автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и исследование программного обеспечения системы ЧПУ с открытой архитектурой для одновременного управления группой металлорежущих станков

На правах рукописи УДК 681.3.06:621.9.06

ОВНАНЯН Есан Отеллович

Разработка и исследование

/

программного обеспечения системы ЧПУ с открытой архитектурой для одновременного ■ управления группой металлорежущих станков

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков» (ЭНИМС) и АОЗТ «МШАК» (г. Ереван)

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РФ,

член-корреспондент Академии технологических наук РФ, доктор технических наук, профессор Б. И. Черпаков

Официальные оппоненты - доктор технических наук

A. И. Левин;

кандидат технических наук, доцент

B. В. Васильев

Ведущее предприятие - ОАО «ГАЗ», завод коробок скоростей

Защита диссертации состоится &'<0Л-2ООО г. в / & часов на

заседании диссертационного совета Д-169.07.61 ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков» по адресу: 117926, г. Москва, 5-й Донской проезд, 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан/^ // ь/ип. 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного сов канд. техн. наук, доцент

В.М. Гришин

тол-52-04$,О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В практике создания металлорежущих станков всё большую роль играют станки с ЧПУ. В большинстве развитых стран годовой выпуск станков с ЧПУ превышает 50%. В Японии эта цифра составляет более 85%. Важнейшим узлом таких станков является система ЧПУ (СЧПУ), функционирование которой определяет эффективность работы оборудования.

Для соответствия СЧПУ современным требованиям, таким как универсальность, адаптируемость, способность быстрого интегрирования со станком, возможность функционального расширения, необходима открытость архитектуры СЧПУ со стандартизованными интерфейсами между составляющими модулями. Открытая архитектура позволяет использовать отдельные компоненты различных систем и от разных производителей посредством применения интерфейса, реализованного в компоненте для взаимодействий с другими модулями. Такой подход допускает возможность независимого развития отдельных модулей СЧПУ, что актуально при использовании программных и электронных компонентов с высокой динамикой развития, цикл обновления которых сокращается.

Открытая архитектура должна поддерживаться не только аппаратными модулями СЧПУ, но и программным обеспечением (ПО). ПО СЧПУ должно представлять собой набор взаимодействующих программных компонентов, а при стандартизации их интерфейсов станет возможным поддержка и развитие базовых компонентов ПО отдельными фирмами-производителями. Поскольку сегодня рынка базовых компонентов ПО СЧПУ не существует, то очередным шагом в этом направлении должно стать создание многокомпонентного ПО для СЧПУ с открытой архитектурой.

Современное развитие СЧПУ и ПО дает возможность построить многостаночные обрабатывающие комплексы, управляемые одной СЧПУ. Станкостроительные выставки последних лет (в Японии в 1999 г., в Чикаго 2000 г.) показали актуальность построения таких комплексов. В диссертации подробно рассмотрены вопросы создания базового ПО для управления группой станков одной СЧПУ, что позволит повысить эффективность ее использования. В результате проведенных исследований разработано ПО «МБПАК СЫС» для СЧПУ серии МБН, которой оснащен сдвоенный вертикальный токарный станок модели 450УТ.

Цели работы:

1. Исследование функциональной модели базового ПО СЧПУ с открытой архитектурой.

2. Разработка структуры ПО СЧПУ на основе технологии многокомпонентного программирования для поддержки программным обеспечением идеологии открытой архитектуры.

3. Создание базового ПО на основе принципов объектного построения для реализации управления несколькими станками одновременно одной СЧПУ.

4. Разработка базового ПО СЧПУ с открытой архитектурой для станков токарной и фрезерной групп.

Методика исследования. В работе использован компонентный метод построения ПО СЧПУ с открытой архитектурой для управления группой станков. Теоретические исследования проводились на базе специальных разработок в теории управления методом моделирования и теории принятия решений.

В ходе экспериментальных исследований методом имитационного моделирования па программной модели отрабатывалось взаимодействие

управляющей системы с интерфейсом станка. С этой целью были созданы

специальные стенды, имитирующие работу основных узлов станка. Исследования проводились на СЧПУ, построенных на базе персонального компьютера (РС) и контроллера управления движением рабочих узлов станка.

Научная новизна. Предложен . и обоснован принцип объектно-ориентированного построения ПО СЧПУ с открытой архитектурой для реализации программного управления несколькими разными металлорежущими станками одновременно с помощью одной СЧПУ.

Предложена и экспериментально проверена единая программная инфраструктура как для управления одним станком, так и несколькими разными станками одновременно одной СЧПУ.

Разработана методика перераспределения задач СЧПУ с открытой архитектурой по составляющим компонентам в целях получения возможности построения максимально открытого ПО.

Предложено использование технологии многокомпонентного программирования для построения базового ПО СЧПУ, что в дальнейшем может служить основой стандартизации интерфейсов программных компонентов СЧПУ с открытой архитектурой;

Практическая ценность. Создано базовое ПО «МБНАК СИС» с открытой архитектурой для управления станками токарной и фрезерной групп.

Разработана универсальная система управления одновременно несколькими станками одной СЧПУ МБН М11ЬТУ, оснащенной ПО «МБНАК СЫС».

Методика функционального расширения базового ПО «МБНАК СЫС» использована для создания программных подсистем, например, САГУСАМ-система для токарных станков или программа графического отображения траектории инструмента в процессе обработки детали.

Разработаны специальные программно-инструментальные средства для диагностики состояния оборудования СЧПУ сери МБН.

Реализация работы. Программным обеспечением «МБНАК СЫС» оснащены системы ЧПУ серии МБН производства АОЗТ «МБНАК» (г. Ереван), предназначенные для станков токарной и фрезерной групп. Разработана техническая документация для сопровождения ПО «МБНАК СЫС».

