Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ программного обеспечения современных систем ЧПУ и возможностей их адаптации для лазерной обработки 10
1.1 Общая структура системы ЧПУ и геометрическая задача управления 10
1.2 Обзор алгоритмов управления движением в системах ЧПУ 14
1.3 Проблема управления импульсной обработкой 18
1.4 Специфика взаимодействия системы ЧПУ с устройствами, осуществляющими автономное управление движением 20
1.5 Анализ открытости систем ЧПУ и возможностей их адаптации для управления лазерными технологическими системами 22
1.6 Формирование требований к структуре и функциональности системы ЧПУ 24
1.7 Постановка задач исследования 25
Глава 2. Построение модели программного обеспечения системы ЧПУ для лазерной обработки 27
2.1 Выявление общих модулей в структуре специализированных систем управления для лазерной обработки 27
2.1.1 Характеристики установок и систем управления 27
2.1.2 Выделение совокупности компонентов для обобщенной системы управления лазерными станками
2.2 Создание обобщенной структуры системы ЧПУ для управления лазерной обработкой 36
2.3 Структура ядра обобщенной системы ЧПУ
2.3.1 Спецификация интерфейсов ядра системы 41
2.3.2 Формирование структуры интерполятора 44
2.3.3 Схема диспетчеризации потоков 47
2.4 Метод обеспечения гибкости системы ЧПУ для лазерной обработки 49 2.5 Выводы 50
Глава 3. Разработка механизма параметрического программирования контуров при лазерной обработке 51
3.1 Исследование способов программирования систем ЧПУ 51
3.2 Представление о структурированном языке высокого уровня как средстве повышения открытости систем ЧПУ 53
3.3 Способ реализации интерпретатора структурированного языка высокого уровня 55
3.4 Модель интеграции интерпретатора языка высокого уровня в систему ЧПУ 60
3.5 Выводы 62
Глава 4. Разработка архитектурной модели интерполятора и алгоритмов управления движением для лазерной обработки сложных контуров. Практические аспекты реализации интерполятора 63
4.1 Спецификация интерфейсов блоков интерполятора 63
4.2 Поддержка классических алгоритмов интерполяции 65
4.3 Разработка универсального алгоритма интерполяции параметрических кривых 66
4.4 Разработка алгоритма линейного разгона/торможения, независимого от типа интерполируемой кривой 73
4.5 Разработка усовершенствованного алгоритма управления подачей при импульсной лазерной обработке
4.5.1 Алгоритм нахождения максимально допустимой скорости на основе опережающего просмотра кадров (Look Ahead) 78
4.5.2 Алгоритм синхронизации движения и импульсов излучения 80
4.6 Практические аспекты реализации ядра системы ЧПУ 82
4.6.1 Общая программная структура ядра 82
4.6.2 Реализация механизма диспетчеризации потоков
4.7 Объектно-ориентированная реализация интерполятора 88
4.8 Выводы 94
Глава 5. Проверка достоверности полученных результатов на основе сравнения аналитических и экспериментальных данных 95
5.1 Подтверждение соответствия реализованных алгоритмов интерполяции математическому представлению кривых 95
5.2 Измерение показателей ресурсоемкости разработанных алгоритмов управления движением 96
5.3 Тестирование алгоритмов разгона и торможения .-. 98
5.4 Анализ выходных сигналов 101
5.5 Сравнение производительности обработки 103
5.6 Выводы 108
Выводы и результаты работы 109
Список литературы
- Обзор алгоритмов управления движением в системах ЧПУ
- Выделение совокупности компонентов для обобщенной системы управления лазерными станками
- Представление о структурированном языке высокого уровня как средстве повышения открытости систем ЧПУ
- Разработка алгоритма линейного разгона/торможения, независимого от типа интерполируемой кривой
Введение к работе
Актуальность темы. При помощи лазерного оборудования в настоящее время решаются технологические задачи маркировки, послойного порошкового синтеза, графики в прозрачных средах, сварки, закалки, резки листового металла и комбинированной механо-лазерной обработки. В последние годы начинает использоваться совмещение систем дефлекции лазерного луча с приводами подачи для обеспечения обработки заготовок с большими габаритами. В таких случаях необходимо совместное управление несколькими устройствами для позиционирования лазерного луча, что требует особого подхода к построению архитектуры системы управления.
