Система ЧПУ «Орбита-500»

1. 28 июня 2015
Система ЧПУ «Орбита-500»
УГАТУ

2. Описание системы ЧПУ
2

3. Компьютерная система ЧПУ предназначена для управления обработкой
сложнопрофильных деталей на 5 координатных металлорежущих станках.
Цель проекта - повышение точности, производительности и качества обработки
лопаток, моноколес и др. аналогичных деталей авиационных двигателей.
Решаются следующие главные задачи:
1. Управляемая пространственная 3D-коррекция размеров обрабатываемых деталей в
реальном масштабе времени.
2. Автоматический контроль размеров с помощью оптической оцифровки
поверхностей.
Отличительные особенности
3

4. Основные параметры
1.Число управляемых координат – 16.
2. Редактор управляющих программ.
3. Многозадачная работа.
4. Алгоритмы интерполяции – линейная, круговая, сферическая, сплайновая.
5. Функции LOOK-AHEAD.
6. Параболический микроинтерполятор.
7. Отображение на мониторе траектории движения инструмента в 3-х мерном
пространстве.
8. Управление контурной скоростью по линейному, экспоненциальному,
параболическому и S-образному законам.
9. Асинхронное управление скоростью подачи в зависимости от кривизны
обрабатываемого контура.
10. Передача управляющих воздействий на электроприводы с периодом
0.001с.
11. Программное обеспечение контроллера электроавтоматики.
4

5. Управление точностью обработки
1. Задание в УП направляющих косинусов нормали к поверхности обработки и
направляющих косинусов оси инструмента.
2. Аппроксимация точечно-заданных контуров сплайнами или дугами окружностей.
3. Расчет всех движений рабочих органов станка (5-координатная трансформация).
4. Автоматически управляемая 3D-коррекция на непрерывно изменяющийся радиус
торцовой части фрезы в реальном масштабе времени.
5.Самонастраивающаяся система управления глубиной резания с учетом податливости
детали и инструмента в каждой опорной точке траектории обработки.
6. Автоматический контроль размеров сложнопрофильных деталей с помощью
цифровых измерительных устройств на основе лазерных датчиков.
7. Управление движением инструмента с заданной скоростью подачи при отработке
коротких кадров (режим компрессии).
8. Автоматическое изменение подачи в зависимости от радиуса кривизны контура
обработки. 5

6. Промышленный компьютер
APC910 с операционными
системами Automation Runtime
(ОСРВ) и Windows 7 64 бит
X2X
X2X
Дискретный сигнал кнопки аварийного
останова
Дискретный
сигнал кнопки
аварийного
останова
Набор модулей
ввода/вывода для
подключения станочной
автоматики
Комплект
сервоприводов
ACOPOSmultiСервомоторы
SDL
Подключение единым гибридным
кабелем (силовые линии + сигнал с
датчика положения)
Панель оператора
ЧПУ
Станочный
пульт
Структурная схема технических средств системы ЧПУ
“Орбита 500”
X
n
S
Станочная
автоматика
Станок
Система управления
построена на оборудовании
компании B&R
Лазерная система
3D-контроля размеров деталей
Деталь
TCP/IP - BSON

7. Представленная система ЧПУ является распределенной системой и состоит из
сервера, рабочего места оператора (сенсорной панели), станочного пульта и
контроллера управления электроавтоматикой.
Основной объем вычислений производится в сервере на промышленном
компьютере с двумя операционными системами - ОС реального времени и ОС
Windows 7. В операционной системе Windows установлена основная серверная
часть системы ЧПУ, где выполняются все расчеты по формообразованию
деталей, происходит подготовка данных для отображения на сенсорной панели.
В операционной системе реального времени осуществляется управление
приводами и производится обмен данными с контроллерами электроавтоматики
и станочного пульта.
На рабочем месте оператора отображается текущее состояние системы,
производится верификация и хранение управляющих программ (УП), графически
отображается процесс обработки.
Контроллер управления электроавтоматикой представляет собой
промышленный программируемый логический контроллер, который связан с
сервером сетями реального времени (PowerLink).
Архитектура системы
7

