62
электромагнит фиксации оси «Z», электромагнит фиксации оси «Х». Так как
электродвигатель привода оси «Z» подключен через частотный
преобразователь (рисунок 37), он не нуждается в устройстве защиты,
частотный преобразователь имеет встроенный механизм защиты двигателя.
Кроме устройств защиты асинхронные агрегаты трехфазного
напряжения нуждаются в специальных устройствах запуска – трехфазных
контакторах (пускателях). Запустить в работу трехфазный двигатель с
помощью обычного реле невозможно. Дело в том, что обмотка таких
двигателей имеет значительное сопротивление и при замыкании контактов
включения возникает большое искрообразование, которое приводит к
быстрому выходу реле из строя. Пускатели (в отличие от реле)
спроектированы так, чтобы искрообразование не приводило к их быстрому
износу.
В защите нуждаются не только цепи питания электродвигателей, но и
цепи питания других электрических устройств системы ЧПУ. Защиту от
перегрузки и от короткого замыкания обеспечивают автоматические
выключатели. В системе ЧПУ имеет 5 однофазных и 1 трехфазный
автоматический выключатель. Однофазные выключатели обеспечивают
защиту всех четырех имеющихся в системе источников постоянного
напряжения, пятый автоматический выключатель защищает обмотки
электромагнитных пускателей. Через единственный трехфазный автомат
защиты подключается пятикиловаттный двигатель привода оси «Z».
Последним видом защитного устройства, который применен в
системе ЧПУ, является – устройство плавного пуска асинхронного
трехфазного двигателя привода шпинделя [19]. Двигатель шпинделя,
мощностью 5 киловатт, нуждается в плавной раскрутке якоря. Так как
резкий удар по приводным шестерням приводит к быстрому выходу из
строя коробки передач станка. Кроме того, двигатель такой мощности во
время резкого пуска вызовет большое потребление энергии в общей сети
63
питания. Все используемые в системе ЧПУ защитные устройства показаны
на рисунке 47, подробное описание и расположение устройств показано в
Приложении В, рисунок В.1.
Рисунок 47 – Устройства защиты и пуска (слева направо):
устройство защиты трехфазного двигателя от перегрева и обрыва фазы,
трехфазный автомат защиты от короткого замыкания и перегрузки,
трехфазный контактор (пускатель) трехфазных агрегатов,
устройство плавного пуска и останова трехфазных двигателей
Взаимодействие оператора с системой числового управления
осуществляется с помощью устройств ввода и вывода информации. В
качестве символьного устройства ввода используется обыкновенная
клавиатура со 108-ю клавишами. Но в качестве координатного устройства
ввода применен трекбол. Это связано с тем, что эксплуатация системы ЧПУ
осуществляется в промышленных, сильно запыленных помещениях. В
таких условиях стандартное устройство ввода координат, которым является
манипулятор типа «мышь», быстро загрязняется и выходит из строя.
Устройством вывода графической информации служат два
жидкокристаллических монитора вертикальной и горизонтальной
ориентации. Горизонтально ориентированный монитор служит для
удобного отображения программной и текстовой информации.
Вертикальный монитор является основным монитором для взаимодействия
с графическим интерфейсом операционной системы и другого
программного обеспечения. Оба монитора подключены к одному
графического контроллеру и поэтому могут использоваться для
расширенного отображения «рабочего стола» операционной системы.
64
Для вывода информации с электронных оптических линеек,
отслеживающих координаты осей станка, используется символьный
дисплей с семи-сегментными светодиодными индикаторами. Вывод
звуковой информации осуществляется через две акустические колонки,
закрепленные на задней стойке пульта управления. В системе ЧПУ имеется
«Wi-Fi» -адаптер, позволяющий осуществлять управление и контроль над
станком из любого места на планете через сеть «Интернет». Внешний вид и
расположение устройств ввода-вывода показано на рисунок Г.1.
3.3. Пользовательское и системное программное обеспечение
ЭВМ системы ЧПУ функционирует под управлением операционной
системы «Windows XP» («Windows NT 5.1», «32-бита», «х86») от компании
«Microsoft» (далее – «ОС»). Выбор данной ОС обусловлен рекомендациями
производителя контроллера «KFlop», на котором построена система ЧПУ.
Кроме ОС на жесткий диск ЭВМ были установлены необходимые
управляющие программы (далее – «драйверы») для входящих в состав ЭВМ
контроллеров: контроллера звука, графического контроллера (контролера
управления дисплеем), контролера локальной сети «Ethernet», контроллера
«Wi-Fi» и контроллера системы ЧПУ «KFlop». Драйвера для остальных
стандартных контроллеров ЭВМ (контроллера жесткого диска, клавиатуры,
манипулятора и др.) были установлены операционной системой
автоматически из собственной базы драйверов.