Анализ систем ЧПУ ведущих мировых (Fanuc, Siemens, Heidenhein, Bosch Rexroth, Fagor, Mitsubishi Electric) и отечественных (Балт-Систем, Модмаш-софт, Микрос, ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") разработчиков выявил следующие проблемы:
ограниченность механизма расширения геометрической задачи управления. Специалист без глубокого знания методики реализации интерполятора системы ЧПУ и наличия исходного кода не может добавить собственные алгоритмы интерполяции для выполнения специфических задач;
отсутствие механизма совместного управления разнородными устройствами (дефлектором и приводами подач), осуществляющими перемещение пятна лазерного луча в рабочем поле в рамках выполнения одной управляющей программы;
отсутствие единой методики реализации параметрического программирования для лазерной обработки;
у станкостроителей и конечных пользователей отсутствует возможность реализовывать синхронизацию движения с импульсами лазера.
Указанные проблемы не позволяют использовать одну модель системы ЧПУ для решения класса технологических задач по управлению лазерной обработкой, поэтому на рынке существует множество специализированных систем управления. Разработка обобщенного решения, обеспечивающего возможность компоновки систем управления для разных установок на основе единой архитектуры, позволит значительно снизить затраты на разработку и обслуживание установок для лазерной обработки, а также на обучение персонала. Кроме того, реализация в системе ЧПУ возможности синхронизации движения с лазерным излучением значительно повысит эффективность импульсной обработки.
Исходя из сказанного, можно заключить, что тема диссертации, направленная на разработку метода обеспечения гибкости систем ЧПУ лазерного технологического оборудования на основе их модульной организации архитектуры, является актуальной.
Цель работы. Повышение эффективности процесса разработки систем ЧПУ лазерного технологического оборудования на основе модульной организации архитектуры, обеспечивающей гибкость системы управления.
Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
Провести анализ программного обеспечения систем ЧПУ с целью выявления проблем, возникающих при адаптации этих систем для управления классом технологического оборудования на базе лазеров с непрерывным и импульсным излучением.
Построить архитектурную модель системы ЧПУ с расширяемой модульной архитектурой для управления лазерным оборудованием.
Разработать механизм параметрического программирования контуров для систем лазерной обработки.
Разработать модуль интерполятора с расширяемой архитектурой и алгоритмы управления движением для лазерной обработки сложных контуров, интегрировать их в ядре однокомпьютерной системы ЧПУ.
Проверить достоверность полученных результатов на основе сравнения теоретических данных с данными, полученными при проведении экспериментальных исследований.
Методы исследования. Теоретические исследования в работе базировались на методах системного анализа, объектно-ориентированного проектирования (декомпозиции, абстракции), концепции объектно-ориентированного программирования. Использовались технологии .Net, DCOM (distributed component object model), автоматизация OLE (object linking and embedding).
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:
установлены взаимосвязи между аппаратными и программными компонентами систем ЧПУ для лазерных станков, позволившие выделить совокупность общих модулей и создать на их основе единое архитектурное решение для задач лазерной обработки;
на основании установленных взаимосвязей разработана архитектурная модель обобщенной системы ЧПУ для управления установками лазерной маркировки, графики в прозрачных средах, послойного синтеза и комбинированной механо-лазерной обработки, основанная на архитектуре системы управления класса PCNC;
разработаны алгоритмы опережающего просмотра траектории и управления движением по параметрическим кривым для импульсных лазерных систем, позволяющие исключить остановки в обрабатываемых точках и обеспечить постоянную контурную скорость.
Практическая значимость работы заключается в:
- методике компоновки системы управления для задач лазерной
маркировки, графики в прозрачных средах, послойного синтеза и
комбинированной механо-лазерной обработки на основе предложенного единого архитектурного решения, позволяющей сократить время и себестоимость процесса разработки систем управления для лазерных станков;
- разработанных программных модулях управления движением, использующих сплайновую интерполяцию и алгоритм опережающего просмотра кадров, что повышает эффективность импульсной низкочастотной лазерной обработки.
Апробация работы. Теоретические и практические результаты, полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные системы управления» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин», семинарах научно-образовательного центра в области компьютерного моделирования и управления технологическими системами, созданного в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» совместно с Институтом проблем управления РАН, а также на международной конференции «AEROSPACE - 2008», VII научно-технической конференции «Мехатроника. Автоматизация, управление» (МАУ-2010), 18-й международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» и 2-й Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов INNOTECH 2010.
