СОДЕРЖАНИЕ...............................................................................................................2
1. ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕРМИНАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ С ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРОЙ......................................................................................4
1.1. Обзор архитектурных решений современных систем ЧПУ...............................4
1.2. Структура терминальной задачи с открытой архитектурой............................17
1.2.1. Классическое разделение задач управления...........................................17
1.2.2. Взаимоотношение между ядром системы ЧПУ и терминальной задачей управления..............................................................................................19
1.3. Проблема систематизации API-функций систем ЧПУ.....................................21
1.4. Цели и задачи исследования............................................................................21
2. ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА И РОЛИ ТЕРМИНАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ В ОБЩЕЙ АРХИТЕКТУРЕ СИСТЕМЫ ЧПУ..................................................................23
2.1. Представление о структуре программного обеспечения систем ЧПУ..........23
2.2. Разработка формальной модели взаимодействия терминальной задачи с ядром системы ЧПУ.................................................................................................25
2.3. Распределение API-функций по задачам ЧПУ..................................................29
2.4 Выводы................................................................................................................41
3. ГЛАВА 3. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ТЕРМИНАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ...................................42
3.1. Разработка программного уровня, независимого от типа системы ЧПУ ....42
3.1.1. Формализация взаимодействия терминальной задачи с ядром ЧПУ путем построения виртуального ядра системы ЧПУ....................................42
3.1.2. Проектирование программной модели виртуального ядра системы ЧПУ на основе компонентного подхода.............................................................45
3.2. Разработка механизмов, обеспечивающих открытую архитектуру прикладного математического обеспечения терминальной задачи.....................51
3.2.1 Описание механизма инициализационных и конфигурационных файлов
................................................................................................................................51
3.2.2. Средства анализа структуры файла, модели интерпретаторов и методы их взаимодействия с интерфейсом....................................................53
стр.: 3
3.3. Выводы...............................................................................................................56
4. ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ СПЕКТРА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ТЕРМИНАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ WINPCNC...............................................................................57
4.1. Система WinPCNC и прикладное программное обеспечение терминальной
ЗАДАЧИ........................................................................................................................57
4.2. Разработка структуры инициализационных и конфигурационных файлов ..58
4.2.1. Инициализационные файлы, их структура и применение....................58
4.2.2. Формализация языка ISO-7bit....................................................................62
4.2.3. Структура и применение файлов конфигурации..................................63
4.3. Инструментальные средства создания и редактирования инициализационных и конфигурационных файлов ................................................67
4.4. Расширение возможностей ввода управляющих программ...........................74
4.4.1. Интерактивное создания кадров управляющих программ...................74
4.4.2. Режим обучения системы ЧПУ.................................................................76
4.5. Дальнейшее повышение функциональных возможностей терминальной задачи за счет анализа контуров деталей...............................................................82
4.5.1. Анализатор геометрического контура..................................................83
4.5.2. Эквидистантный конвертер...............................................................96
4.6. Выводы.............................................................................................................106
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................108
6. ВЫВОДЫ............................................................................................................110
7. ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ............................................111
8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................112
9. ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................116
9.1. Список рисунков.............................................................................................116
9.2. Список таблиц.................................................................................................118
АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ...........................................
стр.: 4
1. Глава 1. Проблемы построения терминальной задачи с открытой архитектурой
1.1. Обзор архитектурных решений современных систем ЧПУ
Сегодня разработчики систем числового программного управления (ЧПУ) предлагают большое количество вариантов архитектурных решений. На этом фоне существуют разнообразные программно-аппаратные реализации, рассчитанные на модернизацию устаревших моделей и создание принципиально новых систем ЧПУ. Среди всего многообразия архитектурных решений можно выделить несколько наиболее популярных схем. На основе проведенных исследований были установлены пять основных архитектурных вариантов, которые сосуществуют на рынке систем ЧПУ.
Классические системы CNC (первый вариант) до сих пор выпускаются лишь фирмами с богатой традицией производства высококачественной собственной микроэлектронной аппаратуры. Но и эти фирмы под давлением конечных пользователей, желающих иметь гибкий интерфейс оператора, предлагают модификацию с персональным компьютером в качестве терминала (второй вариант). Первые системы типа PCNC относились к двухкомпьютерной архитектуре (третий вариант) [1]; они и сегодня очень популярны и наиболее широко распространены. Несколько позднее появились системы PCNC, ядро которых реализовано на отдельной плате, устанавливаемой в корпусе промышленного персонального компьютера (четвертый вариант). Наконец, по мере повышения мощности микропроцессоров, все большее распространение получает одно-компьютерный (пятый) вариант системы PCNC [25, 26, 30, 31, 38].
