Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Система МУЧПУ-станок" как объект контроля
1.1. Задачи контроля и диагностирования различных структур УЧПУ 15
1.2. Контроль процесса изготовления УЧПУ и поиск неисправностей в процессе производства 30
1.3. Оперативный контроль систем "УЧПУ--станок" и поиск неисправностей в процессе эксплуатации 45
ГЛАВА 2. Оперативный контроль как средство повышения надежности системы "УЧПУ--станок"
2.1. Критерии надежности УЧПУ и способы их определения 59
2.2. Расчет критериев надежности системы "УЧПУ-етанок" 66
2.3. Универсальный способ контроля интерполяции 78
2.4. Способ оперативного контроля и самовосстановления подсистемы аналогового выхода УЧПУ
ГЛАВА 3. Оперативный контроль процесса выработки задающих воздействий на станок
3.1. Контроль покодовой интерполяции в микропроцессорных устройствах ЧПУ 97
3.2. Оперативный контроль аппаратно реализованных интерполяторов 108
3.3. Реализация контроля и самовосстановления подсистемы аналогового выхода УЧПУ. 120
3.4. Оперативный контроль блока гальванических развязок УЧПУ с электроавтоматикой станка 127
ГЛАВА 4. Контршь учпу в процессе изготовления и эксплуатации
4.1. Контроль печатного монтажа 134
4.2. Тестовый контроль узлов УЧПУ, несвязанных по входам или по выходам с магистралью устройства 140
4.3. Функциональный контроль УЧПУ 153
4.4. Контроль выполнения алгоритма ввода ТП . 160
4.5. Контроль блока управления шаговым двигателем 162
4.6. Контроль умножителя расширителя арифметических операций 170
Заключение 180
Литература
- Контроль процесса изготовления УЧПУ и поиск неисправностей в процессе производства
- Расчет критериев надежности системы "УЧПУ-етанок"
- Оперативный контроль аппаратно реализованных интерполяторов
- Контроль выполнения алгоритма ввода ТП
Контроль процесса изготовления УЧПУ и поиск неисправностей в процессе производства
Основой автоматизации производства является создание автомати зированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) с применением УЕМ» Под АСУГО понимается система, которая обеспечивает управление в реальном масштабе времени технологическими операциями переработки сырья в соответствии с заданными технологическими и технико-экономическими критериями [42] .
В соответствии с классификацией технологических процессов на непрерывные, периодические и дискретные, процесс изготовления деталей на металлорежущих станках относится к дискретным процессам Вплоть до начала 70-х годов основные исследования были связаны преимущественно о непрерывными и периодическим процессами [35] . Это обусловлено трудностями, которые вытекают из самой природы дискретных процессов Обычно при автоматизации непрерывных и периодических процессов не возникает трудностей, связанных с геометрией движения и проблемой его точности. Напротив, в ходе технологических процессов изготовления деталей приходитея многократно выполнять точную пространственную ориентацию заготовки и инструмента [43] - 16 Отсюда вытекает принципиальное значение автоматизации станка, как основного инструмента дискретных технологических процессов І25І . Решение этой проблемы привело к созданию и развитию систем "УЧПУ - станок", которые являются гибким средством автоматизации процесса металлообработки Техника W привела к значительному прогрессу в области автоматизации станков Она имеет по сравнению с ручной обработкой следующие основные преимущества: - одинаковая точность от пергой до последней детали; - в значительной степени исключаются ошибки станочника; - высокая гибкость, благодаря возможности простой смены технологической программы; - повышение производительности; - снижение требований ж квалификации станочника (при вводе технологической программы с носителя) [44]
В целом ЧП7 металлообработкой можно определить как вид управления, при котором команды, определяющие работу станка, передаются через управляющее устройство в виде числовой информации. Числовое представление управляющей информации выделило устройства W из области автоматизации станков, объединяемой понятием "программное управление", в новое самостоятельное направление [45] .