Разработанная в рамках диссертации система управления лазерными станками используется в учебном процессе по дисциплинам "Структура и математическое обеспечение систем управления" и "Программное обеспечение систем управления" на кафедре "Компьютерные системы управления" ФГБОУ ВПО МГТУ "Станкин".
Практические разработки по данным темам отмечены дипломом 10-й юбилейной выставки «Передовые технологии автоматизации-2010» (ПТА-2010) «Автоматизация и встраиваемые системы», золотой медалью XIV московского международного салона изобретений и инновационных технологий "АРХИМЕД-20П", серебряной медалью и дипломом 110-го юбилейного международного салона изобретений «Конкурс Лепин» (Париж), золотой медалью международной выставки изобретений и инноваций INPEX 2011 (Питтсбург, США).
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы для создания систем управления и установок по темам: «Создание многофункционального интеллектуального контроллера движения с открытой архитектурой для управления технологическим оборудованием» (г/б НИР 10-52/р, госконтракт № П926 от 20.08.2009 г.), «Создание многофункциональной компьютерной системы управления для промышленных лазерных приборов послойного порошкового синтеза» (г/б НИР 10-41/р, госконтракт № П500 от 13.05.2010 г.), «Создание многофункциональной системы ЧПУ для управления станками лазерной гравировки в объеме и на плоскости» (г/б НИР 10-69/р, госконтракт № 14.740.11.0541 от 01.10.2010 г.).
На основе результатов работы созданы объекты интеллектуальной собственности (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ: №2010613433 от 25.05.2010, №2010617383 от 14.09.2010, №2011610552 от 11.01.2011, №2011610554 от 11.01.2011, №2011611201 от 04.02.2011, №2011614339 от 01.06.2011).
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 8 научных статей (из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК), включая тезисы докладов, опубликованных в рамках международных и региональных научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 63 наименований. Основная часть работы изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 13 таблиц.
Обзор алгоритмов управления движением в системах ЧПУ
В производстве используется широкий класс оборудования на базе лазеров, работающих в импульсном режиме с частотой следования импульсов порядка 10 - 100 Гц. Существует несколько областей применения таких установок: импульсная лазерная наплавка; импульсная лазерная сварка [16]; маркировка (нанесение информации на детали изделия); графика в прозрачных средах (предназначена для получения надписей, рисунков, а также схематических художественных изображений в стекле методом микроразрушений [17], [18]).
Главная особенность.управления импульсными установками заключается в необходимости обеспечения строгой синхронизации между импульсами лазера и перемещением заготовки. Схема на рис. 8 иллюстрирует взаимодействие системы управления с импульсным станком в процессе обработки детали. Справа показана диаграмма управляющих сигналов, выдаваемых системой управления, и ответных сигналов лазера.
Схема взаимодействия системы управления с импульсным лазерным станком Этапы взаимодействия элементов установки при обработке отдельной точки представлены на диаграмме последовательности (рис. 9). Последовательность выдачи сигналов:
Система выдает сигналы перемещения («Шаг») на приводы подач вплоть до достижения очередной точки, заданной в управляющей программе. Движение прекращается, после чего выдается сигнал («Строб») на модуль лазера для перевода резонатора в активное состояние. Система ожидает сигнал лазера («Подтверждение») об успешной обработке точки в момент очередного импульса накачки, после чего начинается новый цикл (перемещение в другую точку рисунка).
Описанная схема демонстрирует главную особенность управления импульсной обработкой: система должна синхронизировать движение луча с импульсами излучения [19]. При этом частота импульсов накачки должна выдерживаться с определенной допустимой погрешностью (иначе энергия и расходимость пучка будут недостаточны для обработки точки). Отсутствие в системе ЧПУ синхронизации движения с периодичными сигналами обуславливает остановки в обрабатываемых точках, что ведет к необходимости реа-лизовывать движение с простейшим профилем разгона и торможения с нулевой скоростью в начале и конце кадра, как это показано на рис. 10.
Движение при стандартной схеме управления импульсной обработкой Здесь min, пот, max — моменты времени, определяющие допуск на частоту импульсов накачки. Из данной схемы следует, что значительная часть времени обработки протекает со скоростью намного ниже номинальной, что ведет к потере производительности. Попытка пройти путь между точками без разгона и торможения приведет к увеличению динамических нагрузок и даже срыву движения из-за резкого останова приводов.