Системы CNC и PCNC-1. Семейство NUM построено по принципу многопроцессорных CNC-систем: с ЧПУ-процессором, процессором
программируемого контроллера автоматики и графическим процессором (см. Рис. 1).
стр.: 5
Панель
оператора
j
Ж
Управляющая программа
*- Интерпретатор

Эквидистантная коррекция

Очередь буферных кадров
а чны* параметры
Фаза
подготовки
Фаза исполнений Фаза управления
Рис. 1. Архитектура системы ЧПУ типа CNC фирмы NUM
Семейство представлено компактными, а также и модульными версиями, которые различаются числом координат (и возможностью формировать независимые каналы ЧПУ из координатных групп); использованием традиционных аналоговых или автономных цифровых следящих приводов, подключенных к оптоволоконной сети; числом входов-выходов электроавтоматики и использованием удаленных (сетевых) входов-выходов.
Фирма Allen Bradley выпускает широкое семейство систем ЧПУ: от традиционной CNC (модель 9/440) к системе CNC с персональным компьютером в качестве терминала (модель 9/260(290)) и системе класса PCNC (модель 9/РС). Последняя модель (см. Рис. 2) выполнена по вполне классической схеме: специализированный промышленный компьютер с Windows NT операционной системой и возможностью разрабатывать пользовательские приложения на Visual Basic; PCI-одноплатный ЧПУ-компьютер, выполняющий все функции ядра, включая программно-реализованный контроллер электроавтоматики.
стр.: 6
Интерфейс приводов подачи
Сетевой fl контроллер ¦помним i
Интерфейс привода
шпинделя
Рис. 2. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-1 фирмы Allen-Bradley
Системы типа PCNC-2. К этому классу относятся системы фирм ANDRON, BoschRexroth. Система ЧПУ фирмы ANDRON относится к полному двух-компьютерному варианту. Ее структура представлена на Рис. 3 в виде набора модулей: терминального компьютера, ЧПУ-компьютера, панели оператора и монитора, удаленных входов-выходов программируемого контроллера, одной или нескольких групп цифровых (SERCOS) приводов подачи и главного привода.
стр.: 7
Панель оператора
Рис. 3. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-2 фирмы ANDRON
Аппаратура системы практически полностью состоит из покупных компонентов и плат. В силу этого обстоятельства фирма ANDRON не скрывает деталей аппаратной реализации; и эта реализация весьма представительна для двух-компьютерных версий систем ЧПУ и других фирм. В составе терминального компьютера: материнская плата с Celeron-процессором и интегрированными контроллерами SCSI, VGA, TFT, IDE; многофункциональная интерфейсная плата MFA с памятью CMOS-ROM (связь с внешним модемом; транспьютерный контроллер коммуникационного канала, связывающего терминальный и ЧПУ-компьютеры). Все платы установлены на пассивной ISA-шине; причем предусмотрена установка дополнительных (по заказу) резервных плат: внутреннего модема, сетевой платы, SCSI-платы. В составе ЧПУ-компьютера: материнская плата с Celeron-процессором; плата МЮ (Main Input-Output)
стр.: 8
поддержки как коммуникационного интерфейса с терминальным компьютером (со скоростью 10 Мбит/с), так и интерфейса маховичка ручного перемещения; плата программируемого контроллера с интерфейсом InterBus-S; одна или несколько плат SERCOS-интерфейса. Все платы установлены на пассивной ISA-шине. Каждый SERCOS-интерфейс обслуживает одну группу из трех автономных приводов подачи и одного привода шпинделя. Приводы одной группы включены в кольцевую оптоволоконную сеть. В платформе системы ЧПУ фирмы ANDRON аппаратный уровень накрыт операционной системой Windows NT в терминальном компьютере и оригинальной операционной системой реального времени в ЧПУ-компьютере. На прикладном уровне терминальный компьютер открыт для разнообразных приложений и специальных диалогов конечного пользователя, которые можно назвать САМ-приложениями. Для построения САМ-приложений предусмотрен инструментальный язык ANLOG-C, обеспечивающий доступ к функциям ядра в ЧПУ-компьютере [50].
