Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния научной проблемы повышения производительности мехатронных технологическихсистем лазерной обработки 6
1.1. Актуальность задачи повышения производительности лазерных комплексов с мехатронными системами управления движением рабочих органов 7
1.2. Пути повышения производительности мехатронных комплексов лазерной резки при обеспечении точности исполнительных движений и совершенствовании законов управления 18
1.3: Цель и задачи исследования 21
1.4. Выводы по первой главе 26
ГЛАВА 2. Разработка математической модели мехатронных технологических систем лазерной обработки, ориентированной на исследование их точности и производительности 28
2.1. Структура математической модели мехатронной системы, управления движением рабочего органа комплекса лазерной обработки 28
2.2. Математическая модель механических объектов управления в составе комплексов лазерной резки 31
2.3. Математическая модель исполнительной подсистемы в составе системы управления движением комплекса лазерной обработки 37
2.4. Редуцированная математическая модель исполнительной подсистемы, содержащей следящие приводы и упругие механические передачи 45
2.5. Выводы по второй главе 56
ГЛАВА 3. Исследование влияния характеристик желаемой траектории, контурной скорости и динамических свойств исполнительных приводов на точность движения рабочего органа в окрестностях узловых точек траектории 58
3.1. Программная реализация компьютерной модели мехатронной системы управления комплекса лазерной резки для исследования контурной погрешности движений рабочего органа в окрестностях узлов траектории 59
3.2. Выявление факторов, влияющих на значение максимальной контурной погрешности при движении рабочего органа в окрестностях узлов траектории 72
3.3. Определение зависимости значения максимальной контурной погрешности движения рабочего органа в окрестностях узлов траектории от выявленных параметров 77
3.4. Выводы по третьей главе 84
ГЛАВА 4. Назначение параметров закона управления, обеспечивающих повышение производительности при соблюдении требований к точности движений 87
4.1. Идентификация динамических параметров мехатронной системы для использования в модели контурной погрешности 89
4.2. Назначение параметров желаемого закона движения рабочего органа с учётом технологических ограничений на желаемую контурную скорость и ускорение, а также требований к контурной точности 90
4.3. Формирование управляющих воздействий на следящие приводы мехатронной системы управления движением рабочего органа лазерного комплекса 102
4.4. Оценка прироста производительности лазерного комплекса с разработанным законом управления мехатронной системой управления движением \ 106
4.5. Выводы по четвёртой главе 110
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование производительности и точности мехатронной системы лазерной резки с разработанным алгоритмом управления 111
5.1. Экспериментальная установка для исследования точности и производительности мехатронных технологических систем лазерной обработки 112
5.2 Порядок проведения экспериментов и основные результаты исследования системы 124
5.3. Выводы по пятой главе 134
Основные выводы и результаты работы 135
Список использованной литературы
- Пути повышения производительности мехатронных комплексов лазерной резки при обеспечении точности исполнительных движений и совершенствовании законов управления
- Математическая модель механических объектов управления в составе комплексов лазерной резки
- Выявление факторов, влияющих на значение максимальной контурной погрешности при движении рабочего органа в окрестностях узлов траектории
- Назначение параметров желаемого закона движения рабочего органа с учётом технологических ограничений на желаемую контурную скорость и ускорение, а также требований к контурной точности
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Повышение производительности лазерных технологических комплексов с компьютерным управлением на основе раскрытия их потенциала как мехатронных систем является важной задачей, имеющей существенное значение для экономики страны. Особенность этой задачи состоит в необходимости повышения производительности при соблюдении технологических ограничений и требований к точности движения по траектории как в установившихся режимах, так и в переходных процессах, возникающих при движении рабочего органа в окрестностях точек сопряжения участков траектории.
В результате исследования было определено, что наиболее полное использование возможностей технологического оборудования оказывается возможным благодаря учёту влияния параметров желаемого движения и динамических свойств исполнительных приводов на погрешность воспроизведения траектории, в частности, в окрестностях точек сопряжения участков траектории. Однако, в известных работах по повышению производительности технологического оборудования эти вопросы изучены недостаточно.
Исходя из сказанного, можно утверждать, что тема диссертации, направленная на повышение производительности лазерных комплексов на основе развития закона контурного движения с учётом особенностей траектории и динамических свойств приводов является актуальной.