Укрупненно любая система "УЧПУ - станок" включает в себя программную подсистему(ППУ»подеистему воспроизведения (ПВ) [46] и объект управления - станок (рисЛ.І). ШІ на основании введенной (вводимой) в нее технологической программы (ТЇЇ) вырабатывает программные сигналы Л, - Хп на ПБ, которая перерабатывая их выдает на станок задающие воздействия и - упз ( П - число управляемых координат станка) Вели система замкнутая» то ИВ совместно с исполнительными механизмами станка представляет собой многокоординатную следящую систему, а сигналы Ущ - уПф характеризуют фактические перемещения по управляемым координатам станка. Если система управления разомкнутая, то сигналы фактического положения отсутствуют, задание перемещения на станке осуществляется с помощью шаговых двигателей, а ПВ представляет собой блок управления шаговыми двигателями Система ТЧПУ - станок" представляет собой определенный класс АСУ дискретными технологическими процессами Результаты, полученные к настоящему времени в решении проблем контроля и диагностирования управляющих устройств относятся, главным образом, к непрерывным и периодическим процессам и в ограниченной степени применимы в системах, автоматизирующих управление дискретными процессами. Целью средств контроля и диагностирования управляющей ЭШ в случае непрерывных и периодических процессов является обеспечение при возникновении отказа возможности управления некоторыми "наиболее важными" параметрами процесса. Работа с пониженной эффективностью должна продолжаться до устранения неисправности обслуживающим персоналом. В системах "УЧПУ - станок" нельзя выделить "наиболее и наименее важные" управляемые параметры. Поэтому целью оперативного контроля здесь является предотвращение возникновения из-за отказов
Расчет критериев надежности системы "УЧПУ-етанок"
Определение Т как І/Д предполагает, что все блоки устройства непрерывно функционируют при выполнении задачи управления металлообработкой. Однако, в микропроцессорных УЧПУ это условие не выполняется. Действительно, ФСУ и блок ввода с ФСУ функционируют только в течение ввода ТП в память устройства, а при выполнении ТП не работают. Расширитель арифметических операций работает только если к нему выполняется обращение. В остальное время он простаивает и, следовательно, сбои, возникающие в нем в течение времени простоя,не влияют на работу устройства. То же можно сказать и о микропроцессорном устройстве, вшолняадем расчет интерполяционных вряращении . Оно работает циклически, причел время цикла выбирается исходя из обеспечения непрерывности управления приводами подач. После выполнения цикла интерполяции и, если закончена подготовка следуицего кадра, это устройство переходит в состояние ожидания или выполняет низкоприоритетный алгоритм индикации. И в том, и в другом случае, сбои, возникающие в устройстве, если они не искажают командной или константной информации, не влияют на выполнение устройством функций управления металлообработкой. Таким образом, на период резервного времени отдельные узлы УЧЇЇУ как ба переключаются на более облегченный режим работы с точки зрения надежности. Это иллюстрируется рис.2.1. Через обозначен цикл работы некоторого узла УЧПУ, например, промежуток времени между двумя обращениями к расширителю арифметических операций, t.f - время работы, « - время простоя, Я - интенсивность отказов для Ху , -ДЖІЄ- интенсивность отказов для fcg . Тогда на участке %, интенсивность отказов узла можно характеризовать усредненной величиной:
Пусть, например, в течение выполнения задания длительностью « данный блок в режиме л# работает время $1 ,а в режиме/ - « . Тогда интенсивность отказов этого блока во; время выполнения задания можно характеризовать величиной: где Usi4"tiZs І .Так,применительно к аппаратному расширителю арифметических операций А# =Л«о +А.СВ &А## А а »гдеЛ -интенсивность устойчивых отказов расширителя,а Лс$ -интенсивность сбоев.Поэтому,принимая Лс55ЛЦ получаем: элементов программного контроля,который может выполняться или в течение резервного времени,или-при контроле алгоритмов или узлов, выполняемых и работанцих не в процессе резания-за счет некоторогс увеличения времени выполнения задания.
