Сделано в Китае 2025— это стратегия модернизации производства, представленная Государственным советом Китая в декабре 2015 года. Ее цель — в течение следующих тридцати лет превратить Китай в мирового лидера в области производства. Основное внимание в этой стратегии уделяется преобразованию и модернизации производственной отрасли с акцентом на инновации, качество, экологическое развитие и структурную оптимизацию, при этом особое внимание уделяется подготовке кадров. Ее программа действий фокусируется на сочетании рыночного доминирования и государственной поддержки, на долгосрочном развитии, комплексном продвижении и ключевых прорывах, а также на независимом развитии и открытом сотрудничестве.
Умное производство — одна из ключевых тем стратегии «Made in China 2025». Цель заключается в разработке умного оборудования и продукции через интеграцию новых информационных технологий и технологий производства, повышении уровня интеллекта предприятий в области НИОКР, производства, управления и обслуживания, а также в реализации глубокой интеграции информатизации и индустриализации.
В области управления движением технология интерполяции движения играет важную роль, так как позволяет оборудованию двигаться точно по заданной траектории. Эта технология используется в различных отраслях, таких как оборудование для литиевых батарей, автомобильное производство, упаковочные машины, логистическое оборудование, машиностроение, резиновая промышленность, 3C-продукция и станки с ЧПУ. Особенно в резиновой промышленности использование G-кода и функции отслеживания траектории интерполятором позволяет эффективно выполнять такие сложные операции, как дозирование.
Функции производства и обработки механического оборудования обычно достигаются через движение его частей. Будь то металлообработка, сварка, ковка или 3D-печать — все эти процессы зависят от точного управления движением. Для различных процессов требуются специфические требования к управлению движением. Например, для роботов и станков с ЧПУ акцент делается на планирование траектории и координацию параметров движения, в то время как для печатного и упаковочного оборудования важна синхронизация главной и ведомой оси, а также соблюдение технологического ритма.
Системы управления движением являются ключевыми для обеспечения эффективной работы станков с ЧПУ, роботов и другого передового оборудования. Они требуют не только глубокого понимания траектории и формы движения оборудования, но и решения сложных задач механической кинематики и динамики.
Технология управления движением обычно означает управление основными элементами движения, такими как положение, скорость, ускорение, скорость изменения ускорения и момент силы механического оборудования или обработчика с использованием приводных компонентов (например, гидравлические насосы, линейные приводы или двигатели) в процессе обработки. Эта технология играет важную роль во многих отраслях национальной экономики и приносит значительные экономические выгоды. Технология управления движением — это практическое применение теории управления в области электротехники и машиностроения. Она интегрирует технологии из разных областей, таких как микроэлектроника, электроэнергетика, компьютерные информационные технологии, технологии датчиков и моторостроение. Это высоко интегрированная техническая дисциплина.
Ниже представлено подробное введение и метод реализации функции интерполяционного движения LicOS PLC/PAC на основе G-кода и интерполяторов:
1. Контроллеры движения PAC
1.1 Серия MC500
Рисунок 1. Контроллер PAC серии MC500
1.2 Серия MC600
Figure 2 MC600 series PAC
2. G-код
2.1 Введение в G-код
Figure 3 DIN66025 G code programming language standard
Figure 4 G code example
Рисунок 5 Функция G-кода
Рисунок 6. Создание модели самолета с использованием G-кода
Рисунок 7 Круговая интерполяция с помощью G-кода
Рисунок 8. Линейная интерполяция с помощью G-кода
Рисунок 9 Вспомогательная осьРисунок 9 Вспомогательная ось
Кроме поддержки трехосевой интерполяции, система управления движением станков с ЧПУ на платформе Liancheng PLC также поддерживает позиционирование 8 вспомогательных осей, таких как A/B/C/P/O/U/V/W, что позволяет этим осям работать совместно с осями интерполяции движения механического оборудования. Время старта и окончания этих вспомогательных осей может быть определено пользователем через программу на G-коде, однако они не синхронизируются полностью с движением осей XYZ.