Система ЧПУ (ТурЗ.оэа) фирмы BoschRexroth построена на основе двух высокопроизводительных компьютеров (классический двух-компьютерный вариант) и обладает исключительно мощным набором функций (см. Рис. 4).
ТСРЛР
ТСРЛР
Лекальная сеп.
Рис. 4. Архитектура системы ЧПУ классаРС1МС-2 фирмы BoschRexroth. ОС - операционная система; ОС РВ -операционная система реального времени
стр.: 9
Терминальный компьютер имеет операционную систему Windows NT, a ЧПУ-компьютер - операционную систему UNIX. Связь операционных сред осуществляется с помощью протокола TCP/IP; что допускает удаленное размещение терминала и работу нескольких терминалов с одним ЧПУ-компьютером. В свою очередь, ЧПУ-компьютер предполагает многоканальную работу более чем с одной управляющей программой. Прикладное математическое обеспечение терминального компьютера и ядра ЧПУ в ЧПУ-компьютере окружены оболочкой из нескольких сот интерфейсных API-функций, которые предоставляют конечным пользователям возможность разрабатывать собственные приложения и расширения. В остальном, состав прикладного математического обеспечения традиционен; впрочем, можно отметить хорошо проработанный программно-реализованный контроллер электроавтоматики.
Системы типа PCNC-3. Типичным представителем является здесь система DeltaTau. Эта система относится к двух-компьютерному варианту; но такому, при котором ЧПУ-компьютер выполнен в виде отдельной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой на ISA (или PCI) шине терминального персонального компьютера (см. Рис. 5).
стр.: 10
Turbo PMAC для управления до
32-х осей и 64-х программ
зл.-автоматики
Интерфейсные платы
для подключения
датчиков обратной
связи, "О" и предельных
конечеников
ты ]
ных| \
\
pwm_L
1ля
| pwm LDJk Lim I PWM Home I


1 r
II !
Платы ото- I 430ЛИ ров энных !
24-х В5содов-
выходов
Рис. 5. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-3 фирмы DeltaTau.
PWM- Pulse Width Modulation, широтно-импульсная модуляция; Lim (Limit) ограничители; Home - нулевая точка.
Терминальный компьютер с Windows NT операционной системой выполняет классические функции терминальной задачи и функции интерпретатора управляющих программ. Одноплатный ЧПУ-компьютер РМАС решает геометрическую и логическую задачи [2],[3]; выполняя функции интерполятора, контроллера управления приводами (подачи и шпинделя), программно-реализованного контроллера электроавтоматики. Интерполятор обеспечивает все виды интерполяции (включая сплайновую), разгоны и торможения, опережающий просмотр кадров Look Ahead, циклическое формирование управляющих воздействий. Контроллер приводов способен управлять 32 координатными осями, сгруппированными в 16 координатных систем; он принимает сигналы позиционных датчиков обратной связи, замыкает позиционные контуры, выполняет функции
стр.: 11
ПИД-регулятора, имитирует в цифровом виде сигналы обратной связи по скорости, вырабатывает (в цифровом виде) широтно-импульсный сигнал для приводов подачи и +/- 10В сигнал для привода главного движения. Программно-реализованный контроллер электроавтоматики поддерживает параллельное управления 64-мя циклами электроавтоматики. Выходные сигналы (для управления приводами и электроавтоматикой) поступают в кольцевой оптоволоконный канал для дистанционного управления своими объектами. Принимающим устройством служит интеллектуальный периферийный терминал Macro-станция (Motion and Control Ring Optical). Допустимо включение в кольцо нескольких таких терминалов. Терминал замыкает скоростные контуры восьми приводов и принимает сигналы ограничителей рабочей зоны и датчиков нулевых точек координатных систем, формирует сигналы управления двигателями любого типа (асинхронными, постоянного тока и др.) с помощью блока Quad Amplifier (для управления четырьмя двигателями общей мощностью до 25 Квт). Другая функция периферийного терминала - управление электроавтоматикой через модули оптоизолированных входов-выходов. Набор модулей фирмы DeltaTau (PMAC и Macro) ориентирован на построение собственных систем ЧПУ у конечных пользователей, на долю которых остается разработка терминальной задачи и интерпретатора в среде промышленного персонального компьютера. Однако сами модули являются для конечного пользователя «черными ящиками», и их архитектура закрыта.