При определении эффективности программного контроля следует учитывать,что современные микропроцессорные устройства и микро-ЭВМ имеют-пусть незначительные -средства аппаратного контроля. Поэтому контроль переработки информации в них будет программно-аппаратным. Так как при выполнении каждой команды используется различное количество оборудования микропроцессорного устройства, то и эффективность контроля для каждой команды будет,в общем случае,различной flI2j ,причём разработчику микропроцессорного УЧПУ эти эффективности,как правило,неизвестны,Поэтому разработчикам мякродродессорных средств следует указывать в технической документации на свои изделия хотя бы усреднённое по всему набору ком-манд значение вероятности обнаружения неисправности имеющимися встроенными средствами аппаратного контроля.
В целом УЧПУ состоит из П различных блоков,характеризуемых вероятность обнаружения неисправности в І - м блоке средствами его контроля. По этому в практических расчетах целесообразно пользоваться величиной: , і Лі+Лг - ... Яя 6) Так как над обработкой детали "работают" и устройство ЧПУ, и станок, то их надежность должна оцениваться совместно, т.е. необходимо знать Я станка. После этих вводных замечаний перейдем к конкретному определению предложенных критериев надежности Т-яа И Cfp . 2.2. Расчет критериев надежности системы "УЧПУ-станок" Значение может служить критерием надежности различных технических систем, поэтому известны работы, где приводятся формулы по вычислению этого критерия Г38,3э . Она-ко, в этих работах предполагается, что система оперативного контроля обнаруживает все неисправности, а это практически никогда не выполняется [34J .
Рассмотрим несколько моделей функционирования системы "УЧЦУ-станок" при различном уровне оснащенности системы средствами оперативного контроля. При вычислениях будем использовать методы теории рядов flI3J .
Система не имеет средств оперативного контроля. Работа системы по выполнению задания (обработке данной детали) характеризуется следующими параметрами: где j - время выполнения задания, -fc - время на установку заготовки на станок и снятие готовой детали со станка, Іотк время контроля детали после изготовления. Так как оперативный контроль отсутствует, то проверка правильности выполнения задания происходит на этапе измерения готовой детали. Система может выполнить задание бесконечным числом несовместных способов: с первого раза, со второго раза и т.д. Если во время измерения детали определяется, что она не соответствует заданным требованиям, то система восстанавливается, устанавливается новая заготовка, повторяется этап ее обработки и т.д. Поэтому можно определить по
Оперативный контроль аппаратно реализованных интерполяторов
В ряде устройств ЧПУ, выполненных на микропроцессорной базе, интерполятор реализуется аппаратно или программно-аппаратно fl04j . Информация на выходах таких интерполяторов представлена в унитарном коде. Применив для их контроля рассмотренного в 3.1 способа контроля интерполяции часто невозможно в силу того, что контроль должен реализовиваться в этом случае аппаратно, ввиду очень высоких требований по быстродействию (частота выходных импульсов пошагового достигает 160 кГц).Это требует аппаратной реализация вычислителя оценочной функции,что приводит к дополнительным аппаратным затратам,близким к дублированию.Кроме того,остаётся открытым вопрос о вычислении значения функции УАХ +АЦ -граничного значения оценочной функции при линейной интерполяции.Аппаратная реализация интерполятора в УЧЇЇУ выполняется с целью разгрузки микропроцессорных средств для выполнения других системных функции или в силу недостаточного их быстродействия.]} противоречии с этим находится идея программного вычисления хг + 4Уг Поэтому в таких случаях приходится искать другие способы контроля интерполяции,требущие меньших дополнительных аппаратных затрат и не загружавшие микропроцессорные средства УЧЛУ дополнительными контрольными функциями.
Чаще в современных УЧЛУ в качестве "довеска" к программно реализованной покодовой интерполяции используется аппаратно реализованный линейный микроинтерполятор,работающий по принципу импульсных умножителей [57] .Микроинтерполятор состоит из некоторого числа одинаковых каналов(равного числу управляемых координат станка), выполнякщих преобразование параллельного кода,выдаваемого яз блока УЧЛУ,осуществляющего покодовую интерполяцию,в унитарный код.Разра-ботчики .УЧПУ обычно называют микроинтерполятор распределителем игл-пульсов. Структурная схема распределителя импульсов координаты "X" (рис3.4) состоит из дешифратора адресов,буферных и рабочих регистров перемещения и знака,формирователя импульсов.перемещения , управляемого делителя частоты и выходных ключей. А и J -шины адресов и данных, А "Я" и А "X" адреса кода перемещения и знака, Зп -сигнал записи, Рт -тактовая частота, "+Х" и "-Х" -выходные импульсы, дешифрированные по направлению.
