Системы человеко-машинного интерфейса широко применяются в современных системах автоматизации во всех отраслях промышленности. Нашли они своё применение и в системах управления металлообрабатывающими станками.
Наиболее широкое применение HMI панели имеют в шлифовальных и зубообрабатывающих станках. На таком оборудовании обычно однотипная последовательность перемещений рабочих узлов в цикле обработки детали. Поэтому возможно создать 2-3 экрана, на которых вводятся параметры стандартных циклов. Так, например, для круглошлифовальных станков, это циклы врезного шлифования (рис. 1), шлифования с продольной подачей изделия (рис. 2) и возможно цикл комбинированного шлифования (рис. 3).
При модернизации таких станков применяются и системы ЧПУ, но зачастую с применением специальных экранов, на которых так же задаётся цикл обработки в параметрическом виде, как и в варианте с контроллером и панелью оператора (рис. 4). Функционал системы ЧПУ в таких решениях избыточный и стоимость за счёт этого значительно выше.
При модернизации токарных и фрезерных станков задача иная. В таком оборудовании последовательность перемещения механизмов станка может сильно меняться.
В токарном и фрезерном оборудовании при выборе варианта модернизации большое значение имеют механические связи между электродвигателем и рабочим органом станка. Здесь можно разделить станки на 2 группы:
1. Станки с минимальным люфтом в передаче от двигателя подачи к непосредственно перемещающемуся узлу станка – это станки, в которых в применяется ШВП, и пр. механизмы с люфтом меньше 0,2 мм.
2. Станки с значительным люфтом (больше 0,2 мм).
В первом случае более целесообразно использовать при модернизации систему ЧПУ. Вариант с панелью оператора можно использовать в случае отсутствия у заказчика квалифицированных кадров. Для таких проектов существует довольно много вариантов решений, в том числе контроллеры с поддержкой G-кодов. Но даже без поддержки G-кодов современные контроллеры позволяют реализовывать в том числе линейную и круговую интерполяции. В таких системах можно использовать и полностью замкнутый контур позиционирования. Многие современные привода позволяют подключать дополнительный датчик линейных перемещений или энкодер (рис. 5), при этом управление приводами может строится как с использованием сетевого интерфейса (EtherCat, CC-link, Drive Cliq, SSCNETⅢ/H), так и импульсным заданием (step-dir).
Неплохим вариантом является использование оперативной системы управления на базе системы ЧПУ с HMI интерфейсом в виде сенсорной панели оператора и циклами обработки типа Mitsubishi C6 (C70, C80). Такое решение применял в частности станкостроительный завод САСТА. Это позволяет совместить возможности ЧПУ с простым интерфейсом, хотя стоимость такого решения будет даже выше обычной системы ЧПУ (сейчас ещё и проблемы с санкциями).
При модернизации станков с большими люфтами в передачах использовать ЧПУ невозможно. При отсутствии внешних линеек (полностью замкнутый контур обратной связи) уменьшается точность обработки, а при использовании линеек возникают проблемы с перерегулированием контура положения. Начинаются колебания и вибрации. Переделка механики станка: установка ШВП или осей с использованием двух серводвигателей «ведомый-ведущий», связана с большими затратами и большим объёмом работ. В таком случае существует несколько вариантов модернизации без использования системы ЧПУ, рассмотрим их отдельно:
1. Первый вариант – это установка устройства цифровой индикации (рис. 6) и промышленного контроллера. Преимуществом данной системы является относительная простота проектирования. Недостатки: отсутствие возможности позиционирования в точку, либо позиционирование с ступенчатым замедлением, отсутствие возможности позиционирования с заданным углом, отсутствие возможности использования ручного импульсного генератора, отсутствие возможности задания циклов обработки, отсутствие системы диагностики неисправности станка.
