МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Робототехнические системы» А. М. Капустина  Ф. Л. Сиротин        СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ   ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ    Методическое пособие   по лабораторным и практическим работам        Минск БНТУ 2 0 1 4 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Робототехнические системы» А. М. Капустина Ф. Л. Сиротин СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ Методическое пособие по лабораторным и практическим работам для студентов специальностей 1-53 01 01 «Автоматизация технологических процессов и производств», 1-53 01 06 «Промышленные роботы и робототехнические комплексы» Мин с к БНТУ 2 0 1 4 2 УДК 621.9-05(075.8) ББК 34.5-7я7 К20 Р е ц е н з е н т ы : канд. техн. наук, зав. кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» Г. И. Гульков; канд. техн. наук, зав. кафедрой «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Н. Н. Гурский К20 Капустина, А. М. Системы управления технологическим оборудованием : методическое пособие по лабораторным и практическим работам для студентов специаль- ностей 1-53 01 01 «Автоматизация технологических процессов и произ- водств», 1-53 01 06 «Промышленные роботы и робототехнические ком- плексы» / А. М. Капустина, Ф. Л. Сиротин. – Минск : БНТУ, 2014. – 45 с. ISBN 978-985-550-205-1. В издание включены методические рекомендации к лабораторным и практическим работам по дисциплине «Системы управления технологическим оборудованием». Цель издания: приобретение студентами практических навыков использования теоретических методов анализа синтеза в построении функционально-логических схем автоматов по заданному закону функционирования. УДК 621.9-05(075.8) ББК 34.5-7я7 ISBN 978-985-550-205-1 © Капустина А. М., Сиротин Ф. Л., 2014 © Белорусский национальный технический университет, 2014 3 1. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ДИСКРЕТНЫХ АВТОМАТОВ Цель работы. Изучить методы и последовательность синтеза. Последовательность синтеза 1. По заданному закону функционирования составляется табли- ца истинности. 2. По таблице истинности записывается переключательная функция ПФ (в СДНФ или СКНФ) в зависимости от того, какой сигнал нужно получить на выходе (I или 0). 3. ПФ минимизируется и переводится в совершенные нормаль- ные формы базисов Пирса и Шеффера в зависимости от заданной элементной базы построения схемы. 4. Построение схемы (функционально-логической) автомата по ПФ выраженной в совершенной нормальной форме выбранного ба- зиса (СДНФ или СКНФ). Задание 1. Произвести синтез автомата сложения двух однораз- рядных двоичных чисел, каждое из которых может принимать одно из двух возможных значений: "0" или "1". Сигнал на выходе должен быть равен единице только при наличии на входе нечетного числа ("1") единиц. 1. Таблица истинности n 0 1 2 3 Номера кодовых комбинаций X2 0 0 1 1 X1, X2 – аргументы ПФ – y X1 0 1 0 1 Y1 0 1 1 0 2. По КЕ (конституантам единицы) составляется переключатель- ная функция (ПФ) в СДНФ 1221 XXXXy  3. Минимизации не подлежит. 4 4. а) Если в базисе Пирса должна быть реализована схема авто- мата, то в этот базис переводятся сначала элементарные конъюнк- ции ПФ 2 1 2 1X X X X   ; 2 1 2 1X X X X   , а затем дизъюнкция заменяется функцией Пирса. Тогда ПФ в базисе Пирса    2 1 2 1y X X X X    . Из выражения видно, что для схемной реализации надо иметь два инвертирующих элемента на входе схемы, три элемента реали- зующих функцию Пирса и один общий инвертирующий элемент. б) Если в базисе Шеффера, то 2 2 1 1 XX X X  ; 22 1 1 XX X X  ; 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 X1 X2 X2 X1 X1 X2 y у 5 2 1 2 1 X X y X X         . Задание 2. Провести