Апробация работы н публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались в 1998-2000 гг. на аспирантских семинарах в ОАО «ЭНИМС». По теме диссертации опубликовано 3 статьи.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и блок-схем, 11 таблиц, список литературы из 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, а также определяются ее цели и задачи.

Первая глава содержит анализ архитектуры СЧПУ и тенденций ее развития. Традиционной архитектурой СЧПУ является закрытая архитектура, которая налагает ограничения на потребителей и разработчиков СЧПУ для металлорежущих станков. Это означает, что разработчики полностью закрывают обе главные составляющие части системы, программную и аппаратную, н отвечают за поддержку и развитие всех компонентов СЧПУ. Следствие этого - низкая динамика развития систем, раздувание инфраструктур для их разработки и поддержки, а также высокая цена конечного продукта.

При эксплуатации станков с СЧПУ закрытая архитектура создает ряд неудобств: невозможно совмещать модули от разных производителей, что не

позволяет выбирать наилучшие решения для получения систем нужного качества; частичная модернизация СЧПУ обходится пользователю достаточно дорого, а в ряде случаев её реализация вообще невозможна.

Принципиальное изменение в идеологии построения СЧПУ станка -открытость архитектуры со стандартизованными интерфейсами между составляющими модулями, которая обеспечивает системе неоспоримое преимущество - возможность унификации различных компонентов СЧПУ независимо друг от друга.

В последнее время повсеместно ведутся работы для поиска современных решений построения СЧПУ. В частности, в МГТУ «Станкин» предложена концепция однокомпьютерной СЧПУ типа PCNC на основе персонального компьютера с операционной системой (ОС) Windows. Применение ОС Windows обусловлено тем, что она является самой распространенной платформой для PC (90% всех PC в мире работают под ОС Windows) и диктует стандарты для человеко-машинных графических интерфейсов.

В диссертационной работе предлагается путем создания многокомпонентного базового ПО повысить степень открытости архитектуры СЧПУ. Для этого необходимо унифицировать компоненты базового ПО, определить и реализовать методы их расширения. Эти методы должны быть понятны другим программистам, для чего следует воспользоваться общеизвестными программными технологиями. Для реализации такой технологии может быть использована модель многокомпонентных объектов (Component Object Model - СОМ), лежащая в основе ОС Windows.

Вторая глава посвящена анализу задач СЧПУ в целях их перераспределения по архитектурным компонентам и выработке подхода к построению ПО СЧПУ с открытой архитектурой. В этой главе рассмотрены также вопросы создания ПО для управления группой станков одной СЧПУ.

Задачи управления в СЧПУ связаны с выполнением определенного класса функций, и их решение является проблемной частью построения ПО. Способы решения задач управления оказывают определяющее влияние на архитектуру системы.

В СЧПУ существуют три глобальные задачи управления: геометрическая.-обеспечение обработки детали на станке (происходит в трех последовательных . фазах преобразования геометрической информации); логическая - управление электроавтоматикой станка; терминальная - организация интерфейса оператора и взаимодействие с окружающей производственной средой. В зависимости от специфики решаемых функций задачи управления различаются требованиями, предъявляемыми ими к вычислительным ресурсам системы.

Исследование задач управления СЧПУ и современная специфика вычислительных систем показывают целесообразность построения открытых СЧПУ со следующими архитектурными компонентами: персональный компьютер для решения терминальной задачи и первой фазы геометрической задачи; контроллер управления движением узлов станка на платформе DSP (Digital Signal Processor) процессора для решения второй и части третьей фазы геометрической задачи, а также логической задачи управления станочной электроавтоматикой; привод с цифровым интерфейсом для выполнения силовой части третьей фазы геометрической задачи (силовое управление электродвигателями привода).

Использование вышеуказанных компонентов само по себе еще не означает построения СЧПУ с открытой архитектурой. Для обеспечения открытости архитектуры эти компоненты должны быть модульно независимы друг от друга.

В работе рассматривается архитектура СЧПУ серии MSH производства АОЗТ «MSHAK» (г. Ереван) с вышеуказанными компонентами.

Основные компоненты СЧПУ MSH (Рис. 1) - персональный компьютер на базе Intel Pentium в промышленном исполнении для управляющего модуля, контроллер управления движением TURBO РМАС (Programmable Multi-Axis Controller) и MACRO-станция (модуль для удаленного доступа к интерфейсу станка).

Персональный компьютер оснащен всеми стандартными аппаратными средствами. Для обмена информацией с контроллером управления движением TURBO РМАС используется ISA-шина; возможен обмен информацией через PCI-шину, а также USB-шину или последовательный порт. Повысить скорость обмена информацией между контроллером и PC позволяет оперативная память с двусторонним доступом.

Для управления движением используется контроллер TURBO РМАС фирмы Delta Tau (США), построенный на базе DSP процессора Motorola 56300. Контроллер обеспечивает управление 32 осями, произвольно сгруппированными в различные координатные системы (до 16 координатных систем), и имеет встроенную систему управления PLC с высокоуровневым языком программирования.

Управление осями, замыкание контура обратной связи, управление входами/выходами происходит через MACRO-кольцо (Motion and Control Ring Optical) с частотой передачи данных 125 Мбит/с. MACRO - это цифровой интерфейс, разработанный Delta Tau для подключения многоосевых контроллеров, приводов и устройств входов/выходов по оптическому кабелю. Оптическая сеть одновременно используется для замыкания контура обратной связи по положению и скорости, для передачи флажков состояния (ограничителей пределов, 0-позиции, ошибок), слов состояния привода, датчиков станка, информации о параметрах начальной установки привода.

