2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 3
ГЛАВА 1. ИНДУСТРИАЛЬНАЯ И ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭПОХИ ......... 6
1.1. Анализ технологий индустриальной эпохи ........................................... 6
1.2. Инновации информационной эпохи ..................................................... 13
1.3. Преемственность индустриальной и информационной эпох ............. 19
ГЛАВА 2. СВЕРЛИЛЬНО-РАСТОЧНОЙ СТАНОК «ЭРЛИКОН-KB3» .... 26
2.1. История развития фирмы «Эрликон» ................................................... 26
2.2. Основные характеристики станка «Эрликон-KB3» ............................ 32
2.3. Система числового программного управления «Эрликон-KB3»....... 40
ГЛАВА 3. НОВАЯ СИСТЕМА ЧПУ «ЭРЛИКОН-KB3» ............................. 49
3.1. Основные проблемы реализации ........................................................... 49
3.2. Аппаратная часть станка и системы управления ................................. 56
3.3. Пользовательское и системное программное обеспечение ................ 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .............................................. 77
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Основные узлы станка «Эрликон-КВ3» ....................... 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Упрощенная схема системы ЧПУ станка «Эрликон-
КВ3» .................................................................................................................... 84
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Системный блок ЧПУ ..................................................... 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Пульт управления оператора .......................................... 88
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Примеры программ на языке «Си» для управления
контроллером «KFlop» ..................................................................................... 90
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Функциональная диаграмма контроллера «KFlop» ..... 93
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Графический интерфейс программ системы ЧПУ ...... 94
3
ВВЕДЕНИЕ
Экономическая ситуация в которой оказалось наше государство в
конце 90-х годов ХХ века в результате предательства высших
государственных лиц и сдачи национальных интересов, является не самой
лучшей. Перевод экономики от четко упорядоченной плановой к
беспорядочной рыночной привел к деиндустриализации страны. В том
числе к уничтожению приборостроительной и станкостроительной
отраслей, к абсолютной зависимости от европейских, американских,
китайских и других иностранных поставщиков оборудования и
комплектующих даже в оружейной и космических областях. Приобретая
станки и оборудование в других странах государство берет на себя роль
вечно догоняющего так как на мировом рынке станкостроительных
технологий можно купить только морально устаревшее оборудование.
Самые совершенные и современные станки, страны, их производящие,
используют для собственного производства и экономического роста.
Ситуация усугубляется тем, что Мир находится в стадии перехода от
индустриальной эпохи к информационной, постиндустриальной. Наше
государство наоборот откатилось к царским временам, доиндустриальной
эре, когда труд в стране был в основном кустарный и мануфактурный, а
станки были полностью иностранного производства. В настоящее время
основная часть промышленности вынуждена использовать устаревшие
отечественные станки, произведенные еще в СССР в ХХ-м веке, либо
пользоваться относительно современной, но иностранной станочной
продукцией, цена которой, как правило, сильно завышена. При этом в
стране отсутствуют технологии производства средств производства.
Немного исправляет ситуацию, то что запас прочности, заложенный
в станки советского периода, достаточно велик и пока его хватает, несмотря
4
на то, что многим станкам, эксплуатирующихся в настоящее время, уже
более 50 лет.
Вышеизложенное является обоснованием темы исследования
настоящего проекта. Актуальность темы исследования заключается в том,
что в стране имеется огромный парк морально устаревших средств
производства, для обслуживания которого требуется обучение персонала
работе на устаревшем оборудовании. Кроме того, станки ХХ-го века, как
правило, не имеют числового управления и требуют ручного труда.
Выходом из ситуации может стать идея установить на устаревшие
станки, с вполне рабочей механической частью, современные системы
числового управления и таким образом повысить их производительность.
Станки, модернизированные подобным образом, не смогут тягаться с
современными станками, однако стоимость подобной модернизации иногда
в десятки раз ниже цены нового современного станка с аналогичным
функционалом. Ни каждая производственная фирма может финансово
потянуть покупку нового станка, но модернизация старого вполне по силам
даже компании с относительно небольшим оборотом.
Практическая значимость работы заключается в том, что идея
чипизации станков (т.е. установки на станки с ручным приводом
электронных систем управления) справедлива не только по отношению к
нашей стране, но и к другим странам, которые имеют большое количество
станков с ручным управлением. В настоящее время в мире наблюдается
настоящий бум модернизации станков индустриальной эпохи (XVII-XX
века) путем установки на них современных числовых систем управления –
продуктов информационной эпохи (XXI век).