Рисунок 10 Вспомогательная ось
В пользовательской программе метод программирования движения вспомогательных осей аналогичен программированию осей XYZ: значение, следующее за переменными, такими как A/B/C/P/Q/U/V/W, является целевой позицией соответствующей вспомогательной оси. Во время интерполяции траектории каждая вспомогательная ось работает в режиме позиционирования, и ее время выполнения совпадает с временем выполнения осей XYZ, как показано на рисунке.
Пути G-кода могут реализовывать прямолинейные, дуговые, криволинейные и эллиптические траектории. Помимо планирования пути, G-код можно использовать для задания таких значений, как скорость движения, ускорение, замедление и другие. На самом деле G-код основан на описании точек. Интерполятор соединяет описанные G-кодом точки в соответствующие сегменты пути, сохраняет эти смешанные сегменты в буфере планирования пути и выводит сегменты пути для подачи на приводной сервосистему для движения.
Рис. 11. Три формата хранения G-кода
Программа траектории G-кода представлена в виде текстовой строки. Некоторые данные о траектории требуют анализа в контексте для точного восстановления характеристик управления, требуемых пользователем. Для повышения вычислительной эффективности интерполяции траектории и достижения плавного управления движением траектории, программа должна быть скомпилирована в последовательность команд, подходящую для выполнения процессором. Типичный формат — это формат OutOfMemoryError.
Формат OutQueue компилирует исходный файл G-кода в таблицу данных, удобную для выполнения интерполятором, такую как начальные и конечные координаты, типы линий траектории, параметры ускорения и замедления, параметры команд режимов, параметры движения вспомогательных осей, параметры команд M и H и другую вспомогательную информацию, а затем анализирует её в упорядоченный регулярный массив таблицы, который не требует контекстного анализа.
Когда интерполятор выполняется, он может напрямую интерполировать и выводить данные согласно таблице и типу линии. На основе этого массива таблицы могут быть реализованы двухсторонние движения траектории, непрерывная буферизация (Buffer) нескольких последовательных сегментов траектории и другие функции. Поэтому формат OutQueue можно рассматривать как регулярный файл G-кода. Поскольку формат OutQueue содержит более полную информацию о координатах сегментов траектории и типах линий, он удобен для плавного скругления траектории (Smooth), анализа и корректировки скорости движения (CheckVelocity) и даже компенсации инструмента (ToolCorrect), необходимых для управления траекторией в процессе обработки с ЧПУ. Поэтому предварительная обработка траектории управления обычно основывается на формате OutQueue траектории. Для вышеупомянутой предварительной обработки в системе Smart Control предусмотрены соответствующие функциональные блоки FB, которые могут быть инстанцированы и вызваны в зависимости от потребностей управления.
2.2 Процесс компиляции G-кода:
Рисунок 12 Процесс компиляции G-кода в трех форматах.
2.3 Другие функции G-кода:
Команда M (функция паузы):
ПЛК LicOS поддерживает вспомогательную команду M в программе G-кода. Во время интерполяционной операции выполнение траектории может быть приостановлено в соответствии с командой M, и выполнение продолжится только после получения соответствующего сигнала подтверждения.
Команда H (функция логического переключателя):
Вспомогательная функция H, поддерживающая программу G-кода, может выводить указанный логический управляющий сигнал для логического контроля, когда траектория проходит через точку отслеживания, заданную командой H, во время интерполяционной операции непрерывной траектории. Команда H отличается от команды M тем, что при прохождении контрольной точки выводится логический сигнал, но движение траектории не замедляется и не приостанавливается. Эта функция позволяет системе узнать, что операция на траектории достигла конкретной позиции, или использовать её для запуска соответствующей логики управления, например, управления форсункой дозирующей машины.
Сглаживание и скругление траектории:
В реальных приложениях на поворотных точках траектории может понадобиться скругление или фаска. Обработка плавного пути может быть активирована с помощью команд G51/G52, что позволяет получить непрерывную интерполяцию, преобразуя угловые точки в непрерывные.
Компенсация инструмента на траектории:
Пользователи обычно проектируют требуемую форму заготовки или узор для обработки, но оборудование управляет движением обработочного инструмента. Обработочные инструменты обычно имеют свои собственные внешние размеры, например, сверлильные, фрезерные и шлифовальные станки. Поэтому траектория движения инструмента должна учитывать размеры инструмента и предусматривать смещение для радиуса инструмента, что называется компенсацией инструмента. В наборе команд G-кода G41, G42 и G40 означают компенсацию радиуса инструмента слева, справа и отмену радиусной компенсации соответственно.