синтез сумматора. Сумматор вырабатывает сигнал суммы y, и сигнал переноса y2 в следующий двоичный разряд суммы при сложении трех двоичных чисел. Задание 3. Осуществить синтез устройства по абстрактной таб- лице истинности. Способы задания дискретных автоматов с памятью Основными задачами дискретных автоматов являются задачи анализа и синтеза. Под анализом подразумевается определение закона его функцио- нирования по уже разработанной конкретной функционально- логической схеме. & & & & & 1 2 3 4 5 X1 X2 X2 X1 X1 X2 y 6 Синтез заключается в построении функционально-логической схемы автомата по заданному закону функционирования. Два этапа решения задачи: 1. Абстрактный синтез (математическая модель) 2. Структурный синтез (кодирование математической модели и выражение ее реально существующими логическими элементами с помощью элементов выбранного и заданного базиса с последую- щим построением функционально-логической схемы автомата). При синтезе дискретных автоматов без памяти задание закона функционирования достигалось при помощи таблиц истинности и переключательных функций, которые однозначно определяли зна- чения выходных сигналов. Для дискретных автоматов с памятью необходимо описать все элементы множеств {X, Y, A, δ, λ}, т.е. входной и выходной алфа- виты, алфавит состояний, а также функции переходов и выходов. Наибольшее распространение получили способы: 1. Канонический (табличный, графический) 2. Граф-схем алгоритмов. Выходной сигнал дискретных автоматов с памятью зависит не только от входного сигнала, поступившего в данный момент време- ни, но и от входных сигналов, поступивших в предыдущие моменты времени. Синтез линейного интерполятора Составим блок-схему алгоритма работы линейного интерполято- ра. Блок-схема содержит регистры РгX и РгY координат Xк и Yк конечной точки интерполяции прямой. РгFij – регистр оценочной функции и счетчики Сx и Сy значений текущих координат Xi и Yj. См – сумматор и генератор синхроимпульсов на РгСт. Обработка очередного кадра программы интерполятора начинается с ввода в РгX и РгY значений величин и очищения регистров и счетчиков РгFij, Сx, Сy. 7 Проанализируем работу интерполятора по методу оценочной функции при Xк = 7 и Yк = 5. 1. Составим граф-схему (рис. 1.2) по алгоритму (рис. 1.1) рабо- ты устройства. Рис. 1.1. Алгоритм работы линейного интерполятора Математически дискретные автоматы с памятью задаются пятью конечными множествами: входные сигналы X(x1 … xm); выходные Y(y1 … yn); внутренние состояния автомата A(a1 … ak); функции Начало Fij sign Yк +X:=1 -X:=1 +Y:=1 -Y:=1 Cy:=Cy+1 Cм:=Cмоб+РгXк sign Xк Cx:=Cx+1 Cм:=Cм+РгYкоб Cx=РгXк Cy=РгYк КОК Конец 0(+) 0(+) 0(+) 1(-) 1(-) 1(-) 0 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 переходов δ, реализующие отображение множеств A и X в A. функ- ции выходов λ, реализующие отображение множеств A и X в У. 2. С помощью первых трех множеств закодируем ее. 3. По закодированной граф-схеме составим таблицу переходов. Начало X1 X2 Y4 Y5 Y1 Y2 Y3 Y3 X3 Y6 Y6 X4 Y7 Конец нет да 0 0 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 аm – исходное состояние. аs – переход x – входной сигнал y – выходной сигнал нет 1 а0 а1 а2 а3 Рис. 1.2. Граф-схема алгоритма 9 № аm аs x y 1 а0 а1 а1 x1 x2 2x x1 y2 y1 2 а0 а2 а2 1x x3 1x 3x y5 y4 3 а1 а3 1 y3 4 а2 а3 1 y6 5 а3 а0 4x – 6 а3 а0 x4 y7 Так как автомат имеет четыре состояния а0, а1, а2, а3, то для их обеспечения необходимо иметь два запоминающих элемента. Если в качестве кода использовать эквивалент его номера в дво- ичной системе счисления, а в качестве запоминающих – тактируе- мые ”D”-триггеры, то структурная схема примет вид. Исход- ное со- стояние аm Код исх. состоя- ния k (аm) Состоя- ние перехода аs Код