Таким образом, актуальна задача разработки алгоритма управления движением, позволяющего при импульсной обработке проходить точки с заданной- скоростью, что позволило бы использовать все преимущества опережающего просмотра кадров и сплайновой интерполяции.
Специфика взаимодействия системы ЧПУ с устройствами, осуществляющими автономное управление движением Для перемещения лазерного луча в рабочей плоскостной его фокусировки могут применяться два способа управления: - с помощью линейных, шаговых и-других типов приводов, получающих параметры движения непосредственно от интерполятора системы ЧПУ; - с помощью устройств, реализующих внешнее управление1 движением. Такие устройства получают списки команд движения-и самостоятельно осуществляют перемещение луча в рабочем поле.
Одними из самых распространенных устройств, реализующих внешнее управление движением луча, являются гальваносканаторы (системы дефлекции лазерного луча), обеспечивающие большую среднюю скорость перемещения луча в силу малой инерционности отклоняющих зеркал. В качестве типичного варианта сканатора рассмотрим прецизионный трехосевой гальваносканатор фирмы Raylase марки FOCUSSHIFTER (рис. 11), который позволяет позиционировать пятно лазерного луча в любое место на рабочей плоскости по двум углам [20].
Процесс управления сканатором с помощью пользовательского программного обеспечения выглядит следующим образом: 1. В буфер интерфейсной платы загружается список команд (команды перемещения по прямой и многоугольнику; установки параметров излучения). 2. Запускается обработка списка команд. 3. После окончания обработки списка загружается следующий набор команд и процесс повторяется заново.
Таким образом, программное обеспечение для управления сканатором не должно работать в жестком реальном времени [21] и обеспечивать прямое управление движением. От него требуется только отправлять команды контроллеру.
В некоторых системах сканаторы могут применяться вместе с традиционными линейными и другими приводами. Таким образом, универсальная архитектура системы ЧПУ для лазерной обработки должна предусматривать возможность совместного управления обычными приводами и системами дефлекции лазерного луча. 1.5 Анализ открытости систем ЧПУ и возможностей их адаптации для управления лазерными технологическими системами
С целью выявления проблем, возникающих при расширении функциональности систем ЧПУ для лазерной обработки, был проведен анализ систем ведущих мировых и отечественных производителей на соответствие нескольким критериям-открытости архитектуры: [22];.Эти критерии были выработаны при рассмотрении- особенностей управления лазерными системами; Как было сказано ранее, в ряде случаев используется.совмещение лазерного сканатора с приводами подачи, что в итоге дает возможность более эффективной обработки заготовок с большими1 габаритами. Для систем, имеющих подобную компоновку, требуется одновременное управление несколькими устройствами1 для позиционирования:лазерного луча. Таким образом, критерий наличия, поддержки, внешнего управления движением» является важнейшим: для обеспечения- гибкости; систем, управления лазерными: станками. Второй важнейший критерий — функция, адаптации интерполятора: к задачам импульсной лазерной обработки. Кроме того, важными1 факторами, являются: наличие параметрического программирование на языке высокого,- уровня, возможности адаптациишользовательского интерфейса а также: наличие слотов PGI. В Таблице 1 представлены основные результаты анализа, из которого следует, что существуют две нерешенные на данный момент проблемы в архитектуре многофункциональных систем ЧПУ: — отсутствие интерфейса взаимодействия с устройствами, осуществляющими внешнюю автономную функцию управления:движением; — отсутствие возможности адаптировать алгоритмы управления движением для задач дискретной: (импульсной) обработки. Для практического применения результатов- работы выбрана, отечественная. система ЧПУ AxiOMA Ctrl (МГТУ «СТАНКИН»), имеющая модульную открытую архитектуру и доступный для автора диссертации исходный код.
Выделение совокупности компонентов для обобщенной системы управления лазерными станками
Для каждой из этих операций выделяется отдельный поток, потому что реализация в одном потоке всех операций не позволяет осуществлять буферизацию данных, что необходимо для обеспечения бесперебойного управления в режиме реального времени. Потоки управляются диспетчером. Предлагаемая структура интерполятора показана на рис. 21.
