Специальное предложение

Общие принципы создания современных систем ЧПУ


12 Октября 2011

В последнее время на отечественных предприятиях наметилась тенденция к постепенному вытеснению узкоспециализированных групп станков универсальными станками с ЧПУ и обрабатывающими центрами. Пока этот процесс носит точечный характер. В качестве примера можно привести Ковровский электромеханический завод, где группа специальных станков уступила место двум обрабатывающим центрам Mazak, в результате чего трудоемкость производства корпусных изделий снизилась с нескольких десятков нормо-часов до нескольких нормо-минут.
А достижение подобных экономических показателей достаточно важно. Ибо очень важным обстоятельством является не только повышение конкурентоспособности выпускаемой предприятием продукции перед лицом вступления в ВТО, но и реальное снижение трудозатрат, которые должны быть не хуже (в смысле не выше), чем на западных производствах.
Другой аспект - модернизация станочного оборудования, что на сегодняшний день достаточно актуально. Вопрос в том, что можно использовать в качестве альтернативы установленным на этом оборудовании системам ЧПУ. Итак, тенденция наметилась, необходимость существует, и в этой связи мы предлагаем вашему вниманию подборку материалов по системам числового программного управления.

Простая эволюция приведет к потере рынка
Смена поколений систем ЧПУ радикально меняет потребительские свойства, структуру, архитектуру и математическое обеспечение систем ЧПУ. Весь предыдущий опыт, накопленный в области ЧПУ к настоящему времени, в значительной мере пересматривается под мощным давлением станкостроителей и конечных пользователей. Да и сами производители систем ЧПУ приходят к пониманию, что простая эволюция традиционных решений приведет к потере рынка и полному забвению.
Одна группа причин подобной ситуации состоит в максимальном снижении себестоимости изделий за счет использования более производительного оборудования с высокими скоростями резания, что требует принципиально новой идеологии от современных систем ЧПУ.
Другая группа причин обусловлена естественным требованием доступности элементной базы, когда можно провести модернизацию системы с минимальными затратами — например, нарастить объем оперативной памяти стандартными модулями, установить жесткий диск большей емкости и т. д. Сейчас становятся все менее популярны системы, использующие уникальную архитектуру, когда апгрейд системы либо ограничен, либо требует радикального перебора «железа», что неминуемо приводит к удорожанию модернизации.
Также необходимо учитывать постоянно растущие требования потребителя к возможностям пользовательского интерфейса и структуре диалога, к модульному построению систем ЧПУ с целью оптимизации их стоимости и возможности эволюции как у производителя, так и у конечного пользователя.
Кроме того, сейчас наблюдается рост привлекательности систем ЧПУ типа PCNC (Personal Computer Numerical Control), поддерживающих такой стиль управления, который соответствует работе с обычной ПК-платформой.

Новые функциональные возможности
Сегодня при разработке математического обеспечения ЧПУ производители систем управления должны руководствоваться концепцией объектно-ориентированного программирования. При этом объектно-ориентированный подход используют не только на уровне технологии программирования (для повышения надежности и обозримости математического обеспечения), но и на уровне макропроектирования системы. Последнее означает, что основные прикладные модули системы определяют как «вложенные объекты» (embedded objects) со стандартизованным прикладным интерфейсом API (Application Program Interface); а отношения между объектами организуют по схеме «клиент-сервер». При этом каждый объект-модуль является, как правило, сложной структурой и отражает глобальный объектно-ориентированный подход при проектировании системы управления. Одним из вариантов общего построения системы ЧПУ типа PCNC является выделение глобального сервера— программно-аппаратной шины, которая служит основным средством межмодульной коммуникации в системе. Наиболее современным способом построения сервера является реализация программно-аппаратной шины в виде объектно-ориентированной магистрали.
Открытая архитектура систем ЧПУ типа PCNC предоставляет исключительно важные новые функциональные возможности:

  • конфигурирования системы у станкостроителя и конечного пользователя;
  • встраивания коммерческих программных пакетов;
  • непрерывной эволюции системы в условиях максимальной независимости от изменений базовой платформы;
  • доступа к информации о состояниях любого программного модуля системы, а также к диагностической информации аппаратуры, данных с датчиков обратной связи, приводов и управляемого объекта в целом.

Возможность конфигурирования распространяется на выбор пользователем собственного диалога с системой; на дизайн многооконного экрана как на основе стандартной «галереи стилей», так и на основе собственных экранных управляющих элементов (control elements), на настройку системы на любую версию языка управляющих программ; на включение новых алгоритмов интерполяции (например, сплайновой интерполяции в реальном времени) и использование любой комбинации алгоритмов в многокоординатном пространстве; на включение системы в сетевую локальную и микролокальную коммуникационную среду.
В целом, структура системы ЧПУ обусловлена необходимостью решать традиционные «задачи управления»: геометрическую (обеспечивающую в конечном счете управление следящими приводами станка с целью получения детали с заданной геометрией), логическую (организующую управление электроавтоматикой станка); технологическую (гарантирующую поддержание необходимых параметров технологического процесса или оптимизацию процесса); диспетчеризации (обеспечивающую управление на прикладном уровне четырьмя предыдущими задачами в реальном времени); терминальную (поддерживающую диалог с оператором, отображение состояния системы; разработку, верификацию и хранение управляющих программ). При всей традиционности этих задач в последнее время было привнесено в их состав и алгоритмику множество новых идей, реализованных в виде конкретных функций.