Системы типа PCNC-4. Система ЧПУ фирмы Beckhoff демонстрирует яркий пример чисто одно-комьютерной архитектуры PCNC, в рамках которой все задачи управления (геометрическая, логическая, терминальная) решены программным путем, без какой либо дополнительной аппаратной поддержки (см. Рис. 6) [37].
стр.: 12
Ethernet
Промышленый компьютер
Visual Basic
Доступ
Данные
A ISDN, I Модем
Удаленный
компьютер
Удаленная диагностика
Контроллер автоматики
TwinCAT TwinCAT
ЧПУ
сервер
Отображение входов-выходов
I 'Г
Периферийная Lightbus шина
Ethernet
Подготовка программ j
h
с о
Visual Basic
Визуализация
Доступ
Данные
Терминал входов-выходов электроавтоматики
Терминал следящих приводов
Рис. 6. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-4 фирмы Beckhoff
Внешний интерфейс выстроен на базе любой стандартной периферийной шины Fieldbus; в частности, на базе шины Lightbus фирмы Beckhoff. Эта шина представляет собой кольцевой канал для передачи сигналов управления автономным и следящими приводами, а также и для передачи сигналов электроавтоматики. Выход к объектам осуществляется с помощью периферийных «терминалов» ввода-вывода. Операционная среда представляет собой комбинацию Windows NT, для поддержания процессов машинного времени, и системы TwinCat (Total Windows Control and Automation Technology). Операционная система TwinCat фирмы Beckhoff интегрирована в Windows NT, добавляет ей функции реального времени, не изменяя самой Windows NT. Перемещение
стр.; 13
данных и доступ к прикладным функциям API программных модулей осуществляется через программную шину ADS (Automation Device Specification), системный менеджер, являющийся подсистемой TwinCat, служит центром системной конфигурации, поддерживающим синхронное или асинхронное взаимодействие всех процессов, а также и ввод-вывод сигналов управления. На прикладном уровне в потоках управления работают программные модули ЧПУ и программируемые контроллеры; имеющие клиентскую часть (для подготовки данных) и серверную часть (для работы в реальном времени). ЧПУ-клиент интерпретирует кадры управляющей программы в стандарте DIN 66025, а ЧПУ-сервер выполняет интерполяцию в «группах приводов», по три координаты в группе. Группы формируются системным менеджером. Для безэквидистантных программ можно обойтись без интерпретации, которую заменяет компилятор клиента контроллера автоматики. Одновременно работают до четырех контроллеров (являющихся виртуальными процессорами), каждый из которых решает четыре задачи, имеющих свой приоритет и время цикла.
Система Power Automation построена на основе промышленного персонального компьютера с PCI-шиной (см. Рис. 7), с операционной системой Windows NT и ядром реального времени (собственной разработки).
стр.: 14
Промышленный компьютер
Память
Процессор WINDOWS NT + PB Интерфейс Файловая система Программно-реализованный контроллер автомтики
Ядро ЧПУ Коммуникация (Разделяемая память)
Стандартная Sercos шина
Специальная Super шина
Стандартный аналоговый интерфейс ±10В
Модули ввода-вывода, память
Конечные переключатели,
муфты, электромагниты
Рис. 7. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-4 фирмы Power Automation.
РВ - ядро реального времени
Операционная система Windows NT поддерживает работу интерфейса оператора; в том числе системы программирования ЧПУ и контроллера электроавтоматики, встроенную САМ-систему (опирающуюся на базы данных инструментов, материалов и технологических циклов), приложения конечного пользователя. Ядро реального времени синхронизирует работу задач ЧПУ и электроавтоматики; диспетчирует работу интерпретатора, интерполятора и
стр.: 15
модуля управления следящими приводами. Одновременно могут работать до восьми каналов ЧПУ, два программно-реализованных контроллера электроавтоматики с разными приоритетами. Система Power Automation имеет открытую архитектуру, которая допускает расширение функций ядра ЧПУ за счет специальных «compile cycles» конечного пользователя (терминология Power Automation), см. Рис. 8.