В данном исследовании применён мехатронный подход, успешно
используемый при создании систем управления движением рабочих органов
роботов и технологических систем. Его основы заложены в трудах в области
мехатроішки, робототехники и компьютерного управления движением таких
учёных как И.М.Макаров, Е.П.Попов, В.С.Кулешоя, В.С.Медведев,
Е.Й.Юревич, А.С.Ющенко, А.Г.Лесков, Б.К.Чемоданов, Ю.В.Подураев,
Ю.В.Илюхин, В.Ф.Казмиренко, ВЛ.Сосонкин, Г.М.Мартинов, С.Л.Зенкевич. В
соответствии с мехатронным подходом лазерный комплекс рассматривается как
единая динамическая система с компьютерным управлением, состоящая из
компонентов различной физической природы. Это позволило выявить зависимость точности движения рабочего органа от характеристик желаемой траектории, динамических свойств приводов и технологических ограничений. На основе этой зависимости предложены метод выбора значений параметров закона желаемого движения и алгоритм управления, при которых повышается производительность и сохраняется требуемая контурная точность.
Целью диссертации является повышение производительности мехатронных систем лазерной обработки при выполнении технологических ограничений и требований к точности движений рабочего органа на основе автоматизированного выбора значений параметров закона движения с учётом их связей с контурной точностью, характеристиками траекторий и динамическими свойствами исполнительных подсистем.
Основные задачи диссертации:
Формирование математической модели мехатронной системы управления движением рабочего органа комплекса лазерной резки, ориентированной на компьютерное исследование производительности и точности движения рабочего органа по заданным траекториям.
Выявление связей контурной точности движения рабочего органа з окрестностях узловых точек желаемых траекторий с геометрическими и программными параметрами желаемого движения и динамическими свойствами исполнительных приводов.
Разработка алгоритма управления, обеспечивающего повышение производительности мехатронных лазерных комплексов при соблюдении требований к контурной точности на основе выявленных связей.
Экспериментальное исследование мехатронной системы с разработанным алгоритмом управления и выработка рекомендаций по проектированию систем управления высокопроизводительных мехатронных лазерных комплексов.
Научная новизна результатов исследования. В работе получены и выносятся на защиту следующие основные результаты, обладающие научной новизной.
Зависимость контурной точности движений рабочих органов мехатронных лазерных комплексов в окрестностях узловых точек желаемых траекторий от доминирующих факторов влияния, к которым относятся угол между сопряжёнными сегментами этих траекторий, контурная скорость движения рабочего органа в узловых точках траектории и динамические свойства исполнительных систем.
Математическая модель мехатрошюй системы управления движением рабочего органа лазерного комплекса, ориентированная на компьютерное исследование точности исполнительных движений и производительности лазерных комплексов.
Метод выбора значений параметров закона изменения скорости движения рабочего органа по заданной траектории, обеспечивающий повышение производительности и заключающийся в назначении максимально возможных значений контурной скорости на сегментах и в узлах траектории с учётом технологических ограничений и выявленной зависимости контурной точности от программных параметров движения и динамических свойств исполнительных систем.
Методы исследования. Использованы методы теории автоматического управления, информатики, дифференциальных уравнений, аналитической геометрии, интерполяции. Разработка программных средств системы управления выполнена с использованием технологии объектно-ориентированного программирования и языков C++ и Assembler. Исследование алгоритмов управления проведено экспериментально и путём математического и имитационного моделирования с использованием разработанного автором программного обеспечения и пакетов Matlab и Stmulink.
Достоверность полученных результатов определяется корректным
применением положений теории автоматического управления и
математического моделирования, согласованностью результатов
теоретического и экспериментального исследований и подтверждается результатами внедрения в производство.
Практической ценностью обладают следующие результаты.
Методика автоматизированного формирования управляющей программы и задающих воздействий на исполнительные следящие приводы лазерного комплекса, обеспечивающая повышение его производительности.
Программное обеспечение для управления лазерными комплексами, решающее задачи интерпретации и постпроцессинга кадров управляющей программы в соответствии с разработанным методом выбора параметров движения, а также формирования в реальном времени согласованных-задающих воздействий на исполнительные приводы.