Объектом исследования настоящей работы выступает технология
производства промышленного оборудования индустриальной и
информационной эпох. Предметом исследования является продукт
станкостроительной отрасли индустриальной эпохи, модернизированный
5
средствами информационной эпохи, а именно сверлильно-расточной станок
фирмы «Эрликон» 1968 года выпуска.
Цель работы заключается в разработке новой системы числового
управления для станка «Эрликон-BK03» (OERLIKON-BK03) на
современной элементной базе, взамен устаревшей системы ЧПУ,
построенной на релейной базе, с перфоленточным вводом программы.
Основными задачами проекта являются: 1) Анализ технологий
индустриальной и информационной эпох, как объекта исследования; 2)
Изучение принципов работы и назначения устройств и агрегатов станка
«Эрликон»; 3) Изучение принципов управления станком оригинальной
системой ЧПУ; 4) Подбор современных комплектующих для замены
устаревших; 5) Подбор программного обеспечения для управления новой
системой ЧПУ; 6) Разработка системного адаптационного программного
обеспечения.
Основными авторами по теме проекта являются: Жолобов А. А.,
Мрочек Ж. А., Аверченков А. В. (Станки с ЧПУ. Устройство,
программирование); Микрин Е. А., Деменков Н. П. (Управление в
технических системах); Болл Стюарт Р. (Программируемые системы.
Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров); Магда Ю.
(Программирование последовательных интерфейсов).
Работа состоит из трех глав. В первой главе рассматриваются
технологии производства промышленного оборудования, дается краткая
история развития станкостроительных технологий с XIIX по XXI век.
Вторая глава содержит описание станка «Эрликон-BK3», его основных
узлов и агрегатов, их назначение и принцип работы. В последней главе
описывается процесс создания новой системы числового программного
управления, взамен морально устаревшей.
Объем работы составляет 94 страницы, в том числе 63 рисунка и 2
таблицы.
6
ГЛАВА 1. ИНДУСТРИАЛЬНАЯ
И ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭПОХИ
1.1. Анализ технологий индустриальной эпохи
Индустриальная эпоха развития человечества ограничивается
рамками XVII-XX веков. Она начинается с появлением первых мануфактур
серийного производства изделий и заканчивается переходом общества в
новую, информационную эру. Эру, в которой индустриализация считается
чем-то само-собой разумеющимся, эру в которой на первый план выходят
не средства и технологии производства, а технологии управления
производственными процессами, анализ потоков информации и выработка
управляющих решений [12].
Именно технологии промышленного производства этих двух
последних эпох развития человечества будут являться объектом
исследования настоящей работы. Однако основное внимание будет
сосредоточено на технологиях станкостроительной отрасли.
В каждой эпохе наблюдается ощутимая разница в подходах к
производству средств производства, т.е. обрабатывающих станков.
Станкостроительная отрасль индустриальной эпохи большую часть
времени (XVII-XIX века) рассматривала станок, как средство облегчения,
ускорения и повышения качества ручного труда рабочего т.е. человека.
Рабочий считался неотъемлемой частью станка, без профессиональных
навыков и умений которого станок был абсолютно бесполезен. Лишь в
начале XX века с появлением электронной промышленности и
вычислительной техники акцент стал смещаться в сторону автоматизации
средств производства, рабочему отводилось место разработчика
управляющей программы и наблюдателя за автоматизированным,
программно-управляемым процессом производства.
7
По музейным экспонатам первых промышленных станков можно
проследить тенденцию ко все большему увеличению производительности
средств производства. Мускульным привод станков и приспособлений
вытеснялся энергией ветра и воды, которые, в свою очередь, были
вытеснены паровыми машинами и дизельными двигателями (рисунок 1). С
появлением сетей передачи электрической энергии промышленные станки
начали обретать, более привычный в настоящее время, электрический
привод. Первые станки с электрическим приводом появились в конце 19
века, но массовое производство станков с индивидуальным электрическим
приводом стало распространяться только с начала 20 века. До конца 19-века
станки имели преимущественно групповой привод от общего вала, который
проходил через весь цех [15].
Рисунок 1 - Станок с ножным приводом (слева), станок с групповым
приводом от общего вала, который вращается водяным колесом, паровой
или дизельной машиной (справа)
Стоит упомянуть первые станки с программным управлением,
созданные французским изобретателем Жозефом Мари Жаккаром (фамилия
иногда произносится как Жаккард) в 1804 году, для производства
крупноузорчатых тканей (рисунок 2). Машина Жаккара даёт возможность
при образовании зева на ткацком станке раздельно управлять
перемещением каждой нити основы и вырабатывать ткани, раппорт
8
которых состоит из большого числа нитей. При помощи жаккардовой
машины можно изготавливать узорчатые платьевые и декоративные
жаккардовые ткани, ковры, скатерти и многое другое [38].
