CC BY
110
УДК 62-523.2
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО СТАНКАМ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В РАМКАХ КУРСА «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСТАНОВОК»
A.M. Борисов, А.Н. Горожанина, A.C. Нестеров
Южно-Уральский государственный университет (НИУ), Россия, г. Челябинск,
borisov-74@yandex.ru, goroz_2012@mail.ru, nas_2004@mail.ru
Специальность 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», как следует из самого названия специальности, предусматривает основательную подготовку в области автоматизации технологических процессов. Студент изучает алгоритмизацию автоматизации управления технологическими процессами, методику разработки принципиальных схем автоматизации, выбор элементной базы для их реализации, а также методы настройки и эксплуатации таких систем. На кафедре ЭПА ЮУрГУ идет постоянное обновление лабораторной базы по курсу автоматизации. Одним из направлений курса «Автоматизация типовых технологических процессов» являются системы с числовым программным управлением (ЧПУ). Системы ЧПУ активно развиваются, что связано с широким использованием в них современной компьютерной техники [1]. В лаборатории представлены два стенда для исследования таких систем: лабораторный стенд «Система числового программного
управления» и лабораторный комплекс «Фрезерный станок с ЧПУ».
-
ципах управления систем ЧПУ, полученные студентами в рамках лекций по курсу. Для управления станками применяются системы класса PCNC (числовое программное управление на базе персональных компьютеров) [2].
Лабораторный стенд «Система числового программного управления», созданный преподавателями кафедры ЭПА, представляет собой макет газорезательного станка, который предназначен для вырезания заготовок из листового материала. Продольная и поперечная подачи позволяют вырезать плоские заготовки любой конфигурации. В макете станка в продольном (координата «X») и поперечном (координата «Г») направлениях перемещается пишущее устройство. Главным элементом
пишущего устройства является электромагнит, при срабатывании которого пишущий элемент (стержень) поднимается. Исполнительными двигателями данной системы являются шаговые двигатели ШД-4. Исполнительный шаговый двигатель по координате «У» перемещает пишущее устройство по верхним направляющим вдоль оси «У». Второй шаговый двигатель перемещает планшет по нижним направляющим вдоль оси «X». Таким образом, охватывается вся рабочая область планшета.
Основная задача, возлагаемая на стенд, - изучение основных принципов построения систем ЧПУ, их функционального состава, принципов аппроксимации и интерполяции и приобретение навыков разработки управляющей программы для изготовления простейшей .
Лабораторный стенд выполнен в настольном исполнении в стоечном варианте. В состав стенда (рис. 1), расположенного на столе 1, входят: ПЭВМ (системный блок 2, монитор 3, клавиатура 4, мышь 5), стойка 6 (модуль программируемого контроллера 8, модуль управления шаговыми двигателями 9, блок питания 10, заглушка 7), макет станка с ЧПУ (основание макета, выполненное из текстолита 13,шаговый двигатель по координате «Г» 11, шаговый двигатель по координате «Х»16, пишущее устройство 12, планшет 14, червячные передачи 15).
8 9
Стенд реализован на современной элементной базе: программируемом логическом контроллере, микроконтроллере и электронных компонентах.
Главным элементом системы управления является программируемый логический контроллер (ПЛК) СРМ2А-ЗОСОТ- /)фирмы Отгоп.
-
ванием персонального компьютера (ПЭВМ). Сигналы от ПЛК идут на модуль управления шаговыми двигателями. Основой этого модуля является микроконтроллер (МК) ATmega8535, функцией которого является распределение импульсов по фазам шаговых двигателей. Это решение позволяет за счет перепрограммирования МК существенно расширить функциональные возможности системы.
Питание платы силовых ключей и обмоток шаговых двигателей осуществляется от импульсного источника питания, который существенно превосходит старые трансформаторные по массогабаритным
показателям. Также необходимо отметить, что использование совре-
-
тания напряжением 380 В. Это, с одной стороны, снижает опасность установки с точки зрения поражения электрическим током, а с другой - делает стенд более мобильным, т.к. использование напряжения 380 В
.
-
полнении в едином стиле с имеющимся в аудитории оборудованием и данная лабораторная установка за счет этого органично вписывается в ряд уже используемых стендов [3].
Функционально стенд состоит из следующих блоков (рис. 2): ПЭВМ 1, модуль ПЛК 2, модуль управления шаговыми двигателями (МУШД) 3, блок питания 4, макет станка 5.
ПЭВМ связана с модулем ПЛК черезССМ-порт по интерфейсу ЯБ-232. На ПЭВМ установлена программа CX-Programmer версии 3.0
.
Модуль ПЛК включает в себя непосредственно сам ПЛК ()МИ()Ь'('РМ2А -30( 1УГ-1) и блок питания для него на постоянное напряжение 24 В. Необходимые разъемы для связи с остальными блоками и наблюдения за сигналами с помощью осциллографавыведены на лицевую панель, а разъем питания - на тыльную сторону модуля. МУШД состоит из микроконтроллера А 'Гте$>а8535, блоков силовых
ключей и системы охлаждения для них. Необходимые разъемы для свя-
-
циллографа выведены на лицевую панель, а разъем питания модуля и разъем связи с блоком питания - на тыльную сторону модуля.