Внедрение результатов диссертации
Полученные в диссертации новый метод выбора значений параметров закона изменения контурной скорости и лежащая в его основе зависимость контурной точности от программных параметров движения и динамических свойств приводов успешно внедрены в ООО «Лантан-лазер» в состаЕе разработанной системы управления мехатронного комплекса лазерной резки, обладающего повышенной производительностью.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН», на VIII-ой, ІХ-Й и ХІ-й научных конференциях МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» -ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике в 2005, 2006, 2008 г., на 18-й научно-технической конференции "Экстремальная робототехника" (Санкт-Петербург, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе в журнале «Известия Самарского научного центра РАН», входящем в перечень изданий, рецензируемых ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объём работы составляет J 45 печатных страниц, включая рисунки, графики, таблицы и список литературы. Библиография содержит 60 наименований, из них 6 иностранных источника.
Пути повышения производительности мехатронных комплексов лазерной резки при обеспечении точности исполнительных движений и совершенствовании законов управления
Для создания модели максимальной относительной контурной погрешности при движении рабочего органа в окрестностях узлов траектории необходимо исследовать движение рабочего органа по указанным участкам траектории на модели мехатронной системы лазерной резки. Эта модель должна быть достаточно простой, но в то же время адекватно отражать воздействие доминирующих факторов, влияющих на величину контурной погрешности. При этом необходимо иметь в виду, что контурная погрешность, как правило, меньше, координатной ошибки исполнительной системы. Положение рабочего органа в пространстве обычно задается в базовой декартовой системе координат X, Y, Z и описывается тремя координатами хР0, уро, zP0 и тремя углами ориентации аР0, jBPO, уро. Указанные координаты являются функциями времени t и в совокупности характеризуют движение рабочего органа. В результате действия возмущающих факторов реализуемая траектория отличается от желаемой. В [5] установлено, что в большей степени на качество выполняемой технологической операции влияет позиционное отклонение рабочего органа от желаемой траектории движения. Это отклонение 8Т определяется как кратчайшее расстояние от текущего положения рабочего органа до желаемой траектории. Угловые отклонения рабочего органа от его желаемой ориентации влияют на качество выполняемой технологической операции в меньшей степени. Таким образом, при построении модели можно рассматривать только позиционирующие степени свободы. Построение математической модели мехатронной системы лазерной резки для исследования движения рабочего органа в окрестностях узлов траектории является первым этапом данной работы и описано в главе 2.
Для разработки алгоритма назначения параметров предлагаемого закона движения рабочего органа необходимы концептуальные модели контурной погрешности при движении в установившемся и переходном режиме. Как отмечено выше, проблема построения таких моделей до конца не решена, поэтому необходимо провести исследование движения рабочего органа в окрестностях узлов траектории. В рамках исследования необходимо рассмотреть влияние различных факторов на максимальную контурную погрешность и выделить из них доминирующие. В качестве таких факторов можно привести, геометрические характеристики узла, например угол между касательными в узле слева и справа, желаемую контурную скорость в узле и динамические характеристики манипулятора, обобщённые в параметрах модели, таких как постоянные времени и коэффициенты относительного демпфирования сепаратных систем.- По результатам этого исследования необходимо выявить зависимость контурной погрешности от факторов, оказывающих на нее наибольшее влияние, и сформировать концептуальную модель контурной погрешности для движения в переходном режиме в виде набора эмпирических зависимостей вида дтшкс /(а,7\) , аналогично введённым в [5].
Исследование точности и производительности мехатронной системы при движении в окрестностях узлов траектории с применением компьютерной модели на базе построенной, выявление зависимостей максимальной контурной погрешности от параметров траектории и модели и формирование концептуальной модели является вторым этапом данной-работы и описано в главе 3.