2. Второй вариант – это установка системы СППУ от СКБ ИС (рис.7) или Модмаш. Преимущество данного подхода в возможности работы станка по программе G-кодов. Недостатков тут несколько. Во-первых, оператор должен знать G-коды. Если в современных системах ЧПУ присутствуют опции упрощенного программирования (Manual Guide, Shop Turn, Navi Lathe и пр) то в таких системах этих опций обычно нет. Во-вторых, в таких системах обычно нет возможности осуществлять движения по двум осям. В-третьих, позиционирование осуществляется не линейным замедлением, а с использованием ступеней торможения.
3. Третий вариант – это использование сенсорной панели оператора (рис. 8) и промышленного контроллера.
Данный вариант модернизации не позволяет использовать G-коды, но позволяет реализовать: позиционирование в точку, циклы обработки (рис. 9), несколько систем координат детали (рис. 10), диагностические функции, такие как отображение входов и выходов контроллера (рис. 11) и журнал аварий (рис. 12), привязка инструмента (рис. 13) и даже программы обработки детали из нескольких кадров (рис. 14).
Если в первом и втором варианте управление положением реализовано на внешнем относительно основного ПЛК (программируемого логического контроллера) устройстве (УЦИ или СППУ), которое выдаёт на основной ПЛК или непосредственно на привод подачи только дискретные сигналы ступеней торможения, то при использовании ПЛК и панели оператора управление положением реализуется непосредственно в основном ПЛК. Это позволяет в частности осуществлять позиционирование в точку с линейным замедлением и осуществлять перемещение с заданным углом.
При позиционировании в точку оператор вводит значение целевой координаты в столбец «конечная» (рис. 8) (Xtarg). Скорость перемещения (F) задаётся либо через окно «Подача» на панели оператора, либо задаётся ползунковым переключателем на пульте управления станком. Кроме того, необходимо задать коэффициент усиления (числитель Kn и знаменатель Kd), для задания угла прямой линейного торможения. Текущее значение координаты (X) система получает с датчиков обратной связи (линейка или энкодер).
После начала движения начинается расчёт остатка пути (dX):
dX=Xtarg-X;
Далее происходит сравнение заданной скорости с остатком пути умноженным на коэффициент усиления ( dX*Kn/Kd ). Если значение скорости подачи F меньше значения dX*Kn/Kd , скорость F отправляем в качестве задания на привод подачи. Это соответствует участку разгона и участку равномерного движения. В момент когда dX*Kn/Kd становится меньше F, начинается участок линейного торможения, на привод в качестве задания подаётся значение dX*Kn/Kd . После достижения целевой координаты с заданным допуском, позиционирование прекращается.
Если на станке невозможно организовать интерполяцию и постоянную следящую систему, перемещение по двум координатам в заданную точку или с заданным углом строится с помощью расчёта подачи по каждой из координат. В случае если мы задаём угол подачи, мы просто умножаем заданное значение подачи для одной координаты на синус угла, а для другой на косинус. В итоге получаем проекцию вектора скорости подачи на каждую из осей координат. Если угол задаётся с помощью задания целевого значения по двум или трём координатам, приходится производить более сложный расчёт. Во-первых, необходимо рассчитать длину отрезка (dL):
где dX – расстояние между текущем и целевым значением координаты X, dY – расстояние между текущем и целевым значением координаты Y, а dZ – расстояние между текущем и целевым значением координаты Z.
Далее скорость подачи по координате X (Fx) будет рассчитываться по формуле:
Fx=F*dL/Dx
Скорость подачи по другим осям рассчитывается по аналогичным формулам.
Нужно отметить, что в данном случае необходимо задавать перемещение под углом в том же направлении, в каком координаты двигались во время предыдущих операций. В противном случае по одной из координат будет наблюдаться ступенька, связанная с выборкой люфта по этой координате. Конечно точность при таком позиционирование будет значительно уступать точности линейной интерполяции в следящей системе, но для определённых задач такая точность является вполне достаточной.
В целом же можно констатировать, что применение операторских HMI панелей, является более удобным как для оператора, так и для обслуживающего персонала, чем устройства цифровой индикации, позволяя расширить возможности управления и диагностики.