Так как контроллер звука, графический контроллер и контроллер сети
«Ethernet» встроены в системную плату ЭВМ, драйверы для этих
контроллеров прилагались на компактном диске при покупке системной
платы. В качестве контроллера «Wi-Fi» используется «USB-N13 802.11n»
производства компании «Asus». Контроллер подключается к ЭВМ через
USB-интерфейс версии 2.0 с помощью встроенного разъема типа «А».
65
Драйвер для данного контроллера был загружен с официального сайта
компании «Asus» - «https://www.asus.com».
С официального сайта компании производителя «Dynomotion» –
«http://dynomotion.com», был загружен и установлен драйвер для
контроллера «KFlop». Контроллер подключается к ЭВМ через USB-
интерфейс версии 2.0 с помощью кабеля с разъемами типа «А/В» (рисунок
48).
Рисунок 48 - «Wi-Fi» контроллер «USB-N13 802.11n» (слева),
кабель с для USB-интерфейса 2.0 с разъемами типа «А/В» (справа)
Для выполнения настройки контроллера «KFlop» требуется
специальное системное программное обеспечение - «KMotion» (рисунок
Ж.1), разработанное компанией «Dynomotion» [44]. С помощью этой
утилиты выполняется присваивание функциональной роли каждому пину
коннекторов, к которым подключаются устройства системы ЧПУ. Таким
образом мы сообщаем контроллеру «KFlop» какое именно устройство
подключено к конкретному пину имеющихся разъемов.
После выполнения настройки программой «KMotion» контроллеру
«KFlop» станет известно куда подключены контроллеры управления
двигателями, куда подключены электромагнитные реле, куда подключены
концевые датчики, куда подключены энкодеры, куда подключены
устройства с аналоговым управлением и все другие, имеющиеся в системе
ЧПУ устройства. Располагая этой информацией контроллер «KFlop» будет
знать какой алгоритм взаимодействия с устройством использовать, через
66
какие пины коннекторов нужно управлять устройствами, а через какие
получать информацию обратной связи (рисунок 49).
Сделанные настройки записываются в долговременную память
контроллера «KFlop» и не исчезнут после отключения питания. Интересным
фактом является то, что настройки записываются не в произвольном
двоичном или текстовом виде, а в виде программы на языке «С». Дело в том,
что контроллер «KFlop» представляет собой обычную однокристальную
ЭВМ на базе ПЛИС «SPARTAN» фирмы «Xilinx» с сигнальным
процессором «TMS320» фирмы «Texas Instruments», собранную на печатной
плате с другими необходимыми микросхемами для построения системы
ЧПУ. Эта однокристальная ЭВМ работает под управлением операционной
системы семейства «Unix». Контроллер имеет компилятор языка «С»,
который запускается после старта контроллера, выполняет компиляцию
конфигурационных файлов и запуск их на выполнение. Так как ОС «Unix»
является многозадачной, компилятор «С» может выполнить компиляцию и
запуск множества программ, которые будут работать одновременно и
участвовать в управлении системой ЧПУ. Пример конфигурационного
файла на языке «С» представлен в Приложении Д.
Рисунок 49 – Окна настройки контроллера «KFlop» (слева)
и платы расширения «KAnalog» (справа) в программе «KMotion»
67
Именно таким образом контроллер «KFlop» осуществляет управление
системой ЧПУ. Даже команды программы управления станком, записанные
на «G-коде» [16], преобразуются в программу на языке «С» [18] и в таком
виде посылаются в контроллер через USB-интерфейс, после чего
компилятор языка «С» выполняет их компиляцию и запуск. Запущенная
программа осуществляет управление устройствами системы ЧПУ через
пины коннекторов и завершается. Затем загружается следующая программа
– «С-интерпретация» следующей команды «G-кода».
После того как к пинам коннекторов были привязаны устройства
системы ЧПУ, в программе «KMotion» следует выполнить настройку осей,
т.е. сообщить программе какой контроллер и протокол связи используется
для управления двигателем оси, как она должна реагировать на сигналы,
приходящие на конкретные пины коннекторов, сообщить какие пины
относятся к оси «Х», какие к оси «Y» и т.д., указать как программа должна
реагировать на сигналы концевых датчиков (полностью выключать ось или
просто запретить дальнейшее движение) (рисунок 50).
Рисунок 50 – Окно настройки осей (слева) и окно с «С»-программой
настройки контроллера «KFlop» в программе «KMotion»
68
Кроме настройки контроллера «KFlop», программа «KMotion» дает
возможность программисту разрабатывать собственные программы
управления системой ЧПУ станка и загружать их в контроллер «KFlop» для
немедленного выполнения. Таким образом, используя язык «С», можно
разрабатывать различные сервисные программы управления станком:
программы вычисления размеров и положения заготовки с помощью
контактных измерительных зондов; программы поиска начала и окончания
координатных осей станка, ориентирующиеся по концевым датчикам;
программы автоматической смены инструмента и др.
В разделе 3.1 было сказано, что обычный частотный преобразователь
был программным образом превращен в сервопривод для управления
асинхронным трехфазным двигателем переменного тока, управляющий
осью «Z». Это было реализовано именно с помощью «С»-программы,
написанной и загруженной в «KFlop» через «KMotion». Текст программы
приведен в Приложении Д.