k (аs) Входной сигнал X Выход- ной сигнал Y Функции возбуж- дения. S(аm ,аs) а0 00 а1 а1 01 01 x1 x2 2x x1 y2 y1 S1 S1 а0 00 а2 а2 10 10 4x x3 1x 3x y5 y4 S2 S2 а1 01 а3 11 1 y3 S2 а2 10 а3 11 1 y6 S1 а3 11 а0 а0 00 00 4x x4 – y7 – 10 4. По структурной схеме составляются выходные функции (у): и функции возбуждения (S): ; ; ; ; ; ; ; 437 26 3105 3104 13 2102 2101 xay ay xxay xxay ay xxay xxay        . ; ; ; 11013103102 5432 21022102101 6211 axaaxxaxxaS yyyS axaaxxaxxaS yyyS     2. ИССЛЕДОВАНИЕ СДВИГАЮЩИХ РЕГИСТРОВ Цель работы. Ознакомление с принципами действия и функцио- нально-логическими схемами сдвигающих регистров. 1. Основные положения Регистром называется устройство, предназначенное для запо- минания слова, а также для выполнения над словом некоторых ло- гических преобразований. Регистр представляет собой совокупность триггеров, число ко- торых соответствует количеству разрядов в слове, и вспомога- тельных схем, обеспечивающих в общем случае выполнение сле- дующих операций: 1. Установка регистра в нуль ("сброс"). 2. Прием слова из другого устройства (регистра, сумматора и т.д.). 3. Передача слова в другое устройство. 4. Преобразование кода числа (прямого кода в обратный и на- оборот). 11 5. Сдвиг слова вправо или влево на требуемое число разрядов. 6. Преобразование последовательного кода слова в паралле- льный и наоборот. 7. Логическое сложение. 8. Логическое умножение. 9. Поразрядное сложение. Схемы конкретных регистров могут допускать выполнение лишь некоторых из указанных выше операций. В соответствии с указанными функциями регистры выполняются на триггерах с раздельными (установочными) входами. Приемом, выдачей и другими операциями в регистре управляют специальные сигналы, поступающие по управляющим шинам на входные и вы- ходные вентильные (клапаны) схемы триггеров регистра. Операцию передачи кода слова в регистр и из регистра можно осуществлять параллельно или последовательно. При последовательной передаче кода слова все разряды пере- даются последовательно во времени один за другим. При парал- лельной передаче кода слова все его разряды передаются одновре- менно, каждый по своей цепи. Рассмотрим реализованный в системе алгоритм преобразования двоично-десятичного кода в двоичный. Это преобразование сведено к последовательному выполнению операции деления на два (т. е. сдвигу вправо на один разряд) с последующей коррекцией соседних разрядов с учетом переноса. Число тактов преобразования равно на- ибольшей допустимой разрядности двоичного числа (4т * 5с = 20). При делении на два могут возникнуть две ситуации в зависи- мости от того, делится ли без остатка число в десятичном разряде или нет. В первом случае переносов в младший разряд нет. Во вто- ром случае возникает остаток 0,5, который при переносе в младший разряд дает число 5 или 0101 в двоичном коде. Именно на эту величину и должно быть скорректировано содер- жимое младшего разряда В табл. 2.1 приведен в качестве примера процесс преобразования десятичного числа 935 в его двоичный эквивалент. 12 Таблица 2.1 Шаг Операция Десятичная запись Эквивалент в двоично- десятичном коде Состояние двоичного регистра Исход- ное со- стояние 0а – Сдвиг 9 3 5 4,5 1,5 2,5 1001 0011 0101 0100,1 0001,1 0010,1 0000000000 1000000000 1 1а Коррекция Сдвиг 4 6 7 2 3 3,5 0100 0110 0111 0010 0011 0011,1 1100000000 2 2а Коррекция Сдвиг 2 3 3 1 1,5 1,5 0010 00111 0011 0001 0001,1 0001,1 1110000000 3 3а Коррекция Сдвиг 1 1 6 0,5 0,5 3 0001 0001 0110 0000,1 0000,1 0011 0111000000 4 4а Коррекция Сдвиг 0 5 8 0 2,5 4 0000 0101 1000 0000 0010,1 0100 0011100000 5 5а Коррекция Сдвиг 0 2 9 0 1 4,5 0000 0010 1001 0000 0001 0100,1 1001110000 6 6а Коррекция Сдвиг 0 1 4 0 0,5 2 0000 0001 0100 0000 0000,1 0010 