MSB

L

□OOOOQOOQO

SSSBSSSO

oooi :coc

0°° •

CO Ш

□ a

TURBO PMAC для управления 32 осями и 64 PLC-профаммами

_. Огп^ческий кабель

ISA-шина

МРОЮ-станция для управления 4 осями и 144 входами/выходами

сЪ □ сЬ Цифровой привод QUAD AMPLIFIER

-- 3

24 Ю

Рис. 1. Компоненты СЧПУ серии МБН: 1 - плата выдачи ШИМ-сигнала длй 2 осей н подключения датчиков обратной связи, О-поншни и ограничителей пределов; 2 и 3 - платы для управления 4 осями и 144 входами/выходами соответственно; 4 - платы 24 оптошолированных входов/выходов

MACRO-станция служит для управления 8 осями и входами/выходами дискретной информации и позволяет удалять компьютер с контроллером от интерфейса станка до 1000 метров. В памяти микропроцессора MACRO-станции записаны программы управления оборудованием конкретного типа, цифрового задания амплитуды, частоты и фазы синусоидального сигнала для 1-, 2- и 3-фазного управления, задания ШИМ-сигналов, накопления данных от энкодера для двигателей различных типов (асинхронных, коллекторных, вентильных, постоянного тока и шаговых) и датчиков положения.

Для построения ПО СЧПУ с открытой архитектурой необходимо представлять его как набор взаимосвязанных РС-ориентированных программных компонентов, каждый из которых предназначен для выполнения определенных функций. На Рис. 2 приведена разработанная схема объектов базового ПО и их основные взаимосвязи. Все объекты сгруппированы по функциональному признаку.

Объект 1, с загрузки которого начинает работу ПО СЧПУ. Этот объект из установочного файла распознает специфику архитектуры СЧПУ MSH Compact и устанавливает связь с аппаратными компонентами системы. Кроме того, ПО определяет число станков, которыми должна управлять загружаемая программа, и в соответствии с этим динамично создает необходимое количество объектов 4, передавая этим объектам требуемые конфигурационные данные. Каждый созданный объект в свою очередь, исходя из полученных конфигурационных данных, создает свои группы объектов 2, которые в совокупности отвечают за управление одним станком.

Все базовое ПО СЧПУ можно разделить на четыре функциональные части.

I. Объекты 3, реализующие интерфейс с оператором:

редактор УП выполняет все стандартные функции редактирования, которые приняты в Windows;

Набор объектов для управления одним станком

ИЕЬ

Главная программа ОТ

Загрузка ПО Инициализация

Реализация части интерфейса пользователя Создание объекта, управляющего взаимодействием объектов ПО

Объекты ПО

• РедакгированиеУП

• Редактирование параметров инструментов

• Индикация позиции инструмента в разных координатных системах

• Редактирование смещений координатных систем

• Управление временными характеристиками работы СЧПУ

• Синхронное обновление данных о состоянии выполняемой УП

• Отображение сообщений оператору

• Диагностика

Объект создания объектов ПО

• Создание объектов ПО

• Управление взаимод ействием визуальных объектов

• Создание и инициализация структур данных

• Создание объекта, управляющего логикой работы системы

ш

Объект, управляющий логикой работы системы

Программы, расширяющие ПО

• Функционально расширенное управление БД инструментов

• Отображение траектории движения инструмента

• Создание полностью графического интерфейса генерацииУП

• Диагностика (удаленная, на месте)

• Воздействие на ход выполнения УП

11

СОМ, ОСОМ

5

Объект лексического анализа

• Лексический анализатор УП

• Подготовка УП к выполнению

ш

-н

Объект - транслятор и имитатор УП ■ Решение задач параметрического программирования УП

• Трансляция и имитация УП

• выработка графическихданных

• Загрузка имитированных команд УП а буфер имитатора

Объект кольцевого буфера имитатора

Л

3!

Объект загрузки команд из буфера имитатора' в буфер контроля ера управления движением

10

Драйвер коммуникации с контроллером управления движением

Контроллер управления движением

Рис. 2. Объекты базового ПО СЧПУ

редактор параметров инструментов позволяет редактировать числовые значения их геометрических параметров и выполняет различные сервисные функции, необходимые для использования инструмента. Например: стойкость

инструмента, номер заменяемого инструмента, величина его износа; отображение и редактирование данных о состоянии магазина инструментов;

индикатор положения инструмента в различных координатных системах. Как правило, координатная система, используемая при программировании УП, и реальная (физическая) координатная система станка не совпадают друг с другом. Для удобства оператора в системе есть возможность программирования и задания разных координатных смещений;

редактор для задания рабочих координатных смещений, используемых в функциях с 054 по 059;

объект управления временными характеристиками работы СЧПУ предназначен для получения следующей информации: времени функционирования СЧПУ, времени обработки детали (или её поверхности), времени холостого хода и др. Эти данные могут быть получены как для всего срока функционирования СЧПУ, так и для текущего сеанса работы. Объект осуществляет также функции счетчика обрабатываемых деталей, давая команду на прекращение работы станка после выполнения заданного числа циклов;

объект синхронного обновления данных о состоянии выполняемой УП. Поскольку трансляция ' УП и выполнение сгенерированных блоков асинхронны, то необходимо организовать структуры данных о состоянии УП, с помощью которых можно синхронно отображать ей текущее состояние;

объект отображения сообщений оператору. Эти сообщения можно сгруппировать следующим образом: ошибки, которые необходимо устранить, прежде чем можно будет продолжить работу станка; ошибки, приводящие к необходимости остановки СЧПУ для совершения оператором тех или иных действий (например, ручного переключения скоростей вращения шпинделя); сообщения о текущем состоянии узлов станка (например: инструмент не

закреплен в патроне); сообщения о состоянии оборудования в данный момент времени (например: не закрыта дверца электрошкафа);

объекты диагностики представляют собой программные средства для выполнения детальной диагностики оборудования СЧПУ;

II. Объект 5 (см. Рис. 2), управляющий логикой работы СЧПУ. Через этот объект проходят все потоки данных разных компонентов ПО. Объект служит также связующим звеном для них.