Алгоритм управления движением рабочего органа, обеспечивающий повышение производительности с сохранением заданной точности реализует трапецеидальный закон движения рабочего органа по траектории,, параметры которого должны быть выбраны в соответствии с выявленными взаимосвязями. Для формирования этого закона необходимо разработать алгоритм назначения контурных скоростей на сегментах ив узлах траектории в зависимости от геометрии траектории и динамических характеристик мехатронной системы с применением концептуальных моделей относительной контурной погрешности. Кроме того, при назначении контурных скоростей необходимо проводить их проверку на достижимость в пределах данного сегмента траектории с заданным максимальным контурным ускорением, так как при заданном предельном ускорении длина сегмента может оказаться недостаточной для достижения желаемой контурной скорости. Поэтому для каждого сегмента и узла траектории необходимо определить предельную по точности Vslim и предельную ПО ДОСТИЖИМОСТИ1 maxiim контурную скорость. Считая: предельную технологическую скорость.. Vmex заданной; назначаемая контурная скорость будет выбираться
наименьшей? из- перечисленных. Алгоритм? управления? движением? ВЇ каждый момент времени формирует задающие воздействия на комплекс следящих приводов, реализующих движение рабочего органа1 по траектории в соответствии со сформированным законом. Разработка алгоритмов назначения параметров закона движения и формирования управляющих воздействий в соответствии с этим законом1 является третьим этапом работы и рассмотрена в главе 4.
Поскольку при разработке моделей, использованных в исследовании, а также при формировании концептуальной модели максимальной относительной контурной погрешности должны быть приняты определенные ограничения и допущения, адекватность полученных результатов необходимо проверить экспериментально. Для этого- необходимо реализовать разработанные модели и алгоритмы в составе; системы управления движением рабочего органа мехатронной-системы лазерной резки. На экспериментальной системе необходимо провести серию экспериментов, по результатам которых составить заключение об адекватности моделей, корректности полученных результатов и эффективности разработанных алгоритмов. Такая система может быть создана на основе управляющей ЭВМ, интерфейсных модулей и комплекса следящих приводов, объединенных механической частью [24].
Математическая модель механических объектов управления в составе комплексов лазерной резки
Анализ выражений (2.10)-(2.13) согласно [5] показывает, что ЛАЧХ Ь\Жшисо)\ отражает проявление резонансных явлений в рассматриваемой двухмассовой подсистеме. Низкочастотная и высокочастотная асимптоты ЛАЧХ L\Wmi{jco)\ имеют наклон -20 дБ/дек. В среднечастотной области. ЛАЧХ наблюдаются резонансный «провал» и резонансный «подъём» на частотах, близких к соа = г-1 w юоХ =co0(l + a)U2, соответственно. Высокочастотная асимптота проходит выше низкочастотной, асимптоты на 201g(l + a) дБ. Важно отметить, что при уменьшении а значения частот со0 и сооХ сближаются.
Таким образом, при достаточно малом значении параметра а можно принять Wm{2{s)\ Wmn(s) (sJд) х. Например, при значениях а, часто встречающихся на практике и лежащих в диапазоне 0,2 ... 0,5, значения отношения резонансных частот сооХ1со0 мало отличаются от 1 и составляют 1,095 ... 1,22, соответственно. Поэтому при я 0,5 или, что то же самое, при Jvex 0,5JdJ2 влиянием упругости механической передачи на движение вала двигателя можно пренебречь и принять шп(5)и( в)-1. При этих условиях свойства привода с упругим редуктором, замкнутого по положению вала двигателя, практически совпадают со свойствами такого же привода с абсолютно жёсткой механической передачей.
Изложенная выше математическая модель исполнительной подсистемы является достаточно подробной и отражающей особенности динамического поведения подсистемы. Вместе с тем, она имеет слишком много параметров и поэтому недостаточно удобна для выявления зависимостей, определяющих контурную точность движений рабочего органа даже с учётом приведённых соображений, позволяющих при JMex 0,5JdJ2 пренебречь воздействием момента сил реакции Му на вал исполнительного двигателя. Задачей исследования является формирование более лаконичной редуцированной математической модели исполнительной подсистемы, обладающей меньшим числом параметров и ориентированной на компьютерное исследование производительности и точности движения рабочего органа по заданным траекториям.
