CЧПУ СервоКон – экономичное решение для управления портальными станками

В статье рассматриваются основные функции и характеристики СЧПУ СервоКон предназначенного для управления портальными станками общего назначения: фрезерными, гравировальными, токарными и т.д.

Современная система ЧПУ (СЧПУ)- сложное и дорогостоящее устройство, по своей стоимости нередко достигающее 50 % стоимости всей автоматизированной системы. Поэтому попытка снизить себестоимость системы управления с сохранением необходимых ее характеристик в целом является актуальной задачей.

СЧПУ СервоКон представляет собой экономичное решение для управления портальными станками общего назначения. К ним относятся фрезерные, гравировальные, токарные станки, станки для лазерной резки, небольшие покрасочные порталы, лабораторные манипуляторы и измерительные системы.

Несмотря на аскетичность интерфейса, СервоКон работает с множеством стандартных и специализированных алгоритмов, реализуемых в современных СЧПУ большинства европейских производителей.

К стандартным можно отнести такие алгоритмы, как компенсация длины и радиуса инструмента, компенсация люфта передаточных механизмов, зеркальная отработка программы, разворот координат детали на произвольный угол, поддержка механизма смены инструмента, управление шпинделем и другой стандартной электроавтоматикой. В состав СЧПУ СервоКон включены технологические ПИД-регуляторы, которые могут использоваться, например, для стабилизации расстояния между исполнительным органом и обрабатываемой поверхностью.

Рис. Внешний вид СЧПУ СервоКон производства ЗАО «Сервотехника»

К специализированным современным алгоритмам отнесем:

- адаптивный алгоритм автоматической коррекции подачи по величине развиваемыми приводами усилий;

- синхронизацию работы сервоприводов по цифровому каналу связи;

- алгоритм расчета текущей скорости движения на основе информации о последующих изменениях траектории движения (look ahead), который позволяет существенно увеличить скорость обработки, что крайне важно для фрезерных станков и станков лазерной резки.

Рассмотрим алгоритм коррекции подачи. СЧПУ обменивается с приводами оперативными данными, включая задание позиции, скорости и значение датчиков позиции и прочих ресурсов приводов, в том числе и величину развиваемого приводами усилия.

Обмен выполняется в режиме РВ с частотой сервоциклов (частотой обмена оперативными данными). СЧПУ анализирует текущую загрузку каждого из приводов и в случае превышения заданного порога по развиваемому усилию ограничивает подачу. В результате СервоКон автоматически «адаптирует» текущую программу обработки к физическим возможностям исполнительного привода. Данная возможность полезна на этапе наладки в большинстве решений и особенно актуальна в случаях, когда обрабатываемая деталь имеет или высокую стоимость, или длительный цикл обработки. Данный алгоритм позволяет системе продолжить отработку программы с ограниченной скоростью без перехода в аварийный режим.

Система СервоКон имеет несколько стандартных интерфейсов управления: интерфейс Шаг/Направление (Step/Dir) для управления шаговыми двигателями и аналоговый интерфейс ±10В для управления сервоприводами.

Современные СЧПУ характеризуются наличием цифровых каналов связи: SERCOS, EtherCAT и др., которые являются самым верным решением с точки зрения качества управления и обеспечения безопасности системы. По одной цифровой шине СЧПУ способна управлять большим числом осей, удаленных на значительные расстояния. При этом сервоцикл СЧПУ может достигать 100 мкс.

Такие промышленные интерфейсы, как SERCOS, EtherCAT, являются унифицированными решениями, призванными объединять оборудование различных производителей в рамках одной системы, так как спецификация этих интерфейсов включает различные унифицированные профили устройств (сервоприводов, датчиков обратной связи, портов ввода/вывода). К недостаткам подобных цифровых интерфейсов можно отнести только их высокую стоимость, так как необходимо внедрять данный интерфейс в каждый узел системы. При этом для реализации интерфейса потребуется наличие двух портов Ethernet (SERCOS III), специализированного аппаратного драйвера и ПО. В совокупности с лицензионными отчислениями за право пользованиями интерфейсом стоимость системы становится весомой.