III. Объекты 6 предназначены для трансляции и графической имитации выполнения УП. Функциями объектов являются: лексический анализ (объект 7) УП, подготовка УП к отработке, трансляция УП, генерация блоков команд для загрузки в буфер транслятора (объект 9), загрузка сгенерированных блоков ISO-команд в контроллер, расчет графических данных для статического отображения траектории движения инструмента. Основные функции объектов данной группы выполняются в двух параллельных потоках: один - трансляции и имитации УП (объект 8), другой - загрузка командных блоков в контроллер (объект 10). Эти два потока работают параллельно главному потоку ПО ЧПУ, в котором в основном реализован интерфейс оператора.

IV. Объекты 11 являются расширениями базового ПО СЧПУ.

Анализ функциональных возможностей контроллера РМАС показал, что при соответствующей организации программ управления движением узлов станка и программ электроавтоматики можно одновременно управлять несколькими станками, используя один контроллер. Это достигается благодаря способности контроллера управлять 32 осями, которые могут быть сгруппированы в 16 координатных систем, а также возможности использовать 64 программы управления электроавтоматикой станка. В результате экспериментов по управлению двумя станками разработана структура ПО (Рис. 3.).

PC

Процесс управления всеми станками

Поток управления 1-м станком

Синхронизация блокировки буфера обмена данными^,-'

Поток управления 2-м -станком_

Координатная система 1

TURBO РМАС

Координатная система 2

Рис. 3. Прппципналышя структура ПО персонального компьютера и программ контроллера

В PC процесс управления всеми станками происходит в рамках одного виртуального адресного пространства: распараллеливание управления отдельными станками производится с помощью механизма потоков (threads). В контроллере управления движением создаются координатные системы для каждого станка. Потоки управления станками при работе с соответствующими координатными системами синхронизируют свои действия для избежания накладок при обмене данными с контроллером.

В третьей главе на основе методологических разработок ПО СЧПУ с открытой архитектурой рассмотрены примеры реализации основных экранных форм, меню оператора и параметрического языка УП для металлорежущих станков.

Программное обеспечение «MSHAK CNC», разработанное с помощью программно-инструментальной системы Borland С++ Builder, представляет собой полностью 32-битовую программу, работающую в ОС Windows 95/98/NT/2000. Экранные формы и меню оператора реализованы с учетом стандартов и традиции программирования GUI (Graphics User interface) в ОС Windows.

Экранные формы - это визуальный образ базовых объектов ПО. Важной частью ПО является язык задания УП. Для обеспечения полной функциональности ПО для обработки, детали на станке язык УП должен расширяться правилами параметрического программирования.

При разработке ПО учтено, что в цеховых условиях использование мыши -главного средства для работы с графической подсистемой - затруднено. Поэтому при разработке графической подсистемы особое внимание уделено клавиатуре как наиболее оперативному инструменту ведения диалога оператор-СЧПУ. Главное меню ПО имеет инструментальную панель выбора экранных форм с помощью функциональных клавиш Р1-Р10. В зависимости от выбранного режима работы СЧПУ экранные формы и назначение функциональных клавиш меняются. Главная экранная форма ПО «МБНАК СЫС» приведена на Рис. 4.

штюттмшт&л

Act»« 6 Codes

IGlj 619 '¡ISO

G34 G21 (Hi

Ü2I «« Wrt

Ql,< Gisa Gki <S«

fMrfRau tu»

Actual Ovnmide Proqtam '

at loax 3Í40H •

Spnfc RPM

Actual Owurrda program

u m s»« .

МАЛ not CSSOFF Lout Ш IBDX

Act* OHm* Wm Ottacl

ToolN I XBCM 0K»ei m i z в ooa-

Program Pos X -0.001 ад Z 0.000 mm

Start At а Ояе II Manual

Axis Z Camtnou«

Ftotaiy Open Stopped

Stop

laPosAoiv*

Command Pos X 4 302 ram; Z 60.915 mm

Dist To Co X Q.OOOmrn Z 0.000 mm

Machine Pos X 35.349 mm Z 64,085 mm

Ft F3 F1 И Fb Ffi . F7; FB Я Ft«

Ро* Prog Edltoc Toot* Ott.Bt Setting« Dim] Oper МосЫл Meatage

Рис. 4. Главная экранная форма ПО «М5НАК СМС»

В четвертой главе приводится пример использования ПО «MSHAK CNC» для управления сдвоенным вертикальным токарным станком 450VT, производимого ОАО «Стерлитамак МТЕ» для ОАО «ГАЗ».

Проект использования ПО «MSHAK CNC» с системой MSH MULTY, реализованной на основе стандартной СЧПУ MSH Compact, служит примером перспективности развития СЧПУ с открытой архитектурой. Система MSH MULTY и ПО «MSHAK CNC» вместе обеспечивают эффективное использование стандартной инфраструктуры управления как одним станком, так и многостаночным обрабатывающим центром.

Структурная схема станка 450VT приведена на Рис. 5. Станок предназначен для токарной параллельной обработки двух разных деталей с встроенным механизмом транспортирования заготовки с одного токарного модуля на другой.

Оригинальность проекта MSH MULTY состоит в использовании одной системы СЧПУ MSH Compact для независимого управления процессом обработки на нескольких станках (в данном случае на двух токарных) одновременно. Структурная схема MSH MULTY приведена на Рис. 6 (детальная схема СЧПУ серии MSH представлена на Рис. 1). В СЧПУ многостаночными обрабатывающими центрами для удобства работы оператора имеются по одному станочному пульту оператора для каждого станка (см. Рис. 6). Это требуется также для обеспечения оперативности вмешательства оператора СЧПУ в процесс работы отдельного станка.

В станке 450VT используются 6 координатных осей в двух координатных системах - по одной координатной системе для каждого токарного модуля. Синхронизация и взаимодействие между станками происходит на уровне PLC. Для двух токарных станков применяются две MACRO-станции, которые управляются одним контроллером TURBO РМАС. Персональный компьютер СЧПУ MSH MULTY оснащен процессором Intel Pentium 233 MHz с

оперативной памятью 32 Мбайт, HDD 4.2 Гбайт и 14-дюймовым жидкокристаллическим плоским монитором.