Рисунок 13 Команда M в G-коде
Рисунок 14 Команда M в G-коде
Рисунок 15 Команда H в G-коде
Рисунок 16 Команда H в G-коде
3. MC Интерполятор
3.1 Технология интерполяции
Контурное управление системы движения основано на известных координатах начальной и конечной точки, типе и направлении траектории движения, и система управления движением рассчитывает координаты каждой промежуточной точки в реальном времени. Технология вставки и дополнения координат промежуточных точек называется технологией интерполяции. Технология интерполяции представляет собой алгоритм в контроллере движения. Это алгоритм для данных плотности между кривой с известными начальной и конечной точками. В зависимости от математической модели, интерполяция может быть разделена на интерполяцию первого порядка (прямая линия), второго порядка (дуга, парабола, круг, гипербола, квадратичный сплайн) и более высоких порядков (сплайн). В зависимости от метода интерполяции она может быть разделена на импульсную инкрементную интерполяцию и цифровую инкрементную интерполяцию.
Импульсная инкрементная интерполяция — это метод интерполяции, который контролирует выходное правило одиночного импульса. Для каждого импульса выходной части движения присваивается определенное расстояние (так называемый импульсный эквивалент). Поэтому этот метод также называется интерполяцией по скалярному ходу. Распространенные методы включают метод точечной и цифровой интеграции.
Цифровая инкрементная интерполяция заключается в вычислении прироста и других данных для каждого направления координат в пределах заданного времени (так называемого времени интерполяции).
Система завершает путь, заданный интерполяционным расчетом, в пределах следующего времени интерполяции. Этот метод также называют интерполяцией по времени с использованием скалярных величин. Принцип линейной интерполяции прост, и ошибку легко контролировать. Обычно ошибка оценивается примерно по дуговой кривой для вычисления параметров интерполяции прямолинейного сегмента, которые соответствуют требованиям точности. Однако приближенная кривая, генерируемая линейной интерполяцией, не является непрерывной первого порядка. Когда требуется высокая точность, генерируется слишком много точек интерполяции, что усложняет хранение и передачу данных.
Круговая интерполяция может в определенной степени компенсировать недостатки линейной интерполяции и генерировать непрерывную геометрическую кривую первого порядка с небольшим количеством дуговых сегментов. Однако расчет погрешности круговой интерполяции сложен, и трудно аналитически решить расстояние между целевой кривой и приближенной кривой. Для решения этих параметров необходимо использовать методы численного анализа.
На данный момент интерполяция обычно выполняется программно. Наиболее часто используется линейная интерполяция и круговая интерполяция. Алгоритм линейной интерполяции прост, и ошибку легко контролировать. Метод приближения дуговой кривой используется для вычисления параметров интерполяции сегментов линии, которые соответствуют точности. Однако приближенная кривая, генерируемая линейной интерполяцией, не является непрерывной, и количество точек интерполяции значительно увеличивается при высокой точности, что создаёт большие нагрузки на хранение и передачу данных.
Круговая интерполяция может генерировать непрерывную геометрическую кривую первого порядка с небольшим количеством дуговых сегментов, но расчет круговой интерполяции является сложным.
3.2 MC Интерполятор
Figure 17 MC Interpolator
MC Интерполятор — это основной функциональный блок интерполяции в управлении траекторией ЧПУ. Он мощный, но прост в использовании. По сравнению с интерполяцией, основанной на старом методе импульсного контроля, интерполяция на основе управления EtherCAT значительно проще, поскольку контроллеру нужно интерполировать конечное количество дискретных промежуточных точек в заданной траектории, а затем с помощью математических методов вычислять координаты (dx, dz) этих точек, чтобы синтетическая траектория могла двигаться с заданным ускорением, замедлением, установленной скоростью и т.д. Интерполятор поддерживает анализ и выполнение всех команд G, M и H в стандарте DIN66025.
После необходимого преобразования координат координаты этих промежуточных точек отправляются в сервоприводы, управляющие осями X, Y и Z, в виде команд положения, чтобы три оси двигались одновременно. Композитная траектория движения этих трех осей является желаемой траекторией движения.