-220 В
ПЭВМ 1
Связь с ПЛК
~220В -
Модул» 1ШК
СБЯЗЬ [
с ПЭВМ
Связь с МУШД
Связь с макетом
МУШД
Связь с ПЛК
шд шд
"X" ..у.
Т~
Блок го ггахкя.4
=12 В
ШД"Х"
|КВХшо|
I
Макет станка
| КВХлр!
Рис. 2. Функциональная схема лабораторной установки
Блок питания является импульсным источником питания, используемым обычно в системных блоках компьютеров. Необходимо чтобы блок питания обеспечивал постоянный ток не менее 10 А при напряжении 12 В. Стандартный блок питания был переделан: теперь он подключается к МУШД с помощью кабеля через разъем на задней стороне МУШД.Макет станка, как уже указывалось выше, состоит из стола, на котором расположены два шаговых двигателя, направляющих рамок, червячных передач для преобразования вращательного движения в поступательное, планшета, тележки с электромагнитом для поднятия и опускания пера, конечных выключателей и соединительных проводов, обеспечивающих связь с необходимыми блоками.
Каждый блок выполняет определенные функции. На ПЭВМ составляется и редактируется программа управления и записывается в ПЛК. Модуль ПЛК принимает сигналы от аппаратуры управления и конечных выключателей, и на основе этих данных формирует выходные сигналы. МУШД на основе сигналов, полученных от ПЛК, управляет силовыми ключами, тем самым определяя последовательность включения обмоток двигателей. Макет станка выполняет исполнительные функции, являясь рабочим органом данной системы. Двигате-
.
Модуль ПЛК, лицевая панель которого изображена на рис. 3, включает в себя непосредственно программируемый контроллер
С 1'М2А-30( 1)1-1) 1, закрепленный на лицевой панели модуля. На ли-
кой 2, разъем связи с ПЭВМ (ИВ9) 3, разъем связи с макетом станка (ИВЯ) 4, разъём связи с модулем управления шаговыми двигателями (ОВ25) 5, и разъемы 6 для наблюдения за сигналами задаваемой частоты с помощь осциллографа. Разъем питания и держатель плавкой вставки выведены на тыльную сторону модуля.
МОДУЛЬ плк родом спи*
Рис. 3. Лицевая панель модуля ПЛК
Модуль управления шаговыми двигателями (МУШД), лицевая панель которого изображена на рис. 4, включает в себя плату управления двумя шаговыми двигателями, построенную на основе микроконтроллера ATmega8535. Включение модуля производится клавишным переключателем «Питание» 1. Выбор режима осуществляется тумблером «Режим» 17. Для автоматического режима есть две кнопки без фиксации: «Пуск» 3 и «Стоп» 2. В блоке ручного режима расположен тумблер управления подачей пера «Перо» 6, кнопочное управление перемещением пишущего узла по координатам X и У: «Х-» 4, «У» 5, «У+» 8, «Х+» 9 и тумблер «Скорость» 7 для увеличения скорости по обеим координатам (по умолчанию увеличение скорости двукратное). Индикацию настоящего режима осуществляют светодиоды «Авт» 18 и «Руч» 16. Связь с ПЛК осуществляется с помощью разъема 15, а связь с двигателями - с помощью соответствующих разъемов 10 и 11. Измерительные гнезда 13 и 14 для координат «X» и «У» соответственно; общие точки 12.
Основным программным обеспечение данной лабораторной работы является программа CX-Programmer, которая входит в комплекс программ и служб СХ-Опе. СХ-Опе - комплексное программное обеспечение для работы с промышленным оборудованием фирмы Отгоп. С помощью CX-Programmer можно составлять программы автоматизации на языке лестничных диаграмм, записывать программы в контроллер, а также считывать их из него. Данный лабораторный стенд:
- позволяет студенту наглядно дать принцип работы системы
ЧПУ (ЧПУ - означает компьютеризованную систему управления, счи-
-
ния и управляющую приводами обрабатывающих станков и станочной оснасткой);
- прост в использовании (ввод программы, которую студент заранее подготовил дома, осуществляется быстро и просто);
- обладает наглядностью (студент видит не только конечный результат отработки стендом введенной программы, но и непосред-
);
- защищает от ошибок студентов (предусмотрены конечные выключатели по координатам «X» и «Г», разнотипные разъемы соединений, исключающие ошибки, установлены предохранители и резисторы
);
- имеет унифицированное исполнение (стенд имеет модульную конструкцию, позволяющую использовать модули в других лабораторных работах);
- мобильный (при необходимости можно менять его местонахождение).
Лабораторный комплекс «Фрезерный станок с ЧПУ» позволяет изучать основные функции и возможности станков с ЧПУ, способы программирования, написания и отладки программ. Связь с персональным компьютером позволяет изучить программное обеспечение, используемое при отладке и выполнении написанной программы.