1-й токарн ый станок

LT

2-й токарный станок

TJ

СО

Управляющая станция СЧПУ MSH MULTY

Г

Рис. 3. Структура сдвоенного вертикального токарного станка 4эОУТ с ЧПУ

Оператор может параллельно запускать разные УП на станочных модулях, независимо друг от друга менять режимы работы СЧПУ, проводить независимую диагностику оборудования.

ШШ

га

Пульт оператора для работы с двумя станками

Контроллер TURBO Р MAC

- Hllllllilllll-

П

IS А-шина

PC

Монитор Клавштура Пульт оператор» Носители шмятн Подключена к сетям

Оптическая сеть

MACRO

Станция для интерфейса 1-го станка

Станция для интерфейса 2-го станка

MACRO е

Рис. 6. Структурная схема системы ЧПУ MSH MULTY

Этот пример показателен как с точки зрения перспективности развития многостаночных систем, так и возможностями управления нестандартным станком системой ЧПУ серии MSH.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Перспективность построения СЧПУ с открытой архитектурой определяется тем, что различные аппаратные составляющие, изготовляемые разными фирмами, широко применяются в разных областях техники в качестве компонентов. Эти обстоятельство способствует их унификации, а также оптимизации при использовании.

2. Базовое ПО для поддержки идеологии открытой архитектуры СЧПУ должно представлять собой набор взаимодействующих программных компонентов, что при дальнейшей стандартизации их интерфейсов будет способствовать созданию рынка компонентов ПО для указанных систем.

3. Архитектура разработанного ПО построена с такой глубиной объектно-ориентированной декомпозиции, что позволяет путем динамичного создания и связывания соответствующих программных компонентов одновременно управлять группой станков (до 8) от одной СЧПУ. Эти возможности были использованы при оснащения сдвоенного вертикального токарного станка 450VT системой ЧПУ MSH MULTY с ПО «MSHAK CNC».

4. Программное обеспечение «MSHAK CNC» предоставляет единую инфраструктуру управления как одним станком, так и многостаночным обрабатывающим центром без ограничения возможностей СЧПУ. Это повышает эффективность использования ПО.

5. При создании ПО СЧПУ с открытой архитектурой, начиная со стадии постановки задач, необходимо применять технологическую модель многокомпонентного программирования COM (Component Object Model), поскольку эта модель встроена в Windows и не требует использования дополнительных программных инфраструктур.

6. В базовое ПО СЧПУ с открытой архитектурой не должны включаться задачи, решаемые в реальном масштабе времени (интерполяция, цифровой

привод). Для реализации этих задач рекомендуется применять отдельные аппаратно-программные средства, которые оптимизированы и унифицированы для решения именно такого рода задач в различных областях техники.

7. Базовое ПО СЧПУ с открытой архитектурой должно решать терминальную задачу полностью и часть геометрической задачи до интерполяции траектории координатных перемещений.

8. Реализация основных объектов разработанного базового ПО модели «MSHAK CNC» обеспечивает полноценное управление станками токарной и фрезерной групп. Базовые объекты наделены свойствами параметрической настройки для управления оборудованием конкретных типов.

Основное содержание диссертации опубликовано в статьях:

Овнанян Е. О. Использование комплектного электрооборудования с открытой архитектурой при создании и модернизации станков // Научно-исследовательские работы в области станкостроения: Сб. науч. трудов. - М.: ЭНИМС, 2000. - С. 39-47.

Овнанян Е. О. Развитие СЧПУ с открытой архитектурой // Приводная техника. - 2000. -N3.-C. 55-58.

Погосян Л. Р., Бабаян К. С., Овнанян Е. О. Опережающий просмотр в системах ЧПУ MSHAK-NC// СТИН. - 2000. N12 (в печати)

Зак. 5-80-2000 ОАО «ЭНИМС»

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1: АРХИТЕКТУРА СИСТЕМ ЧПУ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМИ СТАНКАМИ.

1.1 Архитектура СЧПУ.

1.2 Базовое ПО СЧПУ «РМАС NC».

1.3 Выводы.

ГЛАВА 2: ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПО СЧПУ С ОТКРЫТОЙ И УНИВЕРСАЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ.

2.1 СЧПУ с открытой архитектурой серии MSH.

2.2 Основы архитектуры ПО СЧПУ.

2.2.1 Геометрическая задача.

2.2.2 Логическая задача управления электроавтоматикой станка.

2.2.3 Терминальная задача.

2.3 Основные положения технологии разработки ПО СЧПУ с открытой архитектурой.

2.3.1 Подход к разработке больших программных систем.

2.3.2 Подход к разработке многокомпонентного ПО.

2.3.3 Структура ПО для управления группой металлорежущих станков.

2.4 Объекты базового ПО.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3: РЕАЛИЗАЦИЯ ПО СЧПУ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМИ СТАНКАМИ С ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРОЙ.

3.1 Реализация графической подсистемы и режима диалога оператор - СЧПУ.

3.2 Диагностика оборудования.

3.3 Реализация параметрического языка УП.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4: ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЧПУ СЕРИИ «MSH» НА СТАНКЕ МОДЕЛИ 450VT С ПО «MSHAK CNC».

4.1. Структура СЧПУ МБН \1ULTY.

4.2. Работа оператора ПО СЧПУ.

4.3. Выводы.

ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

В практике создания металлорежущих станков всё большую роль играют станки с ЧПУ. В большинстве развитых стран годовой выпуск станков с ЧПУ превышает 50%. В Японии эта цифра составляет более 85%. Важнейшим узлом таких станков является система ЧПУ (СЧПУ), функционирование которой определяет эффективность работы оборудования [27, 28].

В последнее время получает развитие новое направление в автоматизации заводского производства: в автоматическом управлении металлорежущими станками происходит массовый переход к открытым и модульным решениям [57].