При построении редуцированной математической модели используются следующие соображения. Предполагается, что подсистемы регулирования тока, скорости и положения настроены в соответствии с правилами настройки привода из условия минимальной сложности [5]. В том случае, когда во всех контурах регулирования квантование сигналов по времени происходит с одной и той же частотой, соотношения между частотами среза разомкнутого следящего привода сосп , разомкнутых подсистем регулирования скорости 0с и тока со1с должны удовлетворять равенствам й)/с=4шПс, &Пс=Зй)с_п. (2.14) Предполагается, что значение частоты ШИМ, влияющее на динамические свойства силового преобразователя, выбрано не ниже значения, необходимого для настройки подсистемы регулирования тока на технический оптимум. При этом реакция следящего привода на ступенчатое задающее воздействие не имеет перерегулирования, а длительность переходного процесса Тпп можно оценить по формуле /7я 3 В [5] показано, что, при соблюдении указанного требования к настройке подсистем следящего привода, допустимо уменьшение размерность модели при сохранении её основных свойств. Рассмотрим подсистему регулирования тока. Введём в рассмотрение передаточную функцию WfU(s) , связывающую ток в якорной цепи с напряжением, подаваемым на якорную обмотку от силового преобразователя, и учитывающую влияние ЭДС двигателя и упругости механической передачи согласно [5]: Wtu (s) = [Яя (1 + ЗД + KMKEWaM Г1, где Tf - электромагнитная постоянная времени якорной цепи.
Принимая во внимание коэффициент передачи цепи обратной связи по току КосТ , коэффициента усиления Ксп и постоянную времени Тсм силового преобразователя, можно записать передаточную функцию WHT{s) неизменяемой части подсистемы регулирования тока в следующем виде: W„r(s) = КосТКсм\ю{з){Тсм8 +1)"1. (2.15) Как показано в [5], принимая во внимание (2.12) можно представить передаточную функцию (2.15) в виде WHT{s) = WHT,{s)Od{s), где W!fTQ(s) = KocTKCMJAo{KhlKErs{TCMs +1)"1, {\ + аУхат2д82+Ту8 + \ ВД(1 + dyxaT\s2 + Tys +1](1 + TDs) + arjjS2 + Tys +1 Tj - электромеханическая постоянная времени рассматриваемой подсистемы, причём Тм =Jjj3R„(KAIKE) i . При этом, если записать передаточную функцию неизменяемой части подсистемы регулирования тока при абсолютно жёсткой механической передаче в виде WHT(s) = WHTQ{s){ThlT3s + Thls +1)"1 можно заметить, что влияние упругости механической передачи привело к замене составляющей (TAfT3s + TAls + iyl на ФдО).
Выявление факторов, влияющих на значение максимальной контурной погрешности при движении рабочего органа в окрестностях узлов траектории
Выявим зависимость 8ТШКС от V . Для этого примем прочие параметры заданными и вычислим значения 8ТШКС в зависимости от Корм Принимая во внимание что VHopM = Vyjiee sin(a) , получим зависимости от sm{a) и V . Некоторые результаты вычислительных экспериментов можно видеть на рис. 3.8 и рис. 3.9. На рис. 3.8 показан график зависимости 8ТШКС от sin(a) при различных значениях Уулев. При этом сосп = 100с"1, сох = coY = 100с"1, v = х - 0.4. т.шкс sin(«) Рис. 3.8 Зависимость максимальной контурной ошибки от синуса угла между сегментами На рис. 3.8 обозначено 1 - зависимость Т.МАКС ОТ Sin( 2) При V«=80 2 - при =40 , 3 - при Vyriee=20 , 4 - при с с с у. лев V„„ = ЛШ Легко видеть, что зависимость носит пропорциональный характер с коэффициентом, зависящим от V . На рис. 3.9 показан график зависимости 8ТШКС от V при различных значениях sin(a). При этом о)сп = 100с"1 , сох =coY = 100с_ , v=r=0.4. На рисунке обозначено 1 - зависимость 5ГЛАШ. от V при а = 1.5ряд, 2 - при а = \рад, 3 - при а = O.Spad. Очевидно, что эта зависимость также линейна. SO И I ОС тшкс Рис. 3.9 Зависимость максимальной контурной ошибки от желаемой контурной скорости в узле Таким образом, как и в [5], можно осуществить переход к относительной контурной погрешности дт МАКС Относительная контурная погрешность не зависит от величины контурной скорости в узле и может быть записана в виде Т.МАКС V Т.МАКС у.лев
В дальнейших вычислительных экспериментах величина желаемой контурной скорости принята равной 100 мм/с, величина угла а - 0,5 рад. Величина V при этом составила «47,95 мм/с.