0100111000 7 7а Коррекция Сдвиг 0 0 7 0 0 3,5 0000 0000 0111 0000 0000 0011,1 1010011100 8 8а Коррекция Сдвиг 0 0 3 0 0 1,5 0000 0000 0011 0000 0000 0001,1 1101001110 9 9а Коррекция Сдвиг 0 0 1 0 0 0,5 0000 0000 0001 0000 0000 0000,1 1110100111 10а Сдвиг 0 0 0 0000 0000 0000 13 Особенностью устройств ЧПУ является дискретный характер информации и задание траекторий в цифровом виде. Уравнения этих траекторий могут быть получены при решении разностных (а не дифференциальных) уравнении с помощью цифровых (или разностных) дифференциальных анализаторов. Между тем основы построения цифровых моделей для решения разностных уравнений и принципы построения аналоговых моделей для решения обыкно- венных дифференциальных уравнений вo многом схожи. Поэтому принцип проектирования интерполятора для расчета промежуточ- ных точек некоторой запрограммированной кривой заключается в следующем. 1. Находим обыкновенное дифференциальное уравнение, реше- нием которого служит уравнение воспроизводимой (заданной) тра- ектории в непрерывной форме. 2. Составляем аналоговую модель (обыкновенный дифферен- циальный анализатор) для решения дифференциального уравнения. 3. По аналогии с этой моделью подбираются элементы и связи цифрового (разностного) дифференциального анализатора; оцени- вается точность решения в цифровом виде; уточняются параметры цифровой модели. Имеются схемы регистров, выдающие информацию парафазным кодом, то есть информация одновременно поступает с прямых и инверсных выходов триггеров. Здесь каждый разряд регистра имеет на выходе 2 линии связи. 2. Содержание работы В лабораторной работе используются тактируемые «D» – триг- геры с дополнительными S, R входами. На рис. 2.1 дана функционально-логическая схема сдвигающего регистра, состоящая из пяти тактируемых «D» – триггеров. Выход Q каждого предыдущего триггера подсоединен к входу D каждого последующего триггера. Благодаря этому тактовый импульс С устанавливает последующий триггер в состояние, в котором до 14 этого находился предыдущий, осуществляя тем самым сдвиг ин- формации на разряд вправо. Вход D первого триггера служит для ввода в регистр информации в виде последовательных кодовых комбинаций, которые задаются тумблером Та. С каждым тактовым импульсом С на вход D первого триггера последовательно должны подаваться двоичные разряды вводимой информации. С выхода по- следнего триггера информация снимается в виде последовательных кодовых комбинаций при поступлении на регистр тактовых им- пульсов С и при наличии в регистре уже записанной ранее некото- рой информации. При этом информация на выходе регистра появ- ляется по отношению ко входу с задержкой на число периодов так- товых им пульсов, равное числу триггеров регистра сдвига. Вывод информации из регистра может производиться как в прямом (выход Q5 последнего триггера), так и в обратном (выход 5Q – последнего триггера) кодах. Запись информация в регистр в виде параллельных кодовых комбинаций может быть задана с помощью входов S (ус- тановка в "1") и R (установка в "О"). S D C R S D C R S D C R Eл Та Eл Q1 Q1 Q2 Q2 Q5 Q5 T5T2T1 Л2 Л3 Л6 Рис. 2.1. Схема сдвигающего регистра Для нормальной работы D триггера на входы S, R необходимо подать логические единицы. Лампочки Л2, Л3, Л6 в исходном со- стоянии включены. 15 3. Методика выполнения работы 3.1. Последовательный ввод и вывод информации 1. Набрать на панели кассеты электрическую схему регистра сдвига, соответствующую функционально-логической схеме, приве- денной на рис. 2.1. 2. Вход D первого триггера соединить с шиной аргумента 3. Вход шины С регистра тактовых импульсов подсоединить к выходу "I" кнопки генерации импульсов. 