В буферные регистры перемещения в знака из магистрали УШУ поступает параллельный код по шине данных и записывается с помощью выходных сигналов дешифратора.По сигналу "Зп" производится перепись информации из буферных регистров в рабочие.Параллельный код перемещения подаётся на управляемый делитель частоты /_ .После формирования импульсов перемещения последние поступают на схему выходных ключей,где,в зависимости от заданного знака перемещения, открывается положительный или отрицательный канал выходных импульсов,которые поступают в блок управления приводом подач.
Неисправности,возникающие в распределителе,приводят к выдаче в блок управления приводом ложной информации,что приводит к браку обрабатываемой детали.Поэтому стремление охватить распределитель встроенным контролем и,тем самым,снизить вероятность выпуска бракованных деталей,является вполне закономерным.Трудность такого ко нтроля связана с тем,что проверить правильность импульсных последовательностей,формируемых на выходах распределителя,можно только после их получениям импульсы этих последовательностей по мере формирования сразу поступают в блок управления приводом подач в качестве задающих воздействий.В силу этого противоречия,способы контроля распределителя,основанные на подсчёте числа импульсов, выработанных на выходах каналов распределителя за определённое время,и сравнении полученных таким образом данных с эталонными значениями,позволяют обнаружить возникновение неисправности в распределителе уже после того,как ложная информация поступила в блок управления приводом и отработано ошибочное перемещение,которое привело к браку.
Принцип работы предлагаемой схемы встроенного контроля распределителя [l24j основан на том,что обработка детали происходит не всё время по всем управляемым координатам станка,а время обработки распределяется между различными режимами работы.для УЧПУ,управляющего тремя координатами,таких режимов будет три:работа по одной,по двум и по трём координатам одновременно.Когда обработка происходит по одной из координат,не работают два канала(а при обработке по двум координатам-один канал распределителя.Поэтому можно в первом случае "заставить" два свободных в данном кадре ТП канала работать аналогично задействованному каналу,т.е. сделать так,чтобы эти два канала вырабатывали такие же импульсные последовательности, что и работащии на привод канал,с той разницей,что импульсы с выходов этих каналов не поступают в блок управления приводом,а играют роль эталонных последовательностей которыми сравнивается импульсная последовательность,получаемая на выходе канала,работающего на привод.
Если в данном кадре ТП обработка выполняется по двум координатам, то третий канал дублирует работу одного из них(всё равно какого). При фиксации несовпадения запрещается выдача импульсов на блок управления приводом и с помощью последнего в системе "УЧПУ-станок" выполняются действия по предотвращению брака обрабатываемой детали.
Таким образом,контроль происходит параллельно выработке импульсов на блок управления приводом и ,если осуществить незначительную задержку в выдаче импульсных последовательностей на блок управления приводом( 1-2 мкс ),то этого будет достаточно для выполнения операции сравнениям в случае фиксации несовпадения,запрещения тактирования распределителя тем,чтобы ; ложный импульс не появился на выходе распределителя.
Контроль выполнения алгоритма ввода ТП
Погрешность алгоритма 4 определим следующим образом» Так как при выполнении операции умножения одиночный отказ блока умножения может привести с многократной ошибке на выходе и, руководствуясь принципом максимума энтропии, целесообразно считать, что в случае отказа вероятности появления на выходе умножителя любой комбинации одинаковы,, Число разрешенных ошибочных кодовых комбинации Д, равно количеству чисел в разрешенном диапазоне минус 2 (правильная комбинация и верхняя граница). для рассматриваемого примера: снижения погрешности алгоритма целесообразно дополнительно к нему использовать то свойство операции умножения, что нечетное произведение получается только при перемножении нечетных сомножителей. Так как в разрешенном диапазоне число четных и нечетных чисел примерно одинаково (с точностью до единицы), то, благодаря использованию этого свойства, погрешность алгоритма контроля уменьшается в 2 раза.