При инициализации интерполятора происходит чтение настроек из конфигурационного файла, в котором прописываются следующая информация: — набор модулей обработки для каждой команды. Команды при этом определяются номерами. Каждый модуль содержит необходимые для обработки команды механизмы: объектно-ориентированную структуру команды, транслятор, интерполятор и блок разгона-торможения; - настройки диспетчера потоков (период запуска каждого потока и фаза); - набор модулей ввода-вывода, требуемых для взаимодействия с объектом управления. Каждая фаза расчета параметров движения закреплена за отдельным блоком подключаемого модуля обработки. Такая схема позволяет реализовать решение специфических задач управления движением благодаря полной открытости интерполятора.
Структурная схема интерполятора Процесс обработки пользовательской программы состоит из нескольких операций, выполняемых параллельно в отдельных потоках:
1. Пакеты данных, передаваемые из пользовательского приложения в блок разделяемой памяти, преобразуются потоком трансляции в команды интерполятора. Эти команды затем сразу добавляются в список. Для каждой команды, идентифицируемой по номеру, используется транслятор из модуля обработки, закрепленного за данной командой.
2. Каждая команда списка обрабатывается в потоке интерполяции. Приращения координат вычисляются с помощью соответствующего команде модуля обработки. Блок разгона-торможения вычисляет приращение пути, а интерполятор траектории производит разложение этого приращения по заданным осям. Приращения по осям записываются в блок информации о координатах.
3. В потоке ввода-вывода осуществляются все операции по управлению приводами и другими объектами.
Все операции внутри интерполятора (трансляция, интерполяция, ввод-вывод) должны выполняться в строго определенные моменты времени. Задержки в исполнении операций управления движением (например, задержки в выдаче управляющих сигналов на привод или в вычислении координат интерполятором) не допускаются, что обуславливает следующие принципы управления потоками: 1. Активация потоков со строгой периодичностью. 2. Минимизация соревнования между потоками за время процессора. Это позволяет равномерно распределить во времени нагрузку на процессор, сократить затраты машинного времени на переключение между контекстами потоков.
Предложенная схема диспетчера основана на применении таймера реального времени и объектов синхронизации для управления активностью по токов [36]. Ядром диспетчера является процесс, исполняемый в режиме жесткого реального времени. Все потоки создаются в данном процессе и исполняют циклические операции. Каждый поток в начале цикла выполнения находится в состоянии ожидания закрепленного за ним объекта синхронизации (семафора или мютекса). Таким образом, управление потоками сводится к освобождению синхронизирующих объектов в нужные моменты с помощью таймера реального времени.
Таймер диспетчера реального времени работает с периодом наиболее часто вызываемого потока. Во время каждого срабатывания таймера увеличивается значение счетчика фазы. Счетчик сбрасывается при достижении максимальной величины. При заданных значениях фазы освобождаются объекты синхронизации, и соответствующие потоки отрабатывают очередной цикл. Структура диспетчера потоков показана на рис. 22.
Каждому потоку задается период запуска и смещение по фазе. Как период, так и смещение измеряются в количестве тактов таймера. Например, если необходимо обеспечить запуск потока с периодом Т [мс], следует установить период N [количество фаз] N = Т/т, где г - период срабатывания таймера. Отсюда следует, что заданный период цикла работы потока должен быть кратен периоду срабатывания таймера. Предложенный метод диспетчеризации потоков позволяет гибко настраивать работу компонентов любой программной системы, работающей в режиме жесткого реального времени. Общей рекомендацией при использовании данного метода является предварительный подбор параметров диспетчеризации на основе программного измерения времени, необходимого для исполнения рабочих циклов потоков.
Разработанная архитектурная модель позволяет формализовать метод обеспечения гибкости систем ЧПУ для управления лазерными технологическими системами. На рис. 23 представлена последовательность шагов по разработке гибкой системы ЧПУ для лазерной обработки.
Представление о структурированном языке высокого уровня как средстве повышения открытости систем ЧПУ
В параметрическом виде сплайн представляется группой выражений (1) и (2), где х заменяется на параметр і, а у - на координату по каждой оси. Параметрическое представление позволяет использовать А-сплайн для описания не только плоских, но и пространственных кривых.