4. К выходам Q каждого триггера подсоединить лампочки для индикации их состояния. Лампочка, подключенная к выходу Q последнего триггера, ха- рактеризует выходную информацию в прямом коде. Для индикации выходной информации в обратном коде необходимо подключить лампочку к выходу 5Q последнего триггера. 5. Входы S и R триггеров соединить с шинами аргументов В, С соответственно и установить на шинах логическую единицу. 6. Установить все триггеры регистра в нуль. Для этого уста- новить с помощью тумблера Tc на шине С логический нуль, а затем логическую единицу. 7. Задавая аргументу А значения логических единиц или нуля при помощи тумблера Та и, вырабатывая кнопкой генерации им- пульсов тактовые импульсы, последовательно ввести в регистр и вывести из регистра в прямом и обратном кодах заданную препода- вателем кодовую комбинацию. 8. Определить необходимое число триггеров регистра для запо- минания заданной кодовой комбинации и число тактовых импуль- сов, требующееся для ввода данной кодовой комбинации. 16 3.2. Параллельный ввод информации 1. Набрать на панели кассеты электрическую схему регистра, соответствующую функционально-логической схеме, приведенной на рис. 2.1 2. Вход шины С регистра сдвига соединить с выходом "I" кноп- ки генерации импульсов. 3. К выходам Q каждого триггера для индикации их состояния подсоединить лампочки. 4. Входы триггеров регистра соединить с шиной А подать на шину логическую единицу. Установить триггеры регистра в нуль. Для этого шину А перевести в состояние нуля, а затем вернуть в исходное состояние. 5. Подать на шину В логический нуль. Установить триггеры ре- гистра в состояния, соответствующие заданной преподавателем ко- довой комбинации. Для этого входы S триггеров, которые необ- ходимо перевести в состояние логической единицы, соединить с шиной В. 6. По лампочкам установить правильность параллельного ввода информации в регистр. 7. Отсоединить входы R триггеров регистра сдвига от шины А. Подключить входы S триггеров регистра сдвига к шине А. 8. Установить триггеры регистра сдвига в единицу. Для этого шину А перевести в состояние логического нуля, а затем вернуть в исходное состояние. 9. Установить триггеры регистра в состояния, соответствующие заданной преподавателем кодовой комбинации. Для этого входы R триггеров, которые необходимо перевести в состояние логического нуля, соединить с шиной В. 10. По лампочкам установить правильность параллельного ввода информации в регистр. 17 3.3. Удвоение ранее записанного в сдвигающем регистре числа 1. Набрать на панели кассеты электрическую схему регистра, соответствующую функционально-логической схеме, приведенной на рис. 2.1 2. Вход D первого триггера соединить с шиной аргумента А. 3. Вход шины С тактовых импульсов подсоединить к выходу I-й кнопки генерации импульсов. 4. К выходам Q каждого триггера для индикации их состояния подсоединить лампочки. 5. Входы S, R триггеров соединить с шинами аргументов В и С соответственно. Установить на шинах логическую единицу. 6. Установить все триггеры регистра в нуль. Для этого шину С перевести в состояние логического нуля, а затем в состояние логи- ческой единицы. 7. Ввести последовательно в регистр заданное преподавателем число в двоичном коде так, чтобы старший разряд кода разместился в предпоследнем триггере регистра. 8. По индикации лампочек убедиться, что введенное число со- ответствует заданному. 9. При помощи кнопки генерации тактовых импульсов подать один тактовый импульс. По индикации лампочек убедиться, что вновь полученное двоичное число в два раза больше ранее записан- ного в регистр. 10. Произвести умножение произвольно выбранных кодовых комбинаций на четыре и восемь. 4. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие ма- териалы: 1. Функционально-логические схемы сдвигающих регистров по- следовательного и параллельного ввода и вывода информации. 