книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием
.pdf
В. А. МЯСНИКОВ, М. Б. ИГНАТЬЕВ, А. М. ПОКРОВСКИЙ
Программное
управление
оборудованием
ЛЕНИНГРАД «МАШИНОСТРОЕНИЕ»- ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ-
1974-
6П5.4 М99
УДК 62-503.55 : 658.274
HAySPV''*
7£,,д
14~m v $
Мясников В. А., Игнатьев M. .Б., Покровский А. М. М99 Программное управление оборудованием. Л., «Маши
ностроение» (Ленингр. отд-ние), 1974.
540с.
Вкниге рассмотрены системы программного управления металлорежу щими станками, измерительными машинами, роботамн-маннпуляторамн и другим оборудованием. Анализируются основные алгоритмы и подсистемыинтерполяторы, системы мини-машин, специализированные вычислители, средства сбора информации. Рассмотрены системы индивидуального, группо
вого, централизованного и адаптивного управления, системы автоматизации ручных и вспомогательных работ и системы автоматизации проектирования
санализом существующих проблемно-ориентированных языков, используемых
вобласти автоматизации дискретных технологических процессов.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, исполь зующих и разрабатывающих как отдельные системы программного управления, так и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).
31301—036 |
36—74 |
6П5.4 |
м 038 (01) —74 |
|
|
Ре ц е II з е н т д-р техн. наук проф. А. А. Вавилов
(6)Издательство «Машиностроение», 1974 г.
Предисловие
Велико разнообразие машин и уст ройств, которые создаются и используются человеком. Современные машины — это сложные технические системы, состоящие из большого числа технических аппара тов, приводов различного типа, приспо соблений, решающих устройств и т. д. Все эти машины и устройства представ ляют собой оборудование, являющееся основой функционирования самых различ ных систем — машиностроительных заво дов, транспорта, измерительных комплек сов и т. д. Таким образом, под оборудова нием мы будем понимать всю сумму тех нологий, на которую опирается челове чество в своем развитии. Появление развитой вычислительной техники откры вает реальные перспективы широкого использования вычислительных систем, машин и устройств для управления раз личным оборудованием.
В Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1970— 1975 г. преду смотрена разработка новых конструкций и организация производства «подъемно транспортных комплексов машин и меха низмов с дистанционным и автоматическим управлением, а также машин циклического действия для автоматизации конвейерных линий». Решение этих задач требуетвнедрения в промышленность программного упра вления оборудованием. Поэтому становится очевидным серьезный социальный заказ на
разработку проблемы роботов-манипуляторов, которые являются органическим элементом автоматизированной системы управле ния технологическими процессами (АСУТП), тесно связанной с системой автоматизации проектирования машин и деталей.
В настоящей книге сделана попытка выработать общий взгляд на программное управление всей суммой технологий с использо ванием вычислительной техники. Такая попытка представляется актуальной, так как сейчас закладываются основы общегосудар ственной автоматизированной системы, в которой подсистема управления оборудованием должна быть фундаментом.
Основное место занимает рассмотрение систем автоматизации дискретного механического производства с использованием стан ков с числовым программным управлением ЧПУ и автоматичес ких роботов-манипуляторов. Такие системы автоматизации объ единяют в себе многие черты, характерные для других систем программного управления оборудованием. В связи с развитием систем ЧПУ для металлорежущих станков и появлением робо тов-манипуляторов можно ставить вопрос о переходе от ману фактурного производства (manufactory) с широким использова нием ручных работ к полностью автоматизированным предприя тиям (autofactory) для механического производства.
Основой для анализа проблем программного управления обо рудованием является системотехнический подход, позволяющий выявить основные структурные элементы систем и осуществить целостный подход к проблеме; его современные концепции осо бенно ярко проявляются при построении вычислительных систем. Разнообразное оборудование можно рассматривать как различные устройства ввода-вывода вычислительных машин. Эта точка зре ния и позволяет подойти с единых позиций к проблеме программ ного управления всей суммой технологий.