8. Модуль
приема-
передачи
сообщений
(Sockets)
Модуль приема-
передачи сообщений
(Sockets)
Модуль
пользовательского
интерфейса (QT)
Сенсорная панель с ОС
Linux
Станочный пульт
Законченное
решение от
Siemens, либо
российского
производства с
контроллером
Контроллер
автоматики
ПЛК со
стандартными
языками по МЭК
61131-3
Модуль приема-
передачи сообщений
(CANOpen)
Модуль приема-
передачи сообщений
(CANOpen)
УП,
команды
Интерпретатор
УП,
команды
IPD
Буфер
IPD
Транслятор и
«look ahead»
посылки Буфер посылки Интерполятор
посылки
Буфер
макроприращения
Микроинтерполятор с
оперативным модулем
управления скоростью
микроприр
ащения
Регуляторы управления
приводами
Блок управления
автоматикой станка
команды
управления
автоматикой сигналы,
команды
сигналы
команды
Сервоприводы
команды,
сигналы, коррекция
сигналы
команды
Сервер системы ЧПУ
Структурная схема программного обеспечения
системы ЧПУ
8

9. Сервер - основная компонента представленной ЧПУ. Он реализован в виде
многопоточного приложения, позволяющего одновременно рассчитывать
траекторию движения инструмента, обмениваться командами, выдавать данные
о состоянии ЧПУ и приращениях интерполяции и т.д. Все составляющие этого
приложения являются независимыми отдельными модулями, каждый из которых
выполняется в своем потоке, реализует свою конкретную задачу и связан с
другими модулями посредством универсальных потокозащищенных кольцевых
буферов.
В качестве механизма обмена сообщений между сервером и рабочим местом
оператора, в соответствии с принципами построения открытых систем, была
выбрана архитектура типа клиент-сервер и реализован обмен данными на
основе протокола BSON, что обеспечило удобство реализации и будущего
расширения системы.
Для обмена командами и сигналами с контроллером автоматики и станочным
пультом используются быстрые интерфейсы такие как X2X и PowerLink.
Управление приводами возможно либо по протоколу PowerLink, либо с
помощью сигналов аналогового ввода-вывода.
Программная архитектура СЧПУ
9

10. Интерпретатор является составной частью программного обеспечения СЧПУ
и предназначен для формирования команд и данных, передаваемых
различным модулям. На вход интерпретатора поступает текст УП в стандарте
ISO-7 bit.
Основные функции интерпретатора: предварительная проверка кадров УП;
адаптация СЧПУ к синтаксису и семантике языка УП, выбранного
пользователем; распределение информации по модулям СЧПУ.
Сначала интерпретатор формирует информацию для интерполятора в виде
IPD (Interpolation Packets Data)-кодов, которые генерируются в соответствии с
семантикой текущего и смежного кадров УП, историей отработки предыдущих
кадров, текущим режимом работы и состоянием СЧПУ. Затем IPD-коды
преобразуются Транслятором в пакеты, которые направляются в модуль
функционального разгона-торможения, модуль Look Ahead и потом в
интерполятор.
Программная архитектура СЧПУ
10

11. Модуль Look Ahead служит для контроля скоростей подачи, заданных в
некоторой последовательности кадров УП. Если, например, путь в кадре мал
(«короткий кадр») и при ограниченном допустимом ускорении нельзя плавно
изменить скорость на требуемую величину, то пересчитываются скорости
подачи в одном или в ряде кадров.
Этот модуль анализирует параметры процесса обработки в каждом кадре УП и
контролирует контурную скорость и ускорение, которые проверяются и
корректируются с учетом допустимых значений, заданных для каждой
координаты. Кроме того, контроль контурной скорости осуществляется в
следующих случаях: в конце кадра; в точках изменения модуля и (или)
направления вектора контурной скорости; в «коротких кадрах»; при движении по
окружности малого радиуса (при этом вследствие аппроксимации дуги
окружности хордами стрелка прогиба может превысить допустимое значение). В
результате работы модуля Look Ahead определяются новое значение контурной
скорости и скорость в конце отработки кадра (конечная скорость).
Программная архитектура СЧПУ
11