Определим зависимость относительной контурной погрешности $тшкс от коэффициента относительного демпфирования ejBjB механической части исполнительной системы, имеющей наименьшую Яс.к
На рис. 3.10 показаны графики зависимости 8ТШКС от mjn при различных значениях сосп . Здесь 1 - зависимость 5ТМАКС от emta при й)сп =70с 1 , 2 - при сосп =100c-1 , 3 - при сосп =150с-1 . Во всех случаях сох = 100с , & к=200с_ . Можно сказать, что Зтшкс пропорциональна \mmm -0.25 + 0.25 Таким образом, осталось определить влияние соск и сос п рассматриваемой исполнительной системы на относительную контурную точность движения рабочего органа.
На этом графике тх и mY изменяются от 25 до 200 с 1 , сосп принята равной 100 с 1 . Выбор граничных значений сосп и соск обусловлен преобладающими характеристиками оборудования, представленного в настоящий момент на рынке. Форма графика хорошо соотносится с обоснованными в [5] рекомендациями: наименьшее значение дТШКС наблюдается при равенстве сох и coY \ААс х. Эта величина является оптимальной частотой собственных колебаний механических частей для следящих приводов, настроенных на частоту среза 100 с 1 в соответствии с рекомендациями (3.4). На основании всей совокупности полученных результатов моделирования определим эмпирическую формулу, для оценки относительной траекторной ошибки значение коэффициента относительного демпфирования механической части с наименьшей частотой собственных колебаний; /г(о.мт а)о.млх) " Функция, характеризующая влияние динамических свойств исполнительных систем причём частота среза следящих приводов сепаратных систем одинакова и определяется в соответствии с правилом настройки следящих приводов по формуле (3.4).
Таким образом, учтены все выявленные факторы, влияющие на максимальное значение относительной контурной погрешности движения рабочего органа в окрестности узла траектории. Найденные эмпирические зависимости обладают приемлемой точностью. Об этом свидетельствуют приведённые на рис. 3.12 графики сравнения результатов вычислительного эксперимента (графики 1 и 3) и расчётов по предложенным формулам (3.5) - (3.7) (графики 2 и
Эти графики получены для двухкоординатой системы управления движением при контурной скорости, равной 100 мм/с; переменных значениях частоты собственных колебаний соох одной из механических подсистем и фиксированных частотах собственных колебаний второй механической подсистемы со02, равных 105 с- (графики 1 и 2) и 55 с 1 (графики 3 и 4). Коэффициент относительного демпфирования для обеих механических подсистем равен 0,3, а угол между сегментами равен 90. Проверка предложенной эмпирической зависимости показала, что на участке, ограниченном а сп =30,...,200 , а СКт-т =30,...,200 , tf c.tf.max=50 - 200 тіп=ол?-30.9 и а = 0,..., предложенная зависимость позволяет адекватно оценить значение относительной контурной погрешности движения рабочего органа. Погрешность определения 8ТШКС в указанных диапазонах принимает значения от 0.5 до 26%, а её среднее значение составляет 12%, что приемлемо для решения практических задач.
Назначение параметров желаемого закона движения рабочего органа с учётом технологических ограничений на желаемую контурную скорость и ускорение, а также требований к контурной точности
Клеммная колодка контроллера используется для подключения инвертора к коммутационной коробке, 15-ти контактный разъем для подключения резольвера осуществляет интерфейс между датчиком обратной связи по скорости и контроллером, 9-ти контактный разъём, на который поступают сигналы с выхода резольвера, используется для передачи этих сигналов в управляющую ЭВМ и замыкания, таким образом, следящих приводов по положению. Период квантования сигналов в контроллерах приводов, реализующих подсистемы регулирования токов и скорости вращения валов двигателей, составляет 250 мкс. Период вычисления скорости вращения равен 1 мс. Достижимые при этом значения частот среза разомкнутых подсистем регулирования токов и скорости, а также разомкнутого следящего привода равны 3200 с"1, 600 с"1 и 200 с"1, соответственно. Эксперименты проведены при настройках, соответствующих частоте среза разомкнутого привода, 100 ... 125 с"1.