Вычислительные машины, являющиеся промежуточным зве ном между человеком и оборудованием, позволяют реализовать ранее недостижимые технологические режимы по сложности, ско рости, точности и т. д. Появление этого нового звена ставит целый ряд сложных проблем. Какой должна быть пространственно-вре менная структура систем управления оборудованием и их моделей, заложенных в память вычислительных машин? Какими должны быть активные устройства ввода-вывода, чтобы реализовать ту или иную технологию? Как наилучшим образом организовать контакт между человеком и вычислительной системой, управля ющей оборудованием? Какими должны быть проблемно-ориенти рованные алгоритмические языки дл-я управления оборудованием? Какие функции могут возлагаться на локальные вычислительные устройства и какова их структура?
Очевидно, что исчерпывающе ответить на эти вопросы не пред ставляется возможным; в книге делается попытка ответить на них исходя из последних достижений в различных областях науки и техники.
ГЛАВА I
Современные
технологические системы и тенденции их развития
В этой главе мы будем рассматривать взаимодействие трех систем — природной среды, суммы технологий и механизма культуры. На всех уровнях управления оборудованием для определения необхо димых адаптационных возможностей си стем управления технологией необходимо учитывать как структурные особенности этого взаимодействия, так и его динамику. Недостаточный учет особенностей взаи модействия этих систем может привести, с одной стороны, к исчерпанию природ ных ресурсов, а с другой стороны, к не полному удовлетворению человеческих потребностей. Для того чтобы предста вить структуру этих потребностей, необ ходимо изучить механизм культуры как сложную систему. И если на первом этапе развития техники управления были полезными бионические модели предприя тия [6], то теперь возникает необходи мость более глубокого проникновения в специфическую структуру деятельности заказчиков и исполнителей. Для этого могут быть привлечены аналогии и методы артоники1, связанной с целенаправлен ным анализом механизма культуры, литературных произведений различных жанров и других видов искусства.
1 Артоника — предложенный авторами неоло гизм, определяющий научное направление, связан ное с изучением «механизма культуры» (art — ис кусство).
5
Сумма технологий является очень сложной многоуровневой иерархической системой, которая непрерывно развивается. Раз работка моделей развития систем поэтому является задачей первостепенной важности. Ома должна быть увязана с модели рованием больших экономических систем, природных комплексов и механизма культуры.
1. СТРУКТУРА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЕЙ
Будем рассматривать технологические процессы в трех основ ных сферах — сельском хозяйстве, добывающей н обрабатываю щей промышленности. Несмотря на гигантское разнообразие тех нологических процессов, в них можно выделить три основных компонента ■— рабочую среду, инструмент и человека, который либо сам непосредственно выполняет работу, либо управляет оборудованием. В результате взаимодействия этих трех компонен тов получается какой-либо готовый продукт, который передается на другие производства или непосредственно потребляется чело веком.
Одна из основных тенденций в развитии технологии — стрем ление к организации рабочей среды. Человек от собирания плодов перешел к вспахиванию полей и стал на них выращивать урожай, теперь же он строит теплицы с искусственным обогревом, ороше нием и освещением. На первом месте по степени организации ра бочей среды стоит обрабатывающая промышленность, в частности машиностроение; на последнем месте — добывающая, которая должна приспосабливаться к разбросанным в разных местах ме сторождениям полезных ископаемых. Сельское хозяйство зани мает промежуточное положение.
Следует отметить, что организация рабочей среды требует больших энергетических и материальных затрат.
Другая важная тенденция в развитии технологии — адаптив ное управление инструментами, рабочими машинами. Первыми рабочими инструментами, которыми располагал человек, были камни и палки. Человек использовал все свои адаптационные воз можности, чтобы, манипулируя ими, добиваться своих целей в борьбе за существование. По мере появления различных машин человек стремился так организовать рабочую среду, чтобы в ней могли функционировать машины с очень малыми адаптацион ными возможностями. Там, где возможностей не хватало, человек был вынужден сам управлять машиной, используя свои зрение, слух и способность решать задачи. Только с появлением развитой информационной и вычислительной техники оказалось возможным резко усилить адаптационные возможности машин.