12. Модуль функционального разгона-торможения предназначен для
управления величиной шага интегрирования макро интерполятор а в режимах
разгона и торможения. Этот модуль обеспечивает плавное трогание и разгон
электроприводов от начальной скорости до запрограммированной, а также
плавное торможение от запрограммированной скорости до конечной на рабочих
подачах и в процессе позиционирования.
На вход модуля поступают значения текущей длины траектории перемещения
центра инструмента и контурной скорости. В модуле рассчитывается текущая
скорость подачи в каждом такте интерполяции. По окончании отработки каждого
кадра УП обеспечивается перемещение исполнительного органа в конечную
точку с заданной скоростью.
Программная архитектура СЧПУ
12

13. Интерполятор является автономным модулем СЧПУ и предназначен для
линейной, круговой и сплайн-интерполяции, а также для комбинации разных
видов интерполяции. Для решения задачи управления точностью обработки
интерполятор рассчитывает траекторию движения центра инструмента и
перемещение центра его поворота. На основе этих расчетов осуществляется
пространственная коррекция размеров обрабатываемых деталей.
Интерполятор посредством модуля связи обеспечивает передачу на рабочее
место оператора параметров интерполяции, а также следующих оперативных
сигналов управления: пуск, стоп, аварийная остановка, маска аварийного
состояния концевых выключателей, установка в ноль, команды ручного
управления приводами подачи, выход электроприводов в фиксированную точку,
установка абсолютных значений координат и др.
С выходов интерполятора на приводной контроллер поступают данные об
абсолютных значениях всех координат, их приращениях за каждый таймерный
период, о скорости приращений, о номере текущего кадра УП, а также о
состоянии интерполятора.
Интерполятор содержит ряд независимых модулей: диспетчер интерполятора;
модуль разгона-торможения; линейный, круговой и сплайн-интерполяторы;
модули ручного управления, выхода в фиксированную точку, коррекции и расчета
пространственных эквидистант; сумматор.
Программная архитектура СЧПУ
13

14. На данный момент реализованы:
Сервер. Все модули сервера написаны на языке C++ с применением объектно-
ориентированного подхода и кросс-платформенных библиотек std и boost. Они
оформлены в виде инвариантных программных модулей, собранных в
библиотеки, которые могут совершенствоваться и пополняться. Большой выбор
программных модулей позволяет решать сложные технологические задачи.
Программный код сервера можно собрать как для OC Windows, так и для ОС
Linux.
Частично рабочее место оператора. Разработана полноценная версия для ОС
Windows, идет работа по разработке кросс-платформенной версии с
использованием кроссплатформенной библиотеки Qt.
Программная реализация СЧПУ
14

15. Тестирование модулей системы
15

16. Тест 1
Рис.1. График траектории движения инструмента
Рис.2. График изменения скорости
Модуль Look-Ahead
16

17. Тест 2
Рис. 1. В программе задан плавный контур,
состоящий из двух линейных участков и трех дуг
окружностей.
Рис.2 График изменения скорости
Модуль Look-Ahead
17

18. Тест 3
Рис.1. Эта программа отличается от
предыдущей тем, что между 1-й и 2-й, а также
между 2-й и 3-ей дугами окружностей вставлены
короткие кадры. Они не могут отрабатываться с
заданной скоростью подачи. Поэтому
Look_ahead автоматически снижает скорость
подачи при отработке этих коротких кадров.
Рис.2 График изменения скорости
Модуль Look-Ahead
18

19. Тест 4
Рис.1. Показано, как Look_ahead
ограничивает скорость движения по дугам
окружностей из-за жестких требований к
стрелкам прогиба на этих дугах
Рис. 2. Видно, что при выходе на дугу окружности Look_ahead снизил заданную скорость
400 дискр./цикл до величины 283 дискр./цикл. После схода с дуги окружности скорость
автоматически восстановилась до заданного значения.
Модуль Look-Ahead
19

20. Тест 5
Рис. 1. В данной тестовой
программе показано влияние
Look_ahead на контурную скорость
в точках излома контура обработки.
Рис. 2. График изменения скорости
Модуль Look-Ahead
20