Будущее за мономоделью
Сегодня особо гибкие и сложные системы ЧПУ типа PCNC с открытой архитектурой, ориентированные на многокоординатную, многостаночную, высокоскоростную, высокоточную обработку, выполняют в виде двухкомпьютерной архитектурной модели. В перспективе же— все преимущества за однокомпьютерным архитектурным вариантом.
Двухкомпьютерная модель предполагает размещение РС-подсистемы (системная платформа) на обычном PC-компьютере, а NC-подсистемы (прикладная компонента) — на другом NC-компьютере. Вторым компьютером может быть традиционный, оснащенный дополнительными специальными устройствами; либо компьютер на базе RISC-процессора.
В PC-подсистеме наиболее целесообразна операционная система Windows NT, а в NC-подсистеме — операционная система класса UNIX. Обе операционные системы поддерживают коммуникационные протоколы TCP/IP, и это позволяет организовать коммуникационную среду, объединяющую две подсистемы. Включение в эту среду некоторого прикладного уровня с функциями доступа к интерфейсам модулей (а общее число таких функций может достигать нескольких сот) создает виртуальную шину, оказывающую низкоуровневые услуги доступа. Наконец, объектная надстройка над этой шиной формирует упомянутый выше глобальный сервер — единую для обеих подсистем объектно-ориентированную магистраль.
Однокомпьютерная модель предполагает использование обычного ПК, оснащенного специальными устройствами в виде плат-контроллеров. В их числе могут быть контроллер приводов подачи (например, с SERCOC-интерфейсом), программируемый контроллер (например, с lnterbus-интерфейсом), специфичные устройства для управления технологическим процессом и т. д. Нижний уровень однокомпьютерной системы составляет компьютерная аппаратура, выше размещается операционная система (Windows NT, Windows 95/98/...) вместе со службами (VxD, VxWorks), обеспечивающими управление внешними устройствами. Переход от двухкомпьютерной к однокомпьютерной модели осуществляется формальным переносом математического обеспечения PC-подсистемы в NC-подсистему на уровне задач.
Оба архитектурных варианта соответствуют принципам открытой архитектуры, применительно к ЧПУ, означающим: легкое разграничение между системными, прикладными и коммуникационными компонентами; возможность независимого развития любого из этих компонентов, как на основе оригинальных разработок, так и путем достраивания коммерческих программных систем; клиент-серверную организацию взаимодействия подсистем, стандартизацию интерфейсов и транзакций.
Одна из ключевых проблем системы ЧПУ типа PCNC с открытой архитектурой состоит в необходимости настройки на любую версию языка управляющих программ, контуры которого определены в стандарте DIN 66025. Подобную настройку осуществляет специализированный модуль, названный ISO-процессором, который интерпретирует G- функции языка ISO-7bit управляющих программ, как если бы они были машинными кодами.
ISO-процессор является одним из важнейших модулей PCNC-системы, в которой представлен двояко. В NC-под- системе ISO-процессор реализован в виде интерпретатора; его задача заключается в интерпретации кадра управляющей программы в эквидистантных расчетах, в расчетах коэффициентов сплайнов и в формировании данных для интерполятора. В РС-подсистеме ISO-процессор реализован как эмулятор в инструментальной системе разработки управляющих программ. Здесь его задача состоит в контроле и интерпретации кадра, а также формировании данных в формате интерполятора и в отображении этих данных на экране в виде модели рабочей траектории.
Один из вариантов настройки ISO-npoцессора состоит в выборе системы команд из некоторого базового набора различных систем команд. Управляющие программы разбиты на пакеты по версиям языков, на которых они написаны. Выбор пакета управляющих программ определяет соответствующий файл загрузки системы команд ISO-процессора.
Таким образом, основными признаками систем ЧПУ нового поколения являются принадлежность к классу персональных систем управления PCNC и использование принципов открытой архитектуры. Открытая архитектура означает глобальную гибкость (конфигурируемость) системы, использование клиент-серверного подхода в организации транзакций, привлечение объектно-ориентированного подхода к определению макроструктуры, а также и на уровне технологии программирования. Все это предопределяет принципиально иную (в сравнении с известными решениями) организацию системы ЧПУ, в которой даже модули с традиционными наименованиями (решающие традиционные задачи управления) имеют новое функциональное и алгоритмическое наполнение, а также и новую программную (объектно-ориентированную) реализацию. Особо важную роль приобретает PC-подсистема с терминальной задачей управления, которая определяет пользовательские характеристики и уровень сервиса для оператора.

Сергей Заякин
Журнал «Оборудование: рынок, предложение, цены», №10, октябрь 2002 г.


Возврат к списку

Задать вопрос