Как следует из приведенного выражения (2), Akima-сплайн обеспечивает непрерывность только первой производной в точках, что несколько ограничивает применение данного типа интерполяции. Блок интерполятора траектории выполняет две функции — подготовку команды и Нахождение собственно интерполяцию траектории (то есть циклическое вычисление приращений координат по осям на основе заданного блоком разгона-торможения приращения пути). Подготовка команды перемещения по А-сплайну состоит из двух этапов: 1. Нахождение коэффициентов А, В, С, D 2. Нахождение длины кривой, начальных и конечных производных, максимальной кривизныкоэффициентов, производных и кривизны находится элементарно из выражений (1) и (2) (о нахождении кривизны кривой см. [49]). Однако длина сегмента кубической кривой не может быть выражена в элементарных функциях, так как ее выражение представляет собой эллиптический интеграл (3): Подставив выражение (1) и его производные в (3), можно убедиться, что получившийся интеграл не берется в элементарных функциях.
Таким образом, длину сегмента сплайна необходимо находить с помощью численного интегрирования. Для кубических кривых достаточно эффективно используется формула парабол (Симпсона) [50]. Следует заметить, что для задачи управления движением длину нужно находить с заданной точностью (не более 1 дискреты), что требует использования методов оценки точности численного интегрирования. Априорные методы оценок не подходят из-за сложностей нахождения экстремумов для производных высших порядков выражения (3) и других проблем1. Ввиду этого для-оценки и коррекции результата численного интегрирования в нашем случае можно применить апостериорный метод Рунге [50]. Данный метод достаточно удобен для программной реализации. Метод Рунге основан на последовательном двукратном наращивании количества узлов, по которым вычисляется, интеграл (то есть увеличении "густоты" сетки) и оценке погрешности на основе полученных данных. В простейшем случае это выглядит так: два значения интеграла, полученные при количестве узлов п и 2п, используются для оценки погрешности интегрирования и коррекции полученного значения по формуле (4):
где р - порядок точности метода интегрирования (равен 4 для формулы парабол), z2„ И2„- значения интеграла, полученные при количестве узлов 2п и п соответственно, z - уточненное значение интеграла. Второе слагаемое в правой части (4) представляет собой апостериорную оценку погрешности результата. Если погрешность меньше заданной, то z принимается за окончательное значение интеграла, в противном случае количество узлов увеличивается в два раза и погрешность считается уже по значениям при количестве узлов 2п и 4п, и т.д.
Алгоритм интерполяции (расчета приращений координат при заданном приращении пути) тесно связан с вычислением длины сплайна. Чтобы найти координаты точки сплайна, в которую надо переместиться за такт интерполяции, требуется вычислить, какая точка отстоит от текущей на заданный путь перемещения за такт при измерении вдоль кривой. В случае параметрического представления задача сводится к поиску приращения параметра, соответствующего требуемому приращению пути за такт. Для решения данной задачи предлагается применить алгоритм итеративного приближения к заданной точке, схема которого показана на рис. 31.
На первом шаге задается несколько переменных: s_temp - путь от начала кадра до приближенной точки; переменная err, которая определяет разность между требуемой длиной пути S и полученной в ходе поиска s_temp; приращение параметра At (в начале задается равным параметру текущей точки Т); значение параметра t приближенной точки.
На втором шаге (активном со второй итерации) вычисляется приращение параметра At, соответствующее пути, равному err. At вычисляется как отношение err к производной пути по параметру в точке t.
Далее вычисляются: приращение пути As, определяемое значением At; путь s_temp; ошибка пути err. Если err меньше заданной погрешности, текущее значение параметра принимается равным t и координаты заданной точки вычисляются исходя из этого значения. В противном случае происходит переход ко второму шагу.
Таким образом, переменная t итеративно приближается к значению, соответствующему длине кривой S от начала кадра с допустимой погрешностью. Как правило, для достижения заданной точности достаточно 2-3 итераций. Этот алгоритм подходит для любых гладких кривых, заданных в параметрическом виде. Еще два частных случая интерполяции параметрических сплайнов представлены ниже.
Разработка алгоритма линейного разгона/торможения, независимого от типа интерполируемой кривой
Процесс разработки программного кода любой системы ЧПУ связан с необходимостью проверки правильности работы отдельных алгоритмов, модулей и системы в целом. Станок не всегда доступен разработчикам программного обеспечения, в результате большую часть кода приходится создавать без возможности его немедленной проверки на станке. Само наличие станка в большинстве случаев позволяет только констатировать факт ошибки в программном обеспечении, поскольку отсутствуют средства для анализа причины ошибки.