Для достижения соответствия систем ЧПУ современным требованиям: универсальность, адаптируемость, способность быстрого интегрирование со станком, функциональная расширяемость - необходима открытость архитектуры СЧПУ со стандартизованными интерфейсами между составляющими модулями (архитектурой СЧПУ называют состав, назначения и порядок взаимодействия программно аппаратных средств, привлекаемых для решения задач ЧПУ)

В процессе функциональной адаптации и расширения СЧПУ составляющие модули системы не должны изменятся, а модули, обеспечивающие новые возможности, должны динамично интегрироваться с базовой системой. Открытая архитектура позволяет использовать отдельные компоненты СЧПУ от разных систем и от разных производителей посредством применения описанного интерфейса реализованного в компоненте для взаимодействий с другими модулями.

Необходимое требование при разработке компонентов долгосрочная поддержка уже разработанных и внедренных интерфейсов. Развитие отдельного компонента с использованием новых функциональных возможностей происходит посредством расширения интерфейса, который должен обеспечить бесконфликтную совместимость со старым интерфейсом. Это важно для продолжения использования компонента в системах, поддерживающих старый интерфейс. Такой подход допускает возможность независимого развития отдельных модулей системы, что актуально при использовании программных и электронных компонентов с высокой динамикой развития, цикл обновления которых сокращаться. Поэтому становится целесообразным такое архитектурное решение СЧПУ станком, при котором возможна замена компонентов во время перепроектирования или модернизации без дополнительных затруднений и затрат. Эти требования имеют решающее значение при выборе идеологии построения СЧПУ. Открытую архитектуру построения должны поддерживать как программное обеспечение (ПО), так и аппаратные компоненты СЧПУ.

Данная диссертационная работа посвящена проблемам разработки ПО СЧПУ металлорежущими станками с открытой архитектурой. При разработке

ПО в таком случае следует учитывать необходимость его соответствия требованиям, предъявляемым к системе с открытой архитектурой. По традиционным технологиям разработки ПО [39] программный продукт приходится создавать почти всегда с нуля, и разработчики ПО вынуждены заново решать задачи, уже много раз решенные ранее. В результате новые программные продукты создавались крайне медленно, функциональное развитие ПО было затруднительно. Классические технологии разработки ПО не позволяют создавать программные продукты, которые могли бы в полной мере поддерживаться и расширятся третьими фирмами [60, 61, 66, 68]. Все эти ограничения препятствует разработке ПО с открытой архитектурой. В данной работе предлагается применение многокомпонентной технологии программирования при разработке ПО СЧПУ с открытой архитектурой для металлорежущих станков.

Поскольку ПО взаимодействует почти со всеми аппаратными компонентами СЧПУ, то оно должно разрабатываться с учетом сохранения независимости от построения разных аппаратных компонентов, чтобы свести к минимуму изменения в программах при их замене, так как пересмотр программного кода влечет за собой большие, часто не предусмотренные, экономические и временные издержки.

Целевой продукт с открытой архитектурой в нашем случае может быть получен путем системной интеграции, т. е. стыковки системных модулей.

Исследование проводились на СЧПУ серии MSH, изготовляемой АОЗТ «MSHAK» (г. Ереван). Результатом исследований, выполняемых в рамках диссертационной работы, явилась система ПО MSHAK CNC.

Современные СЧПУ позволяют управлять обрабатывающими центрами (ОЦ) состоящими из нескольких станков одной системой ЧПУ. Актуальность построения таких обрабатывающих центров подтвердил выставка станкостроения в Чикаго (2000 г.), на которой в частности были представлены вертикальные двухшпиндельные ОЦ моделей VSC 250 DUO и VSC 400 DUO компании EMAG (Германия). Благодаря модульному принципу построения станочные модули указанных ОЦ можно использовать отдельно для обработки разных заготовок и совместно для последовательного выполнения различных технологических операций обработки одной и той же заготовки.

Примером многостаночного-ОЦ отечественного производства может служить сдвоенный вертикальный токарный станок модели 450VT производства ОАО «Стерлитамак МТБ».

Благодаря предложенным в диссертации подходам получена система, позволяющая от одного СЧПУ серии MSH управлять одновременно несколькими разными станками, каждый из которых может работать по своей управляющей программе (УП). Разработанным в рамках диссертационной работы программным обеспечением модели «MSHAK 7

СЫС» был оснащен система СЧПУ МЗН МИЬТУ, которая была применена для управления станком модели 450УТ.

ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Растущие требования потребителей к функциональным возможностям СЧПУ неизбежно приводит к усложнению их программного обеспечения. Жестокая конкуренция на рынке требует от разработчиков нахождения путей для снижения себестоимости СЧПУ и их ПО. Оптимизация разработки многофункционального программного продукта является актуальной задачей, стоящей перед разработчиками ПО СЧПУ.

В результате исследований и разработки ПО СЧПУ с открытой архитектурой можно делать следующие выводы.

1. Перспективность построения СЧПУ с открытой архитектурой определяется тем, что различные аппаратные составляющие, изготовляемые разными фирмами, широко используются в разных областях техники в качестве компонентов. Эти обстоятельство способствует их унификации и оптимизации при использовании.

2. Базовое ПО для поддержки идеологии открытой архитектуры СЧПУ должно представлять собой набор взаимодействующих программных компонентов, что при дальнейшей стандартизации их интерфейсов будет способствовать созданию рынка компонентов ПО для указанных систем.

3. Архитектура разработанного ПО построена с такой глубиной объектно-ориентированной декомпозиции, что позволяет путем динамичного создания и связывания соответствующих программных компонентов одновременно управлять группой станков (до 8) от одной СЧПУ. Эти возможности были использованы при оснащения сдвоенного вертикально токарного станка модели 450YT системой ЧПУ MSH MULTY с ПО «MSHAK CNC».