На левой картинке показана схема интерполяции прямолинейного сегмента в ЧПУ. Поскольку в траектории движения сегмента линии присутствуют процессы ускорения и замедления, интервал вставки в середине будет таким, что время ускорения будет постепенно увеличиваться, а время замедления постепенно уменьшаться.
Задачи EtherCAT выполняются по фиксированному циклу, например, цикл обычно устанавливается на 1 мс / 4 мс и т. д. Цикл интерполяции такой же, как и цикл EtherCAT. После начала операции интерполяции блок функции MC_Interpolator выполняется каждый раз при прерывании EtherCAT. Этот блок функции вычисляет расстояние, которое каждая ось должна пройти в следующем цикле, в зависимости от установленной пользователем скорости траектории и допустимого времени ускорения и замедления в рамках цикла EtherCAT. С использованием системы координат G-кода в качестве ориентира, целевые абсолютные координаты вертикальной системы координат (dx, dy, dz) используются в качестве команд положения для работы сервоприводов. Во время интерполяции также выполняется соответствующая обработка управления позиционированием для вспомогательных осей, таких как ABCPQUVW.
Figure 18 MC Interpolator
Figure 19 Line segment interpolation
Блок функции интерполяции SMC_Interpolator вычисляет положение заданного пути в определённом интервале времени и дискретизирует путь. Позиция в декартовой системе координат выводится через piSetPosition в эквивалентных импульсах.
3.3 Алгоритм линейной интерполяции
3.4 Алгоритм круговой интерполяции
3.5 Интерполяция сплайнов
Обычно используемые сплайн-кривые — это кубические B-сплайны и кубические неравномерные рациональные B-сплайны (кривые NURBS). Сплайн-кривые — это кривые, соединенные полиномиальными сегментами кривых. Каждая граница кривой соответствует определенным условиям непрерывности, и её форма определяется набором контрольных точек.
Сплайн-кривые могут точно представлять аналитические кривые и свободные кривые. В технологии ЧПУ для высокоточной обработки требуется обрабатывать сложные аэродинамические формы, такие как крыла самолетов и формообразующие штампы. Использование традиционной технологии обработки на ЧПУ для поверхностей не только обрабатывает большое количество данных, но и имеет низкую эффективность обработки. Поэтому в 1991 году Международная организация по стандартизации установила, что стандарт данных системы ЧПУ должен использоваться как стандарт обмена данными моделей промышленных продуктов, что стало единственным математическим методом для определения геометрической формы промышленных продуктов. Согласно стандарту данных системы ЧПУ ISO14649, интерполяция сплайн-кривых — это прямое использование информации об обработке, соответствующей трехмерной геометрической модели, как входных данных для системы ЧПУ, то есть прямое интерполирование параметрической кривой.
4 Основные процессы функций ЧПУ
4.1 Основной процесс реализации ЧПУ
Рисунок 20 Анализ кода G
4.2 Функция предварительной обработки пути
Рисунок 21 Предварительная обработка скорости
Рисунок 22 Предварительная обработка пути
Рисунок 23 Предварительная обработка
Рисунок 24 Предварительная обработка пути с использованием сплайн-кривых
Рисунок 25 Претретирование инструмента
Рисунок 26 Блок функции предварительной обработки
Рисунок 27 Блок управления функциями
Рисунок 28 Кинематическое преобразование
Рисунок 29 Поддерживаемые кинематические модели
5 Приложение
5.1 Кинематическая модель
Рисунок 30 Поддерживаемые кинематические модели
5.2 Кинематическая модель 5-осевого ЧПУ
Рисунок 31 Кинематическая модель пятиосевого ЧПУ
5.3 Кинематическая модель и соответствующие блоки функций
Рисунок 32 Алгоритмические блоки функций, соответствующие кинематической модели
Как упомянуто выше, G-код описывает пространственное положение и траекторию в трехмерной вертикальной системе координат. Следующий рисунок представляет программу выполнения интерполяции для простой трехосевой вертикальной системы координат (также известной как ганти), представленного в графическом языке CFC. Данные траектории пользователя были скомпилированы в формат SMC OutQueue. Наиболее упрощенная программа управления интерполяцией выглядит следующим образом:
中文
Global