В состав СЧПУ СервоКон также входит цифровой интерфейс управления, построенный на базе CAN-шины. Этот высоконадежный и универсальный протокол давно используется в автомобилестроении, промышленности и других областях. Важной характеристикой CAN-протокола является его способность обеспечивать жесткое РВ, заложенная непосредственно в алгоритм работы, в то время как большинство протоколов, построенных на базе интерфейса Ethernet, реализуют данную функцию на программном уровне за счет введения мастера сети, выполняющего роль синхронизирующего устройства (протокол ModBus). При этом CAN-интерфейс- очень дешевое решение, так как поддерживается практически всеми современными микроконтроллерами, специализированными для управления серво­двигателями. Таким образом, работа в режиме жесткого РВ и бюджетный ценовой диапазон делают интерфейс управления на базе CAN привлекательным для разработчиков и пользователей СЧПУ.

К недостаткам интерфейса CAN применительно к использованию в системах управления движением является его относительно небольшая скорость 1 Мбод. Однако СЧПУ СервоКон ориентирована на небольшие системы (до 6 осей), и при грамотном разделении «обязанностей» между СЧПУ и приводами данной скорости вполне достаточно. Например, СЧПУ выполняет задачу интерполяции и контурного управления, а на плечи привода перекладывается замкнутое регулирование контуров управления позицией, скоростью и моментом, а также слежение за динамическими ошибками и обработка аварийных ситуаций. Данную концепцию можно назвать распределенной системой числового программного управления.

Интегрированные сервоприводы серии СПШ, построенные на базе шагового двигателя, а также комплектные сервоприводы серии СПС, построенные на базе синхронных серводвигателей, в состоянии решить перечисленные задачи.

Действительно, при управлении скоростью или моментом непосредственно из СЧПУ основная проблема при использовании низкоскоростных шин- это «устаревание» данных в процессе передачи данных, то есть потеря актуальности информации, поступающей по обратной связи. В результате ухудшается качество управления. Если же замкнутые контуры рассчитываются непосредственно в приводе, то уменьшается влияние времени распространения управляющего сигнала по шине на качество управления и снижается необходимая частота сервоцикла.

При использовании предложенной распределенной концепции управления станком в приводы можно частично делегировать функции управления электроавтоматикой, так как в сервоприводы СПШ/СПС содержат все необходимые для этого ресурсы: аналоговые порты ввода, цифровые порты ввода/вывода с гальванической развязкой.

Так как обмен между приводами и СЧПУ двухсторонний, то управление ресурсами ввода/вывода СЧПУ может выполнять в режиме РВ. В данной конфигурации СЧПУ физически может поставляться без собственных плат ввода/вывода, используя исключительно ресурсы приводов, которых вполне достаточно для подключения стандартной электроавтоматики.

В состав данных приводов входит ПЛК, который может быть использован для выполнения вспомогательных функций, например для увеличения надежности и живучести системы. Примером могут выступить программы: дублирования реакции приводов на аварийные концевые выключатели, контроля разрыва соединения с СЧПУ. По мере фиксации требуемых событий могут быть выполнены специфические для конкретного решения действия, например выключение шпинделя станка, перемещение приводов в безопасное положение и т.д.

Цифровой протокол обмена СЧПУ СервоКон по шине CAN основан на периодической передаче сигналов управления и информации обратной связи от приводов с частотой следования сервоциклов (рис.1).

Фрейм Idle представляет собой время покоя, в течение которого может быть передана информация, привязанная к событиям, например сигнал аварийного останова.

Данный фрейм также позволяет восстановить связь при появлении помех на линии связи. Длительность данного фрейма соответствует 110 мкс. Сообщение S представляет собой команду синхронизации между приводами (контуров позиции и скорости). Основная задача синхронизации- это уменьшение динамической ошибки, связанной с асинхронным расчетом приводами текущих заданий для двигателей. Физически все контроллеры приводов работают от своих кварцевых резонаторов, параметры которых неодинаковые. Вследствие этого квантование контуров отдельных приводов «плавают» относительно друг друга. В результате задание, полученное от СЧПУ, каждый привод актуализирует в произвольное время внутри сервоцикла. При этом асинхронность приводов изменяется во времени, а не остается постоянным смещением. Данный эффект приводит к появлению периодической динамической ошибке, величина которой определяется максимальным заданием контура скорости. Как показывают экспериментальные исследования, максимальная ошибка, связанная с асинхронностью расчета, может достигать 400 дискрет датчика позиции, что приводит к весьма заметным искажениям в процессе обработки.