4. Программное обеспечение «MSHAK CNC» предоставляет единую инфраструктуру управления как одним станком, так и многостаночным обрабатывающим центром без ограничений возможностей СЧПУ. Это поднимает эффективность использования ПО.

5. При создании ПО СЧПУ с открытой архитектурой, начиная со стадии постановки задач, необходимо применять технологическую модель многокомпонентного программирования COM (Component Object Model), поскольку эта модель встроена в Windows и не требует использование дополнительных программных инфраструктур для создания открытого ПО.

6. В базовое ПО СЧПУ с открытой архитектурой не должны быть включены задачи, решаемый в реальном масштабе времени. Для реализации этих задач (интерполяция, цифровой привод) рекомендуется применять отдельные аппаратно-программные средства, которые оптимизированы и унифицированы для решения именно такого рода задач в различных областях техники.

7. Базовое ПО СЧПУ с открытой архитектурой должно решать терминальную задачу полностью и часть геометрической задачи до интерполяции траектории координатных перемещений.

137

8. Реализация основных объектов разработанного базового ПО модели «М8НАК С1ЫС» обеспечивает полноценное управление станками токарной и фрезерной групп. Базовые объекты наделены свойствами параметрической настойки для управления конкретным типам оборудования.

1. Байков В.Д., Вашневич С.Н. Решение траекторных задач в микропроцессорных системах ЧПУ/ Под ред. В.В. Смолова. Л.: Машиностроение, 1985. - 106 с.

2. Бржозовский Б. М., Мартынов В.В. Задачи ЧПУ. Саратов: 1998. - 76 с.

3. Ващенко Ю.Л. Автоматизация анализа технологических процессов при решении задач оптимизации. Минск: Ин-т техн. кибернетики, 1985. -96с.

4. Гжиров Р.И., Обольский Я.З., Серебреницкий П.П. Автоматизированное программирование обработки на станках с ЧПУ. Л.: Лениздат, 1986. -176 с.

5. Гжиров Р.И., Серебреницкий П.П. Программирование обработки на станках с ЧПУ. Л.: Машиностроение, 1990. - 588 с.

6. Гибкие производственные комплексы/ Под ред. П.Н. Белянина, В.А. Лещенко. -М.: Машиностроение, 1984. 384 с,

7. Гибкие производственные системы. Технологическая подготовка производства. Общие положения: РД 50-619 86 - М.: Изд-во стандартов, 1987.-64 с.

8. Грачев Л.Н, Гиндин Д. Е. Автоматизированные участки для токарной размерной обработки деталей. М.: Машиностроение, 1981. - 240 с.

9. Грачев JI.H., Косовский В.Л. Конструкция и наладка станков спрограммным управлением и роботизированных комплексов. М: Выш. шк. 1986.-286 с.

10. Ш.Грачев Л.Н., Сахаров М.Г., Антипов В.И. Автоматическое управление точностью обработки на токарных станках с ЧПУ. М.: НИИмаш, 1982. -64 с.

11. Гуревич В.М., Григорян А.К. Программируемая электроавтоматика систем ЧПУ «Электроника НЦ 80-31». М.: ЭНИМС, 1983. - 118 с.

12. Гусев И.Т., Елисеев В.Г., Маслов A.A. Устройство числового программного управления. -М.: Машиностроение, 1986. 296 с.

13. Дерябин А.Л. Программирование технологических процессов для станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1986. - 246 с,

14. Диалоговое проектирование технологических процессов/ Под ред. С.И.Булатова. М : Машиностроение, 1983. - 254 с.

15. Евгенев Г. Б. Основы программирования обработки на станках с ЧПУ. -М.: Машиностроение, 1983. 304 с.

16. Захаров Н. П., Хомяков К. С. Конструкция периферийных устройств ЭВМ,- М.: Радио и связь, 1984. 256 с.

17. Работа оператора на станках с программным управлением. М.: Высш. шк., 1981.- 136 с.

18. В.Кошкин В. Л. Аппаратные системы числового программного управления.-М.: Машиностроение, 1989. 246 с.

19. Косовский В. JI. и др. Программное управление станками и промышленными роботами М: Высш. шк.,1986. - 286 с.

20. Концепция однокомпьютерной системы ЧПУ типа PCNC/7 Информатика-Машиностроение. 1999.-^4(26). - С. 7-15.

21. Логашев В. Г. Технологические основы гибких автоматических производств. Л.: Машиностроение, 1985. - 320 с.

22. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. -320 с.

23. Марголит Р. Б. Наладка станков с программным управлением. М.: Машиностроение, 1983. - 254 с.

24. Металлорежущие станки / Н. С. Колев, Л.В Красниченко, Н. С. Никулин и др. М.: Машиностроение, 1980 . - 600 с.

25. Микропроцессорная техника в металлорежущих станках с ЧПУ: Сб. науч. трудов/ Под ред. В.А. Кудинова,-В.А. Ратмирова. М.:ЭНИМС, 1983. -128 с.

26. Многоцелевые системы ЧПУ гибкой механообработкой/ Под ред.

27. В.Г. Колосова. Л.: Машиностроение, 1984. - 224 с.

28. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2-х т. Т.1 Л.: Машиностроение, 1983. - 408 с.

29. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2-х т. Т.2 Л.: Машиностроение. 1983.-376 с.

30. MSHAK CNC: Руководство пользователя. Ереван, 2000. - 120 с.

31. MSHAK CNC: Руководство интегратора. Ереван , 2000. - 120 с.

32. ЗЕНевельсон И.С. Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках. Л.: Машиностроение, 1982. - 184 с.

33. Некоторые принципы разработки систем ЧПУ нового поколения.// СТИН-2000. -Л/9.- С. 24-29.

34. Обработка корпусных деталей крупными сериями намногоинструментальных станках с ЧПУ./ Под ред. М. Е. Юхвида. М.: ЭНИМС, 1982.-25 с.