Развитие как первой, так и второй тенденций требует больших затрат. В каждом конкретном случае выбирают, куда выгоднее вложить деньги — в организацию рабочей среды или в увеличе ние адаптационных свойств машин. В настоящее время при таком
6
выборе нужно учитывать ограниченность природных ресурсов, загрязнение окружающей среды и резкое увеличение разнообра зия человеческих потребностей.
В добывающей промышленности раньше старались эксплуати ровать только богатые месторожения полезных ископаемых — теперь оказывается необходимым разрабатывать новые техноло гические процессы для обогащения бедных руд, для сбора конкре ций на дне океана, для отделения одного материала от другого
вгруде металлолома и т. д.
Всельском хозяйстве, для того чтобы добиться дальнейшего
повышения урожайности, разрабатывают информационные си стемы, сообщающие о ходе развития растений и управляющие орошением, включением освещения, т. е. тоже переходят на адап тивную технологию.
В обрабатывающей промышленности произошло резкое уве личение номенклатуры выпускаемых машин, возросла скорость их морального старения, проявляется ярко выраженная тенденция перехода к производству по индивидуальным заказам, требующая наличия высоких адаптационных возможностей.
Таким образом, можно констатировать, что в настоящее время в условиях недостатка природных ресурсов и энергии, в условиях резкого увеличения разнообразия человеческих потребностей главной тенденцией является стремление к увеличению адапта ционных возможностей машин, производственных систем и тех нологических процессов. Проследим, как на разных уровнях управления технологией эта тенденция проявляется.
Рассмотрим механическое производство, в котором уровневая структура проявляется наиболее ярко.
На самом низком первом уровне имеем отдельные рабочие ма шины, металлорежущие станки, на которых производится обра ботка деталей, и роботы-манипуляторы, с помощью которых осуществляются установка деталей в приспособление, снятие го товых изделий, их передача на другие станки. Поведение этих агрегатов задается извне программой, в рамках которой каждый из агрегатов имеет различную степень самостоятельности, опре деляющую его адаптационные свойства. Цели управления этими агрегатами определяются заданием поведения с точностью до за данного программой многообразия. В случае станков и роботов с позиционным управлением это многообразие — точка, для систем контурного управления — линия (одномерное многообразие), для систем обработки поверхности — поверхность (двумерное много образие), в системах черновой обработки штампов — объем (трех мерное многообразие) и т. д. Чем больше размерность многообра зия, с точностью до которого задано поведение, тем больше воз можностей для приспособления к непредвиденным заранее факто рам. Например, если поведение задано с точностью до линии, то
имеется возможность варьировать |
скорость движения по ней, |
а если оно задано с точностью до |
поверхности, то оказывается |
7
возможным менять траекторию движения, чтобы обходить трудно
преодолимые места, |
и т. д. Адаптация на первом уровне позволяет |
|
приспосабливаться |
к неоднородности материала и размеров заго |
|
товок, к износу механических частей и инструментов. |
||
Второй |
уровень |
включает в себя обрабатывающие агрегаты |
и роботы, |
а также транспортную систему, которая их связывает, |
|
и склады заготовок, приспособлений, инструментов и готовых изделий. На этом уровне в соответствии с заданным планом про изводства осуществляется распределение работы между агрега тами в зависимости от их исправности, обеспеченности инстру ментом и заготовками. Адаптационные возможности этого уровня должны обеспечить гибкое изменение распределения работы менаду агрегатами при наличии нескольких плановых заданий с разными приоритетами. Этот уровень обычно называют уровнем группового или централизованного управления оборудованием.