Область ЧПУ
Ядро1 Интер 1 Поаиц. 1 , Автом 1
Ядро 2 Ингер 2 Позиц. 2
Лотом 2








Ядро п Интер п Позиц.п Автом л
Функция пользователя
Область компьютера
Крыму- Интер* Прило- Прило-
никамйн фейс женив женив
Event (событие)
Функция
пользователя
Рис. 8. Схема расширения функций ядра ЧПУ в системе фирмы PowerAutomation.
Ядро - модули ядра ЧПУ; Интер - модули интерполяции; Позиц - модули связи со следящими приводами подачи; Автом - модули управления электроавтоматикой.
Фирма Siemens не раскрывает особенностей своей архитектуры, и в этом плане можно лишь строить догадки. Однако обращает на себя внимание механизм поддержания открытой архитектуры, который абсолютно идентичен такому же механизму Power Automation. В этой связи, по-видимому, можно предположить и идентичность архитектур Siemens и Power Automation. При разработке новой модели системы ЧПУ фирма Siemens сделала акцент на открытую для конечного пользователя архитектуру, как со стороны интерфейса оператора, так и со стороны ядра системы (см. Рис. 9) [41, 44].
Simens ОС РВ
Функции пользователя Связывание (compile cycles)
_ ...
Стандартн. функция
О active
Стамд, : нация
passive
Стандарт, функция 2
Стацдартн. функция
active
Стандарта функция (п)
Функция
пользователя 1
Функция
пользователя 2
Функция эпьзоаателя га
- Связывание 1 Связывание 2
"" Связывание 3
стр.: 16
Данные
Связывание m
Системные
данные

Данные
пользователя
Рис. 9. Механизм поддержания открытой архитектуры в системе ЧПУ фирмы
Siemens
Интерфейс оператора работает в операционной системе Windows NT, поэтому включение в интерфейс Windows-приложений проблемы не составляет. Однако возможна и сравнительно глубокая реконфигурация интерфейса с помощью оригинальной инструментальной системы ProTool. Для расширения функций ядра предложена схема, в соответствии с которой в процессы ядра включены своеобразные точки останова "break-out-points", называемые "events" (события). События инициируют фрагменты пользовательского кода на Visual C++, называемого здесь "compile cycles" (скомпилированные циклы) [41,15]. Скомпилированные циклы имеют унифицированный интерфейс OPI (OEM Program Interface), что обеспечивает им стандартный доступ к системным данным и функциям посредством механизма связывания "binding". С другой стороны, скомпилированные циклы могут использовать и собственные данные. Такой
стр.: 17
подход обеспечивает полную совместимость расширенного программного обеспечения системы ЧПУ.
Таким образом, в спектре архитектурных решений наиболее уверенные позиции занимает концепция PCNC; при этом по мере роста вычислительной мощности процессоров все чаще предпочтение отдают одно-компьютерному варианту [34]. В качестве операционной системы стандартом де-факто стала Windows NT с расширением реального времени. Программируемые контроллеры реализуют программным путем в рамках единой вычислительной среды для ядра ЧПУ; а терминал системы ЧПУ используют для программирования электроавтоматики. Периферия систем ЧПУ становится сетевой; причем все чаще единая сеть используется как для приводов подачи, так и для системы управления электроавтоматикой. Наиболее значительная тенденция состоит в развитии идей открытой архитектуры, предоставляющей конечному пользователю широкие возможности для реализации собственных функций.
1.2. Структура терминальной задачи с открытой архитектурой
1.2.1. Классическое разделение задач управления
Функции современной системы ЧПУ определяются системой необходимых взаимодействий. Прежде всего, ЧПУ выступает как управляющий автомат по отношению к своему собственному объекту - станку или иному технологическому оборудованию. В то же время система ЧПУ сама является объектом управления в окружающей производственной среде [39].
Более внимательное рассмотрение функций системы ЧПУ позволяет выделить основополагающие задачи управления:
• геометрическую, отвечающую за управление следящими приводами станка с целью получения детали заданной геометрией;
• логическую, необходимость которой обусловлена организацией управления электроавтоматикой станка;

 Часть из работы     Получить работу