Стенд реализован на базе реального сверлильно-фрезерного станка (рис. 5) производства OptimumMaschinen, Германия (BF 20 Vario). Станок может быть использован для производства малогабаритных деталей. В состав лабораторной установки кроме указанного станка с блоком управления шаговыми двигателями БУШ 200 входит персональный компьютер. Основные технические характеристики станка приведены в табл. 1.
Рис. 5. Фрезерный станок OptimumBF20 Vario
При выборе материалов для учебной работы следует отдавать
предпочтение мягким материалам (дерево, пластик, алюминий). Выбор
-
риала. В данной лабораторной установке маршрут передвижения рабочего органа отображается на листе бумаги, зафиксированном на столе, с помощью шариковой ручки, закрепленной в патроне рабочего органа.
Таблица 1
Характеристика Единицы измерения Величина
Точность позиционирования (с винтом скольжения) мм 0,05
Цифровая индикация перемещения пино- мм 0,01
ли, цена деления
ОсиХи У - крутящий момент Нм 5,25
ОсиХ, Уж2- скорость перемещений с мм/мин 400
винтом скольжения, максимум
Ось 2 - крутящий момент Нм 8,0
Максимальный диаметр торцевой фрезы мм 63
Частота вращения шпинделя об/мин 100-3200
Вылет шпинделя мм 185
Продольное перемещение стола мм 280
Поперечное перемещение стола мм 175
Габаритные размеры мм 670x550x860
Электродвигатель кВт/в 0.85/220
Масса станка кг 105
Система ЧПУ не осуществляет контроль скорости вращения шпинделя, эту функцию выполняет оператор. Станок оборудован защитным кожухом для защиты от попадания стружки в глаза во время сверления отверстий. Перед началом работы необходимо отрегулировать положение защитного щитка. В противном случае двигатель шпинделя не включится.
На лицевой панели блока управления расположены органы управления станком (рис. 6).
-
щью переключателя диапазона скоростей, точной регулировки подачи шпинделя. Предусмотрена индикация точной подачи шпинделя.
Программным обеспечение данной лабораторной работы является МаскЗ - пакет программного обеспечения, который работает на ПЭВМ и реализует контроллер станка. ПрограммаМаскЗ работает через один или два параллельных порта (порты принтера LPT) и, по желанию, через последовательный порт (СОМ порт). Драйверы двигателей осей станка должны принимать импульсы шага, разрешения на работу и
сигналы направления. Практически все драйверы шаговых двигателей
-
.
Индикация скоропн шпинделя . Кнопка якирпнншишкмнченнм [ Рсшягор скоросш шпннделя Опанонка шпиндели Выбор направления вращения Подсветка
Пуск шпиндели
Переключатель лнапаюна скорое«ей
очная регулировка подачи шпинделя
Индикация точной подачи шпинделя
Рис. 6. Панель управления станком (вид спереди)
Функциональная схема станка с числовым программным управлением представлена на рис. 7.
Рис. 7. Функциональная схема станка
В данной установке персональный компьютер (СБ - системный блок) используется для написания программы, ее проверки, расчета траектории движения и создания управляющих импульсов на блок управления шаговыми двигателями (СУШД 1, СУШД 2, СУШД 3). Управляющие сигналы с каждого блока подаются на соответствующий шаговый двигатель. Ввод информации проводится с помощью клавиатуры (УВ 1 - устройство ввода). Двигатель шпинделя имеет отдельный блок управления скоростью вращения (СУДШ) и отдельное устройство ввода (УВ 2).
В результате выполнения работы студент должен:
- изучить устройство и технические характеристики станка;
- изучить методику составления программы, особенности языка программирования;
- изучить лабораторный стенд, требуемую последовательность технологического процесса, сигналы, которыми обменивается станок с ПК во время работы;
- составить программу работы станка по заданному маршруту;
- загрузить подготовленную программу G-кодов в M ach 3 и проверить работу в режиме «Монитор»;
- выполнить настройки станка для работы в автоматическом ре;
- выполнить программу в автоматическом режиме.
Рассмотренные лабораторные стенды позволяют в полной мере на
практике закрепить теоретические знания, полученные на лекциях по целому разделу автоматизации «Системы ЧПУ» и освоить современное оборудование. Особенностью предлагаемых работ является наглядность - студент наблюдает начертание контуров по программе, оценивает погрешности отработки таких контуров путем непосредственного измерения.
Список литературы
1. СосонкинВ.Л. Системы числового программного управления: учеб.пособие / В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. - М.: Логос, 2005. - 296 с.
2. Мазеин П.Г. Особенности, принцип работы и программирование станков с компьютерным управлением: учебное пособие / П.Г. Мазеин, С.С. Панов, C.B. Шереметьев, и др. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 28 с.
3. Борисов A.M. Лабораторный практикум для изучения средств автоматизации и управления / A.M. Борисов, A.C. Нестеров // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2010. - Выпуск 14. - №32. - С. 70-75.