На третьем уровне имеются две различные структуры: одна обеспечивает координацию работы отдельных участков различных видов производства и тем самым реализацию плановых заданий в целом, а другая включает в себя отделы автоматизированного проектирования как тех изделий, которые должны выпускаться, так и приспособлений и другой технологической оснастки, необ ходимых для этого производства.
Четвертый уровень концентрирует в себе внешние связи, анализ конъюнктуры рынка, связь с поставщиками комплектую щих изделий. Этот уровень должен следить за рынками, и именно с него поступает задание в производственные и проектные отделы.
Введем формальный аппарат для описания уровней. Будем полагать, что агрегаты описываются системой уравнений, анало гичных уравнениям Пфаффа:
П
( 1. 1)
где xi — переменные системы; Qj( — функция переменных систем, среды и времени; т — число ограничений, наложенных на си
стему.
Обычно п > т, что позволяет накладывать на систему допол
нительные управляющие ограничения и приспосабливаться к из менению обстановки. Таким образом, в структуре уравнений (1.1) содержится неопределенность. Для того чтобы ее четко струк турно определить, введем произвольные коэффициенты и$, для чего ориентируем систему (1.1) относительно переменных хг В этом случае переменные xi оказываются функциями Q,-. и us:
Xl = fi(Q ih «s)> t = 1, 2 .......... |
п, |
( 1.2) |
а число произвольных коэффициентов будет
s = C +1. |
(1.3) |
8
Например, если мы имеем систему с поведением, заданным с точностью до одномерного многообразия (пусть это будет плос
кая кривая), то, |
имея уравнение кривой F (х1г х 2) = 0, после диф |
|||||
ференцирования |
получим |
уравнение |
|
|||
|
|
dF j |
|
dF |
dx2 — О, |
|
|
|
дхх dXl |
дх2 |
|
|
|
аналогичное уравнениям (1.1), и будем иметь: |
||||||
|
dxx ____ |
dF |
dx2 _____ |
dF |
||
|
dt |
Ul |
dx2 ’ |
dt |
|
Ul dxx ’ |
где «х — произвольный коэффициент, с помощью которого можно менять скорость движения по кривой; х 1г х 2 — управляющие
сигналы, которые могут подаваться на исполнительные приводы станка с программным управлением.
Коэффициент иг может меняться в зависимости от усилий реза
ния и деформаций системы станок—инструмент—деталь таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность при заданном качестве. В этом случае будем иметь адаптивную си стему управления станком, которую называют системой с коррек цией аргумента [19].
Если имеем систему с поведением, заданным с точностью до двумерного многообразия (пусть это будет поверхность в трехмер ном пространстве), то, имея уравнение поверхности, например
параболоида вращения, х\ -f- х\ = |
2рхз, можно представить это |
|||||
уравнение |
в виде |
q1x 1 + |
q2х 2 + |
q3x3 = |
0, где qx = х ъ |
q2 = |
— * 2 . <7з = |
—2р, |
и, применяя вышеописанную методику, |
полу |
|||
чим: |
|
*i = |
«i?2 + “2<7з; |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
* 2 = |
— Mi<7i + |
U3q3\ |
■ |
|
|
|
Х3 = |
^2^1 |
изЧ2> |
■ |
|
где иъ и2, и3 — произвольные коэффициенты, с помощью кото
рых можно задавать различные траектории на этом параболоиде. После того как удалось конкретизировать неопределенность с помощью коэффициентов us, можно считать, что мерой самостоя
тельности систем будет число этих коэффициентов. Поэтому си стема позиционного программного управления имеет самостоя тельность, равную нулю. Система контурного управления имеет самостоятельность, равную единице. Система поверхностного управления имеет самостоятельность, равную трем.
Дальнейшим развитием систем программного управления в этом направлении будет система с поведением, заданным с точ ностью до трехмерного многообразия.
Применительно к металлообработке такой системой будет система выборки металла из заданного объема (объем можно рас сматривать как трехмерное многообразие). Выборка объема
9