21. Тестирование модулей разгона
торможения
21

22. Рис. 1. Режим позиционирования Рис. 2. Реверс
Экспоненциальный модуль разгона-
торможения
22

23. Рис. 1. Структурная схема
Рис. 2. Траектория торможения
по линейному закону
Рис. 3. Траектория торможения по
линейно-параболическому закону
Линейно-параболический модуль
разгона-торможения
23

24. Линейно-параболический модуль
разгона-торможения
Экспериментальные данные
Рис. 1. Торможение по линейному закону
24

25. Рис. 2. Торможение по линейно-параболическому закону
Линейно-параболический модуль
разгона-торможения
Экспериментальные данные (продолжение)
25

26. Рис. 1. Разгон и торможение
Модуль разгона-торможения с S-
образными характеристиками
26

27. Управление формообразованием
сложно-профильных деталей
27

28. Простейший пример аппроксимации

29. Алгоритм сплайновой интерполяции
основан на численном решении
системы дифференциальных
уравнений в форме Шеннона
степенным методом. Систему
дифференциальных уравнений можно
представить в виде схемы соединений
интеграторов Римана и Стилтьеса.
Каждому уравнению системы отвечает
определенный интегратор.
По сравнению с известным
классическим методом Рунге-Кутты
порядок точности решений
дифференциальных уравнений данным
методом значительно выше.
Структурная схема
сплайнового интерполятора
29

30. Тест сплайнового интерполятора
30

31. Обработка лопатки в системе ЧПУ «Орбита»
31

32. Тест микроинтерполятора
Рис. 1. Микроинтерполяция контура
Рис. 2. Микроинтерполяция скорости
32

33. Рис.1. Станок модели 500VB
5 координатный станок оснащен крестовым столом, а также поворотным столом с горизонтальной
осью вращения и ориентируемой фрезерной головкой, что позволяет производить обработку
шпинделем, расположенным под любым углом к поверхности обрабатываемой детали. (рис.1).
Преобразования движений инструмента из системы координат детали в систему координат станка
осуществляются в системе ЧПУ. Эта задача для 5 координатных станков называется задачей
пятикоординатной трансформации.
Задача 5 координатной трансформации
33

34. Задача многокоординатной
трансформации подобна обратной
позиционной задаче, решаемой в
робототехнике, когда при заданном
положении и ориентации конечного
звена механизма требуется найти его
обобщенные координаты
Решение задачи 5 координатной
трансформации
34

35. В режиме сферической интерполяции движется
относительно заготовки инструмент – торцовая
фреза (рис. 1). Для управления таким
движением требуются четыре синхронно
работающих интерполятора: интерполятор
контура, интерполятор вектора эквидистанты,
интерполятор вектора ориентации инструмента
и интерполятор вектора оси инструмента.
Каждый из интерполяторов представляет собой
систему линейных алгебраических уравнений
(СЛАУ) и сопряженную с ней систему
дифференциальных уравнений (ДУ). Все
уравнения решаются в одной общей программе.
Рис.1. Движение торцовой фрезы
Управление движением инструмента на 5
координатном станке в режиме сферической
интерполяции
35

36. 0 20 40 60 80 100
50
40
30
20
10
fi1
t
0 20 40 60 80 100
20
10
0
10
20
fi7
t
0 20 40 60 80 100
0.98
0.99
1
1.01
1.02
R2
t
0 20 40 60 80 100
1
1.05
1.1
1.15
1.2
R4
t
xn7 yn7  zn7 ( )
0 20 40 60 80 100
0.6
0.7
0.8
0.9
1
R5
t
Главная задача системы управления
5 координатным станком, который
представлен в виде
манипуляционного робота,
заключается в определении
приращений обобщенных координат.
Значения этих приращений
находятся из ДУ обобщенных
координат.
Тест управления движением инструмента на 5
координатном станке в режиме сферической
интерполяции
36

37. Рис.1. Точечно заданный контур Рис.2. Контур, аппроксимированный
дугами окружностей
Аппроксимация сложных контуров дугами
окружностей
37