35. Определение экономической эффективности металлорежущих станков с ЧПУ. М.: НИИмаш. 1984. - 104 с.35.0сипова С. С. Методы программирования на сверлильных и расточных станках с программным управлением. М.: Машиностроение, 1976. -120 с.

36. Панов Ф.С., Травин А. И. Работы на станках с числовым программным управлением. Д.: Лениздат, 1984. - 278 с.

37. Параметрическое программирование для станков с ЧПУ. М.: ЭНИМС, 1986.-29 с.

38. Поснов H.H. Арифметика вычисления машин в упражнениях и задачах. -Минск: Университетское Изд-во, 1984.-221 с.

39. Программное обеспечение системы ЧПУ. М.: ЭНИМС, 1983. - 228 с.

40. Программное управление станками/ Под ред. В. Л. Сосонкина. М.: Машиностроение, 1981. 398с.

41. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. В 3-х т. -Т 2. Расчет и проектирование узлов и элементов станков / Под общ. ред. А. С. Проникова. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана; Машиностроение, 1995.-320 с.

42. Пуш В. Э. и др. Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1978. -318 с.

43. Ратмиров В. А. Основы программного управления станками. М.: НИИмаш, 1983,- 50 с.

44. Ратмиров В. А., Чубуков А. С. Математическое обеспечение систем ЧПУ шлифовальными станками. М.: НИИМаш, 1983. - 64 с.

45. Соломенцев Ю.М., Сосонкин В. Л. Управление гибкими производственными системами. -М.: Машиностроение, 1988. 352 с.

46. Сосонкин В. Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками. М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

47. Станки с числовым программным управлением/ В. А. Лещенко,

48. Н. А. Богданов, И. В. Вайнштейн и др. 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1988.-568 с.

49. Старков В. К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984. 120 с.

50. Технология обработки на станках с программным управлением/

51. М. А. Эстерзон и др. М.: НИИмаш, 1974. - 150 с.

52. ЗО.Техтран система программирования оборудования с ЧПУ/

53. А. А. Лиферов и др. JL: Машиностроение,1987. - 110 с.

54. Типовые комплексно-автоматизированные участки типа АСВ из оборудования с ЧПУ с применением ЭВМ. М.: НИИмаш , 1983. - 41 с.

55. Фрумин Ю.Л. Комплексное проектирование инструментальной оснастки. М. Машиностроение, 1987 - 344 с.

56. Шарин Ю. С. Обработка на станках с ЧПУ. М.: НИИмаш, 1982. - 38 с.

57. Шарин Ю. С. Технологическое обеспечение станков с ЧПУ. М.: НИИмаш, 1982.-38 с.

58. A Compiler Generator / W. М. McKeeman, J.J. Horning PRENTICE-HALL., Englewood Cliffs, N. J., 1980 - 527 p.

59. CAD/CAM computer-aided design and manufacturing / Mikell P. Groover, Emory W. Zimmers, Jr. Rrentice Hall of India, 1998. - 485 p.

60. Computer numerical control: From programming to networking / S.C. Jonatahan Lin Delmar Publishers Inc. 1994. - 860 p.

61. Computer Numerical Control: Concepts and Programming / Seames Inc. 1993. -435 p.

62. Fundamentals of Computer Numerical Control /' Luggen Inc. 1993. 560 p. 60.Instant CORBA / Robert Orfali, Dan Harkey, Jen Edwards. - John Wiley &

63. Sons, Inc. 1997.-318 p. 61 .Instant COM. / Robert Orfali John Wiley & Sons. Inc. 1997. - 310 p. 62.Linux Core Kernel Commentary. / Scott Maxwell - CoriolisOpen Press. 2000. -500 p.

64. Microsoft COM Specification Reference. Available from Microsoft FTP site.

65. Microsoft System Journal Q&A. - 1996, April. - 89 - 101 p.

66. Microsoft Windows Resource Kit / Microsoft corporation Microsoft Press, 1996.-620 p

67. Lion's Commentary on Unix / John Lions CoriolisOpen Press, 1985. - 400 p 67.OLE Automation Programming Reference. - Redmond, WA: Microsoft Press,1996.-300 p.

68. Open systems for new engines // AMD&C Europe, 2000 - N2.

69. Understanding ActiveX and OLE / David Chappell Microsoft Press - 1996. -320 p.

70. ЗЕС 0Л0*ГАЗ"^ с УЧПУ ^яптт, 23ПП0Явыпускатсао л1. ЭВМзав. Мвыпуска

71. Ш'В" : Чернен в. Л. ,Шарыю£ А.Р., Д31С0£. А .¡-х.1. СЬаКК к. ян 1 .А •1. ШМхЮ ^кшИ'ЬЛIзаказчику следуьддую недоел ь -¿уп I'. еташ-.у доку:-,:£.птацк.к; г срок до 15.12.91).:

72. ООиСЛеЧКТЬ НсДоСТаКи-И ТсХНПЧеСКОК ДОКуНОНКаЩ.еН ИI: .<.:.;■;:.-НЫс; электронный ¿ЗЛЫ И ОЛиК., .РуЬОКОДСТЪО ПОЛЬЗОКаТОЛК К а1Я:СаН1лг.ото обеспечения контроллера РхлАС к какростанцп^'

73. Уточнить на запасный части по электр0а£т01.:а

74. ТККи И ЭЛсКТ^оНПке Д10СТс:К„1ЯБК0к С 00ОиУД0гаН1^и,Н 000C-.o4i.Tb П.ОСТаКК;;13. лСЗТИыцЖ"даГ1Ь ^конендащ^ по замены!* частяк: .для дальнейшей эксшхуатацьи. элиглу.оойо худоьаш-я.

75. Организовать до 01.02.2000. счет,чы; изготовленных деталей с указание;.-: пн^ориаш-. при устанокленнои от:.:л,от;-, о закако ~кструг.ек

76. Х.о. паспорта к технические Дсяшыо п,. эл.двигатели улраиляепых частотой•