствии с которой устройство ЧПУ задают множеством собственных вычислений, то есть множеством состояний компонентов базы данных МО, а также множеством функций переходов этих компонентов из начального состояния в заключительное. Модель позволяет разработать модульную структуру МО устройства ЧПУ в виде совокупности взаимодействующих интерпретаторов.

4. При создании языка оператора, отражающего функциональные возможности устройства оперативного управления, исходной информацией являются требования, вытекающие из заданных технических характеристик станка. Разработка этого языка связана с разработкой форматов кадров управляющей программы, вводимых в устройство; с максимальным упрощением процесса ручного ввода путем введения многопроходных стандартных циклов и путем передачи ЭВМ некоторых типичных действий оператора; а также с выделением необходимых режимов работы устройства ЧПУ.

5. Для описания входного языка оператора может быть применена констексно-свободная грамматика, которая позволяет однозначно описать работу системы ОУ, исключить двусмысленные трактования правил работы оператора. Формальная грамматика входного языка является одновременно средством установления связи между заданны®. техническими характеристиками, станка и. особенностями МО оперативного управления, и тем самым является исходной информацией при создании МО. Грамматика, представленная графически, в виде синтаксических графов (по типу синтаксических графов языка Паскаль) может служить эффективным средством изучения правил работы с устройством.

6. Обеспечение заданных технических характеристик, отраженных входным языком оператора, заключается в разработке модуля ввода и подготовки данных. Этот модуль реализован в виде интерпретаторов, способных воспринимать синтаксически многообразные фразы и воспроизводить на выходе более простые синтаксические структуры. Именно таким образом, формируется буферный кадр с фиксированной синтаксической структурой. В процессе дальнейшей переработки управляющей информации все возрастающую роль приобретает ее семантика, что вынуждает применять иные (в сравнении с синтаксическими) методы лингвистического анализа.

Эффективным средством разработки интерпретаторов модуля ввода и подготовки данных является механизм обобщенных сетей переходов, который позволяет построить интерпретаторы в виде взаимосвязанных конечных автоматов. Тем самым сохраняется модульный принцип разработки МО и на более низком уровне - на уровне структуры самих интерпретаторов, входящих в состав МО микро-ЭВМ устройства ЧПУ.

7. Логическое согласование взаимодействующих микро-ЭВМ в мультипроцессорном устройстве ЧПУ целесообразно организовать с помощью формально заданных (с помощью формальных грамматик) протоколов обмена. Формальное представление протоколов в виде набора правил, описывающих обмен между отдельными микро-ЭВМ позволяет формализовать и саму процедуру разработки математического обеспечения обмена, которое строится по типу программно-реализованных конечных автоматов.

1. Алгоритмический язык Алгол 60. Модифицированное сообщение.- М.: Мир, 1982, 72с.

2. Антипов В.И., Потопаев В.А. Выставка 5.ЕМ0. -Станки и инструмент, 1984, №4, с.32-37

3. Архангельский В.И. Алгоритмы и техническая реализация систем прямого цифрового управления. М.: ТС-3. Автоматизированные системы управления, 1978, - 55с.

4. Балашов Е.П., Смолов В.Б. и др. Принципы построения систем ЧПУ на основе микропроцессорных регулярных систем. Приборы и системы управления, 1978, №11, - с.5-7

5. Бойко С.П., Рыбаков C.B. Применимость средств и способов оперативного контроля ЭВМ и УВМ к УЧПУ класса CNC .- Оборудование с числовым программным управлением. М.: НИИМаш, 1980, вып. 10, - с.3-6

6. Боэм Б., Браун Дж. и др. Характеристики качества программного обеспечения. М.: Мир, 1981, - 208с.

7. Вавилов A.A. Синтез позиционных систем программного управления. Л.: Машиностроение, 1977, - 280с.

8. Вальков В.М. Микроэлектронные управляющие вычислительные комплексы. Системное проектирование и конструирование. Л.: Машиностроение, 1979, - 200с.

9. Василев B.C., Розинов А.Г. Перспективы развития систем ЧПУ металлорежущими станками. Станки и инструмент, 1978, №9,- с.3-5

10. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микро-ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1983, - 382с.

11. Вен Ч. Линь. Основы конструирования цифровых систем на базе микропроцессора. ТИИЭР, 1977, №8, - с.41-63

12. Воробьев Е.М., Ломунов В.H. Формальное описание протоколов обмена многомашинной вычислительной сети. Таллин: Академия Наук Эстонской ССР, 1982, - Ile.

13. Вульфсон И.А. и др. Язык автоматизированной системы подготовки программ для станков токарной группы с ЧПУ. Станки и инструмент, 1973, №1, - с.9-10

14. Герельс Ю. Системы ЧПУ для металлорежущих станков. Фирма "Сименс". Специальный выпуск к выставке "Электро-77", 1977

15. Герельс Ю. Проблемы автоматизации станков и решения предлагаемые фирмой Сименс. М.: Симпозиум по автоматизации станков (Siemens ), январь 1983

16. Гинзбург С. Математическая теория контекстно-свободных языков.- М.: Мир, 1970, 326с.

17. Гласс Р., Нуазо Р. Сопровождение программного обеспечения.- М.: Мир, 1983, 156с.

18. Гольдин Я.Г., Мальчик А.Ю., Файнштейн Л.Н. Упрощенное устройство числового управления по постоянным программам. Станки и инструмент, 1980, №4, - с.12-13

19. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай A.M. Планирование промышленных экспериментов (модель динамики). М.: Металлургия, 1978, - Шс.

20. Грис Д. Конструирование компиляторов для цифровых вычислительных машин. М.: Мир, 1975, - 544с.

21. Громова Г.Я., Пресман B.C. Состояние и перспективы развития устройств числового программного управления. М.: НИИМаш, '1979, - 52с.

22. Гуревич В.М., Смолко Г.Г. Математическое обеспечение систем ЧПУ на основе микро-ЭВМ. Электронная промышленность, 1979, вып. 11-1223,24,25,26,27