При различных значениях сомножителей величина погрешности этого алгоритма будет различной. Поэтому представляет интерес среднее значение погрешности. Здесь целесообразно предположить, что все возможные комбинации сомножителей равновероятны при данном п . Тогда, для определения средней погрешности, необходимо найти величину разрешенного диапазона для каждой комбинации сомножителей (при этом считаем, что 2 каких-либо сомножителя образуют единственную комбинацию), сложить эти величины и полученную сумму разделить на (2 -1)К, где К - число комбинации сомножителей при данном
Из табл. 4.3 видно, что средняя погрешность при изменении остается примерно постоянной и равной 6$. Погрешность алгоритма контроля по модулю 3 не зависит при любом П от значений сомножителей и приблизительно равна 33,3$. Если усилить этот алгоритм, использовав свойство предсказания значения четности произведения, то погрешность контроля снизится в 2 раза и будет равна 16,65/». Погрешность же предлагаемого алгоритма контроля более чем в 2,5 раза меньше. Распечатка программы расчета погрешности предлагаемого алгоритма приведена Б приложении .
Ниже приводится вариант аппартно-црограммноіі реализации алгоритма контроля. Особенности каздой конкретной схемы блока умножения влияют на реализацию контроля. Поэтому приводимая здесь реализация алгоритма контроля l3oJ ориентируется на блок умножения, входящий в состав 2У32. Этот блок перемножает 2 16-разрядных числа с получением 32-разрядного результата. При этом, один из сомножителей сохраняется в своем регистре до конца умножения, а 16 разрядов произведения в итого зали - 176 сывается в регистр второго сомножителя. Количество корпусов ИМС в блоке умножения равно 37. Время умножения (без учета операции обмена) равно 50 мкс.
Количество оборудования схемы контроля для случая m = 16, равно 21 корпусу, что составляет приблизительно Ь7% от оборудования рассматриваемого блока умножения (37 корпусов). Анализ контроля по модулю 3 показал, что требуемые в рассматриваемом случае для его реализации аппаратные затраты равны 21 корпусу, а время контроля - 5 мкс. Увеличение времени контроля по предложенному способу (время контроля для m -16 равно 32 тактам) не тлеет практического значения, так как основная часть времени умножения уходит на выполнение операции обмена между блоком умножения и микропроцессорным блоком, инициирующим операцию умножения.
Эффективность контроля целесообразно в этом случае оценивать вероятностью выдачи правильной информации из умножителя с учетом того, что в случае сбоя, ошибку, которую он вызывает, можно, практически с вероятностью I, исправить путем повторения операции умножения. При отсутствии контроля вероятность выдачи правильной информации из умножителя определяется по формуле: Р Є ; (70) где Лі/- интенсивность отказов умножителя, tu - время умножения. При наличии встроенного контроля эта вероятность равна: где і к время контроля, Ак - интенсивность отказов схемы контроля, Хс$к " интенсивность сбоев схемы контроля, АсВд-интенсивность сбоев умножителя, п - вероятность обнаружения ошибки при данном способе контроля.
Б склу малости отрезка времени, в течение которого выполняются операция умножения, контроль и, в случае фиксации ошибки, повторение операции умножения (меньше X мс), на этом отрезке не может возникнуть более I отказа, причем отказ происходит или в блоке умножения, или в микропроцессорном блоке, иншхиирущем выполнение операции умножения, дроыс того, в силу малости этого отрезка времени и вероятности отказа на этом отрезке очень малы. Однако, это не мешает проследить закономерности изменения вероятностных характеристик блока умножения при введении контроля.
Расчеты, выполненные по ( ТО,. ?1), дали следующие результаты : - вероятность выдачи правильной информации из блока умножения при отсутствии контроля (для однократной реализации операции умножения) равна — р = I - 1,71 10 ; - при контроле по модулю 3 - Р =1-1,1 10; - для предложенного способа контроля - р =1-0,5 10" , Таким образом, предложенные способ контроля позволяет сни зить вероятность невыдачи правильной информации из блока ум ножения по сравнению с контролем по модулю 3 более чем в 2 раза, а по сравнению со случаем отсутствия контроля - более чем в 3 раза.