Рисунок 2 - Ткацкий станок Жаккара (Жаккарда)
Уникальным для своего времени отличием этого станка от множества
других ткацких станков было то, что станок Жаккара работал на основе
перфокарт, с помощью которых можно было наносить на ткань нужный
рисунок.
Именно станок Жаккара по праву можно считать первым
программируемым станком, который является прародителем всех станков с
числовым программным управлением [34].
Другими выдающимися людьми 19 века, навсегда вписавшими себя в
историю программируемых машин, являются Августа Ада Кинг
(урождённая Байрон, графиня Лавлейс, более известная как Ада Лавлейс) и
Чарльз Бэббидж - изобретатель первой аналитической вычислительной
9
машины. Графиня Лавлейс известна прежде всего созданием описания
вычислительной машины, проект которой был разработан Чарльзом
Бэббиджем (рисунок 3). Ада также знаменита тем, что является первым в
истории программистом, именно она составила первую в мире программу
для машины Бэббиджа. Графиня ввела в употребление термины «цикл» и
«рабочая ячейка».
В честь Ады Лавлейс получил название высокоуровневый язык
программирования реального времени с Паскале-подобным синтаксисом.
Язык применяется в основном во встроенных системах военного назначения
и за рамки военной области распространения не получил [11].
Рисунок 3 - Чарльз Бэббидж и его вычислительная машина
Известен принцип производства изделий в современных
капиталистических экономиках, согласно которому изделие не должно
работать много дольше гарантийного срока эксплуатации. Известны случаи,
когда электронные товары выходили из строя буквально на следующий день
после истечения гарантийного срока, так как производитель закладывал в
управляющую программу прибора (т.е. в «прошивку»), специальную
функцию, которая активировалась после окончания гарантийного срока и
приводила прибор в частично или полностью неисправное состояние [47].
10
Этот принцип относится и к современным изделиям станкостроительной
отрасти планеты. Долговечность работы современных станков после
истечения гарантийного срока оставляет желать лучшего.
Подобный подход к производству товаров диктуется современными
экономическими реалиями. Так как для снижения стоимости товара и
повышения его конкурентности на рынке необходимо крупносерийное,
максимально автоматизированное производство. Затем производитель
должен как-то сбывать товар, произведенный крупносерийными партиями,
на рынке, наполненном продукцией конкурирующих фирм. В противном
случае компанию ждет банкротство.
Однако на этапе зарождения станкостроения, мировой рынок не был
перенасыщен продукцией станкостроительной отрасти. По этой причине у
компаний - производителей станков не имелось проблем со сбытом своей
продукции, несмотря на то, что их продукция имела очень высокую
стоимость. При производстве изделий упор делался на надёжность и
долговечность средств производства. Именно благодаря такому подходу к
производству станков в настоящее время на планете имеется огромное
количество вполне функционирующих станков, возраст которых
переваливает за 50 и даже 100 лет. Эти станки давно пережили гарантийный
срок эксплуатации, и все равно сохранили работоспособность.
Зная ситуацию, производители станков и комплектующих
продолжают производить запасные части для морально устаревших
станков, снятых с производства десятки лет назад, так как на них все еще
есть спрос и это до сих пор приносит прибыль. Кроме того, в глобальной
сети «Интернет» можно найти объявления по продаже рабочих станков,
произведенных в конце 19-го и начале 20-го века.
Особым случаем является такой производственный инструмент, как
швейная машинка, впервые появившаяся во второй половине 18-го века
(рисунок 4). Швейные машины стоили достаточно дорого, но все же
11
приобретались не только для создания промышленного производства
одежды и обуви, а также и для личного пользования. До начала 21 века была
распространена достаточно интересная практика, когда швейные машинки
переходили по наследству от матери к дочери и часто выступали в роли
приданного, когда девушка выходила замуж.
Рисунок 4 – Одна из первых швейных машин
Следующим эволюционным шагом развития станкостроения
индустриальной эры (после оснащения станков индивидуальным
электрическим приводом) стало внедрение автоматизации управления
станками и, как следствие, смена функциональных обязанностей рабочего,
закрепленного за станком [35].
С появлением первым электрических вычислительных машин в
середине 20 века их пытались приспособить для управления
промышленными процессами, в том числе для автоматизированного,
программного управления средствами производства, но впервые идею
управления металлообрабатывающим станком удалось реализовать
Массачусетскому технологическому институту (Massachusetts Institute of
Technology, MIT, штат Массачусетс, США). В сентябре 1952 года станок с
числовым программным управлением был официально представлен. Станок
управлялся с помощью программы, записанной на перфоленте.