Функциональная диаграмма контроллера «KFlop» показана в
Приложении Е, рисунок Е.1, описание коннекторов и функциональных
блоков приведено на рисунке 51.
Рисунок 51 – Описание коннекторов (слева) и функциональные боки
(справа) контроллера «KFlop»
Основной программой, с которой работает оператор системы ЧПУ,
построенной на базе контроллера «KFlop», является программа
«KMotionCNC», также разработанная фирмой «Dynamotio». Эта программа
69
дает оператору возможность управлять движением осей станка вручную, и
отслеживать перемещение осей через графический интерфейс пользователя.
Значительная часть станков с ЧПУ управляются с помощью
программы, написанной на «G-коде». «G-код» - это общепринятое
наименование язык программирования станков с ЧПУ. Язык разработан
компанией «Electronic Industries Alliance» в начале 60-х годов XX века.
Рабочая версия вышла в феврале 1980 года как стандарт RS274D. Комитет
ISO утвердил «G-код» как стандарт «ISO 6983-1:2009». Госкомитет по
стандартам СССР — как «ГОСТ 20999-83». В советской технической
литературе «G-код» обозначается как код «ИСО 7-бит» (ISO 7-bit), так как
команды языка можно было кодировать всего лишь семью битами, восьмой
бит использовался для отслеживания ошибки записи по методу контроля
четности. Основные команды языка начинаются с буквы «G» (таблица 1),
технологические с буквы «M» (таблица 2).
Таблица 1 - Основные команды «G-код»
Коды
Описание
G00-G03
Позиционирование инструмента
G17-G19
Переключение рабочих плоскостей (XY, ZX, YZ)
G20-G21
Не стандартизовано
G40-G44
Компенсация размера различных частей инструмента
G53-G59
Переключение систем координат
G80-G85
Циклы сверления, растачивания, нарезания резьбы
G90-G91
Переключение координат (абсолютные, относительные)
G94
F (подача) — в формате мм/мин.
G95
F (подача) — в формате мм/об.
G99
После каждого цикла не отходить на «проходную точку»
70
Таблица 2 – Некоторые технологические команды «G-код»
Код
Описание
M00
Приостановить работу станка до нажатия кнопки «старт»
M02
Конец программы, без сброса модальных функций
M03
Начать вращение шпинделя по часовой стрелке
M04
Начать вращение шпинделя против часовой стрелки
M05
Остановить вращение шпинделя
M06
Сменить инструмент
M07
Включить дополнительное охлаждение
M08
Включить основное охлаждение.
M09
Выключить охлаждение
M17
Конец подпрограммы
В современной действительности программы управления станками с
ЧПУ редко пишутся вручную. Как правило деталь разрабатывается в одной
из систем автоматизированного проектирования (CAD/CAM-системе,
Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing): «ArtCAM»,
«RhinoCAM», «PowerMILL». На выходе получается готовая программа на
«G-коде», которая сразу загружается в станок для выполнения через
локальную сеть или сохраняется на носитель информации и переносится в
систему ЧПУ станка, где загружается в программу управления станком [24].
Программа «KMotionCNC» используется во втором варианте. В этой
программе нельзя создать модель детали или чертеж, но можно загрузить
готовую программу на «G-коде» и заставить «KMotionCNC» выполнить ее.
Перед началом работы «KMotionCNC» может загрузить в контроллер
«KFlop» дополнительные программы на языке «С», необходимые для
правильной работы станка (рисунок 52). Программа также позволяет
оператору создать собственные программные кнопки в графическом
интерфейсе программы и привязать к ним программы на языке «С»,
71
выполняющие нужные оператору действия: инициализацию станка, поиск
начала координат, включение освещения, включение СОЖ, включение,
запуск шпинделя, поиск точных координат заготовки и ее ориентацию и т.п.
Графический интерфейс главного окна программы показан в Приложении
Ж, рисунок Ж.2.
Кроме главного окна, программа имеет окно отображения результатов
выполнения управляющей программы на «G-коде», к котором показаны
пути перемещения инструмента (рисунок 52).
Рисунок 52 – Окно перемещения инструмента (слева), окно привязки
«С»-программ к кнопкам и технологическим кодам «G-кода» (справа)
Итогом к вышеизложенному можно сказать, что координатный
сверлильно-расточной станок «Эрликон-КВ3», имеет достаточно
нестандартную конструктивную схему, сильно отличающуюся
конструктивных схем современных станков подобного функционала.
Однако его числовая система управления поддается модернизации, без
переделки механической и электрической части станка.
Компания «Dynamotion» создала вполне функциональный
программно-аппаратный комплект, позволяющий создать систему
числового программного управления для любого станка, имеющего не
более 6-ти подвижных осей, единственным недостатком которой, является
достаточно сложная настройка контроллеров, так как настройки и функции
некоторых пинов коннекторов нелогичны. Высокая цена в 250 долларов