Предварительная настройка параметров контроллеров приводов осуществляется с помощью ЭВМ в поставляемой с приводами среде COMBlViS [60].
Реализация программного обеспечения мехатронной технологической системы лазерной обработки
Как отмечено ранее, разработанная система управления имеет однокомпьютерную архитектуру. Согласно [27] это означает, что в системе не использовались специализированные аппаратные устройства, какие как, например, контроллеры движения. Все задачи управления, таким образом, решены программно в рамках одной системы. Очевидно, что для обеспечения корректного контурного управления движением разработанная система должна обеспечивать работу в реальном времени.
Традиционно системы реального времени строят на базе операционных систем реального времени (ОСРВ). В качестве базового требования к ОСРВ в [27] выдвигается предсказуемость времени реакции системы на внешние события (прерывания) и, в общем, предсказуемость времени исполнения некоторой работы. Таким образом, система, работающая в реальном времени, позволяет гарантировать выдачу управляющих воздействий с заданной периодичностью.
В качестве примеров ОСРВ в [27] приводятся такие системы, как VxWorks, QNX и Windows NT с различными расширениями реального времени, например, RTX фирмы VenturCom, причём наиболее перспективным признаётся последний вариант. В самом деле, операционные системы семейства Windows NT предоставляют множество инструментов, интерфейсов и систем, облегчающих разработку и повышающих надёжность готовых систем. Однако все перечисленные системы являются коммерческими продуктами, с достаточно высокой стоимостью лицензии, поэтому в качестве операционной системы была выбрана MS-DOS. Несмотря на почтенный возраст и относительную простоту этой системы, её возможностей вполне достаточно для реализации системы управления движением лазерного комплекса, поддерживающей описанный функционал.
Разработка программного обеспечения производилась в среде Borland C++ версии 3.11, для доступа к области памяти выше 640К использована разработанная Paul Chang библиотека XMMLIB. Таким образом, общий объём доступной системе оперативной памяти ограничен 64М. Такого объёма достаточно для работы с управляющими программами длиной более миллиона команд. В рамках разработанной системы решаются все задачи управления, выделенные в [27] - геометрическая, логическая и терминальная, а также диагностическая задача сбора данных с датчиков обратных связей приводов. Реализация терминальной задачи предоставляет конечному пользователю интерфейс к системе.
Общий вид интерфейса системы в режиме моделирования показан на рис. 5.6. В разработанной системе интерфейс организован в виде меню из функциональных элементов - кнопок (1), области вывода, предназначенной для отображения сообщений системы (2) и области вывода графической информации - текущего положения рабочего органа и пройденного им пути при лазерной резке (3) и холостом ходе рабочего органа (4). Область вывода графической информации перерисовывается целиком только при изменении режима работы системы.
На рис. 5.7 изображён общий алгоритм функционирования системы, отражающий основные режимы: ожидания, реферирования (поиска нулевой точки), загрузки файла управляющей программы и выполнения загруженной управляющей программы. Кроме перечисленных, в системе реализован режим ручного перемещения рабочего органа и режим ускоренной отработки управляющей программы без вывода управляющих воздействий на аппаратуру.
В режиме загрузки файла управляющей программы система предлагает выбрать файл, содержащий желаемую управляющую программу, после чего производит интерпретацию содержимого выбранного файла в соответствии с синтаксисом, представляющим собой фрагмент синтаксиса ISO-7bit с необходимыми изменениями.
Результатом интерпретации является массив управляющих команд с параметрами, подготовленный для дальнейшей обработки. Обычно этот массив, как и файл управляющей программы, не содержат полностью определённого закона движения - как правило, задаются величины номинальной (предельной) технологической скорости VTEX и желаемого контурного ускорения ак . Поэтому в соответствии с описанным в главе 4 алгоритмом производится определение всех параметров закона движения и их сохранение в соответствующих элементах массива.
После завершения указанных действий система выводит сообщение и возвращается в режим ожидания.
В режиме выполнения управляющей программы, как показано на рис. 5.7, происходит циклическое формирование и выдача управляющих воздействий на приводы и устройства электроавтоматики, такие как заслонка лазера. В зависимости от выполняемой команды системой реализуются процедуры линейной или круговой интерполяции желаемого положения рабочего органа в текущий момент времени с начала выполнения команды движения,