СЧПУ СервоКон передает следующую информацию в пределах одного сервоцикла (рис. 1): задание контура позиции (Pos-req), форсирующая связь по скорости (Vel-force), значение портов вывода (Pn) и сигнал разрешения движения (Ena). Вместе с системной информацией передача управления одному приводу занимает 95 мкс. В свою очередь привод в качестве ответа передает: ошибку контура позиции (Pos-err), текущий развиваемый момент в процентах от номинального (Mcur), которые используется СЧПУ для предотвращения выхода векторной ошибки за установленный пользователем предел, а также значение аналоговых (A port n) и цифровых (Pn) портов. Суммарное время ответа одного привода составляет 96 мкс.

В состав СЧПУ СервоКон включены два порта CAN. В результате для наиболее распространенного случая (при управлении четырьмя осями портального манипулятора) получается, что минимально допустимый сервоцикл составляет 540 мкс. Таким образом, при использовании несущей частоты CAN-шины 1 Мбод максимальная частота управления составляет примерно 2 кГц, что вполне приемлемо для большинства задач управления подобного типа. При использовании же аналогового интерфейса контур позиции рассчитывается на ЧПУ, и частота дискретизации в этом случае может достигать 4 кГц.

Помимо интерполяции, выполняемой в СЧПУ, приводы СПШ/СПС способны выполнять промежуточную интерполяцию самостоятельно для дополнительного сглаживания движения рабочего инструмента.

Для этих целей СервоКон передает (помимо задания по позиции) задание для контура скорости. В результате внутренний интерполятор привода рассчитывает требуемый профиль движения.

Важнейшей характеристикой системы управления является безопасность работы станка. СЧПУ СервоКон отслеживает следующие аварийные ситуации: нажатие кнопки аварийного останова, выход за пределы рабочей области, потерю связи с одним из цифровых портов, потерю связи с каждым из приводов, а также опционально отслеживает рассогласование между параллельно работающими осями портала.

Максимальное время реакции системы на большинство перечисленных событий не превышает длительности двух сервоциклов. При этом время реакции на сигналы аварийного останова и концевых выключателей не превышает 50 мкс.

ПО СервоКон работает под управлением ОС Linux, которая не является системой РВ. Однако в настоящее время существуют программные пакеты, например RTAI, обеспечивающие ОС Linux свойствами жесткого РВ. По сути, RTAI представляет собой альтернативное ядро с характеристиками жесткого РВ, которое первым запускается при обработке прерываний и при планировании выполнения процессов, обслуживая в первую очередь процессы РВ. В оставшееся время управление передается наименее приоритетным задачам ОС Linux общего назначения. В результате программное ядро РВ сосуществует со стандартным POSIX-ядром Linux. При этом задачи нереального времени, такие, как человеко-машинного интерфейса, выполняются в обычном режиме Linux.

Экспериментальные данные показывают, что джиттеринг сервоцикла (максимальное отклонение времени начала события от идеального) СЧПУ СервоКон не превышает 5 мкс, а реакция на прерывание шины CAN не превышает 1 мкс.

В СЧПУ СервоКон помимо основных функций для удобства использования включены различные сервисы, позволяющие удаленно выполнить администрирование и управление системой. Например, СервоКон предоставляет возможность сквозного администрирования сервоприводов серий СПШ и СПС, подключенных к СервоКон, с помощью программы Мотомастер, установленной на удаленном ПК. Аналогично выполняется и настройка самой СЧПУ.

Все удаленные программные интерфейсы системы открыты, они реализованы на языке IDL, разработанного в рамках технологии CORBA. Поэтому системы управления СервоКон можно интегрировать в уже сложившуюся единую АСУ предприятием заказчика. Такая возможность полезна для сбора статистических данных, контроля загрузки станков, общего планирования производства.

Заключение

СЧПУ СервоКон в совокупности с приводами СПШ/СПС представляет распределенную систему автоматического управления, построенную на базе методов мехатронного подхода. Данное решение позволяет добиться высокого качества управления и высокого уровня безопасности. Вместе с тем описанный подход позволяет снизить себестоимость как станка в целом, так и затрат, связанных с пуско-наладкой и эксплуатацией.

При решении более простых производственных задач и при модернизации станков применение СЧПУ СервоКон также оправданно, так как она в состоянии управлять приводами по стандартным и наиболее распространенным интерфейсам: Шаг/Направление (Step/Dir), напряжение ±10В.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(28)_2010

А.О. Тихонов, руководитель отдела исследований и разработок,

ЗАО «Сервотехника», г. Москва,

тел.: +7 (495) 984-2564,

e-mail: tikhonov@servotechnica.ru