38. Движение центра инструмента при обработке
лопатки на 5 координатном станке с системой
Sinumerik 840D
(Существующая схема обработки на УМПО)
На рисунке показана
пространственная траектория
движения центра торцовой
фрезы при обработке лопатки
компрессора авиационного
двигателя. В районе передней и
задней кромок лопатки
происходит переносное
движение центра фрезы
относительно точки контакта
инструмента с деталью. В
процессе обработки детали по
такой схеме 3D-коррекция
размеров невозможна.
38

39. Принцип 3D-коррекции
Для реализации 3D-коррекции необходимо знать
вектор оси инструмента L и вектор нормали N к
поверхности обработки в точке контакта
инструмента с деталью. Исходя из взаимного
расположения этих векторов и корректирующих
значений для радиуса, система управления
должна рассчитать пространственное смещение
инструмента в направлении вектора нормали с
сохранением ориентации инструмента, заданной
в управляющей программе.
39

40. Самонастраивающаяся система управления
точностью обработки лопаток ГТД
Оптический измеритель и вычислитель УЧПУ определяют координаты вектора фактического
припуска заготовки для чистовой обработки. Регулятор глубины резания на основании этого
вектора и вектора коэффициентов податливости вычисляет координаты вектора скорректи-
рованной глубины резания. Вектор отклонений размеров обработанной детали от заданных
размеров служит для идентификации вектора коэффициентов податливости . Система
учитывает показатель износа инструмента.
1N
gk t
2N
gk
40

41. Системы "ОПТЭЛ" автоматизированного
лазерного контроля геометрии лопаток ГТД
Новая система «ОПТЭЛ-ТУРБО 5»
на ОАО«Климов»
г. С.Петербург
Система «ОПТЭЛ-ЛПШ»
на ММПП «САЛЮТ»
г. Москва
41

42. Системы "ОПТЭЛ" автоматизированного
лазерного контроля геометрии лопаток ГТД
1. Контроль геометрических параметров изделий сложной формы при производстве
газотурбинных двигателей (ГТД): компрессорных и турбинных лопаток, дисков рабочих колес,
технологической оснастки и др.
Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ),
Научно-внедренческое предприятие "ОПТЭЛ"
2. Системы "ОПТЭЛ" содержат лазерный сканирующий оптико - механический блок с
высокоточными координатными и поворотными столами, компьютер и специальное
программное обеспечение.
3. Погрешность измерения профиля:
а) теневым способом - 0,003 мм.
в) триангуляционным способом - 0,01 мм.
Время измерения одной лопатки ГТД - менее 1 минуты.
4. Системы «ОПТЭЛ» сертифицированы в Росстандарте и внесены как тип средств измерений
в Госреестр.
5. Внедрены: ОАО «КМПО», ОАО «УМПО», ММПП «САЛЮТ», НПО «САТУРН»,
«СНТК им. Кузнецова», ОАО «Пермский Моторостроительный завод», ОАО «Климов» и др.
42

43. Заключение
Повышение точности механической обработки сложнопрофильных
авиационных деталей позволит исключить из технологического цикла
весьма трудоемкую ручную доработку этих деталей. В результате
снизятся затраты, увеличатся производительность и качество
изготовления данных деталей.
Авиационная, оборонная, космическая, атомная, судостроительная и
автомобильная промышленности
1. Потенциальные
преимущества
(экономические,
технические)
2. Потенциальные
коммерческие рынки
3. Заинтересованность
участников рынка
4. Конкуренты
5. Стадия разработки
новшества
В настоящее время, в связи с финансовым кризисом, стоимость
импортных систем ЧПУ возрастает, а поставка их в Россию вследствие
неблагоприятных внутренних и внешних условий (санкций) запрещена.
Полностью запрещена поставка сложных многокоординатных станков с
ЧПУ, которые имеют особое значение для авиационной и оборонной
промышленности.
Российские фирмы не выпускают системы ЧПУ с технологическими
функциями для управления точностью обработки сложнопрофильных
деталей. В лучших импортных системах ЧПУ такие функции имеются
лишь в усеченных вариантах.
Опытная версия системы ЧПУ испытана и протестирована на
компьютерах. Готовность промышленного варианта системы составляет
70-75%.
43