Научно-исследовательская лаборатория систем ЧПУ кафедры КСУ (МГТУ «СТАНКИН») [59] создала аппаратный эмулятор станка лазерной графики в прозрачных средах, который вырабатывает выходные сигналы (такие, как сигнал готовности лазера, сигнал открытия; кожуха, сигналы конце-вых выключателей и т.п.). Благодаря встроенному реверсивному счётчику с индикацией текущего состояния, подключенному взамен привода с интерфейсом Step/Dir (шаг/направление), возможен контроль текущих координат осей. С помощью эмулятора легко проверить наличие погрешностей при обходе замкнутых контуров любой формы. Для отладки алгоритмов движения, их синхронизации с импульсами лазера и последующей их оптимизации, потребовалась разработка программно-аппаратного измерительного комплекса на базе персонального компьютера с установленными платами ввода-вывода. Измерительный комплекс может формировать при необходимости выходные сигналы и обрабатывать входные. Программное обеспечение в течение интервала времени измерения непрерывно фиксирует входные сигналы и сохраняет результаты в- файле. Период отсчётов составляет 1 -3 мкс, что вполне достаточно для практических задач станка лазерной графики. Образцы измерения сигналов управления движением по осям X ("X pulse") и Y ("Y pulse"), а также сигналов управления лазером ("STROB" и "SUM") представлены на рис. 59 - 60.
Измерения с помощью данного инструментария позволили подтвердить корректную очередность выдачи управляющих сигналов на приводы и лазер при модуляции излучения системой ЧГГУ.
Оценка влияния разработанных алгоритмов на эффективность импульсной низкочастотной обработки была проведена на станках лазерной графики в прозрачных средах фирмы LaserGraphicArt [58]. Один из вариантов тестового изделия показан на рис. 61. Управляющая программа состоит из 34800 точек.
Во-первых, спрогнозируем аналитически, какие преимущества может дать алгоритм, обеспечивающий синхронизацию движения с лазерным излучением. Рассматриваемые станки имеют следующие основные характеристи ки: - номинальная частота импульсов при обработке изделия: 25-40 Гц; - рекомендуемое ускорение стола с заготовкой и блока лазера: 300 мм/с"; - номинальное значение подачи: 1800 мм/мин; Расстояние между обрабатываемыми точками составляет 100-150 мкм, что не позволяет станку при старте с нулевой скорости достичь номинального значения подачи, как видно из выражения (18): = 0,0015м = 1500 мкм, (18) где S - путь, необходимый для разгона до номинальной подачи, А - номинальное ускорение, F - подача, t — время. Все значения переведены в единицы СИ. Таким образом, путь разгона в 10 раз больше типичного расстояния между точками. Отсюда следует, что график изменения скорости в кадре имеет вид равнобедренного треугольника. Исходя из этого, найдем время t, требуемое для прохождения половины кадра (19): At2 \S 0,00015 5 = 2 х— ,откуда t= -= Q3 «0,02 с (19) Отсюда следует, что полное время прохождения кадра приблизительно равно 40 мс. В то же время, период импульсов, соответствующий номинальной частоте 40 Гц, равен 25 мс. Таким образом, среднее время прохождения кадра при отсутствии синхронизации движения с излучением составляет 2 периода импульсов лазера с учетом того, что после останова станок находится в состоянии ожидания очередного импульса время, равное 25x2-40 =10 мс.
Номинальное значение подачи позволяет пройти кадр за время, заведомо меньшее одного периода излучения, если скорость в кадре поддерживается постоянной (20): 5 0,00015 S = Ft , откуда t = - = 0 03 « 0.005 с (20) Таким образом, использование алгоритма опережающего просмотра, обеспечивающего проход точек без торможения за счет синхронизации движения с излучением, теоретически может дать значительный прирост произ 104 водительности (вплоть до двукратного на длинных прямых участках для лазерного станка с указанными выше характеристиками).
Экспериментальные проверки показали, что разработанный алгоритм действительно позволяет существенно повысить производительность обработки низкочастотным излучением. В Таблице 12 сведена информация о времени обработки для 14 файлов управляющих программ (с разным количеством точек) при использовании существующего алгоритма управления движением и разработанного алгоритма, обеспечивающего синхронизацию движения с импульсами лазера. Сравнение проведено при номинальных параметрах обработки (частота импульсов: 40 Гц; допустимое ускорение: 300 мм/с ; максимальная подача: 1800 мм/мин; расстояние между обрабатываемыми точками: 100-150 мкм.). Количество точек округлено до сотен.