18 2. Данные по числу триггеров в регистре и количеству тактовых импульсов при последовательном вводе и выводе информации. 3. Пояснения работы схемы умножения заданного числа на 2. Все схемы и данные должны сопровождаться краткими пояснениями. В конце необходимо указать основные виды триггеров, их гра- фическое обозначение и привести технические характеристики три- ггеров серии KI55. 5. Контрольные вопросы 1. Виды регистров. 2. Способы ввода информации в регистр. 3. Что такое «парафазный код»? 4. Преобразование двоично-десятичного кода в двоичный. 5. Какие операции обеспечивают вспомогательные схемы? 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЯЧЕЙКИ БУФЕРНОЙ ПАМЯТИ СИСТЕМЫ ЧПУ Цель работы. Ознакомление с функционально логическими схе- мами, принципом работы устройства ввода информации и ячейки буферной памяти системы ЧПУ. 1. Основные положения В функционально-логической структуре системы управления контурного устройства ЧПУ можно выделить три части, относя- щиеся соответственно к трем устройствам ЧПУ. Первая часть структуры относится к устройству ввода и вклю- чает блоки считывания, усиления, формирования, контроля, де- шифрации и хранения управляющей информации в буферной памя- ти. Вторая часть структуры относится к вычислителю и содержит блок задания скорости, интерполятор и рабочую память. Третья часть – устройство связи с исполнительными приводами подачи 19 (коммутаторы, блоки усиления и т.п.). Устройство ввода информа- ции производит первичную переработку кодированной информации управляющей программы. Управляющая программа поделена на кадры, а каждый кадр представляет собой совокупность закодиро- ванных слов, которые требуют определенного преобразования пе- ред тем, как возбудить движение исполнительных органов станка. Преобразования эти состоят в дешифрации адресов, преобра- зовании кодов из двоично-десятичного в двоичный, сортировке ин- формации по адресам, коррекции с пульта, визуализация информа- ции в десятичном коде и др. Устройство ввода обеспечивает покадровый ввод, хранение управ- ляющей программы и безостановочное воспроизведение управ- ляющей программы на станке. В наиболее общем виде работа агрегата ввода состоит из сле- дующих этапов. 1. Информация вводится построчно с помощью фотосчитываю- щего устройства. Введенная строка контролируется на четность. Адрес вводится в регистр адресов, дешифруется и хранится до при- хода следующего адреса. 2. Числовая информация команд S, M, F, T, G, N вводится строка за строкой в регистр-преобразователь (одна строка в одну тетраду ре- гистра) и, с приходом последней строки, передается в параллельном двоично-десятичном коде в соответствующие буферные регистры. 3. Числовая информация X, У, Z, I, J, К, L вводится в регистр- преобразователь, где организуется вычислительный цикл преобра- зования из двоично-десятичного кода в двоичный. Соответствую- щие двоичные числа передаются затем в интерполятор. 4. При вводе информации осуществляется контроль по струк- туре адреса: подсчитывается число цифровых строк и при ошибоч- ном их числе формируется команда «Сбой». 5. При вводе служебной информации «Конец кадра» выдаются сиг- налы «Стоп» на фотосчитыватель и «Конец ввода» на интерполятор. 6. Фотосчитывающее устройство запускается вновь после при- хода команды «Конец отработки кадра». Устройство управления и преобразования является центральным в числе блоков, составляющих агрегат ввода. Для устройства харак- 20 терны два режима (режим преобразования и режим индикации), ус- танавливаемых триггером выбора режима. В первом режиме двоич- но-десятичный код геометрической информации или подачи преоб- разуется в двоичный код. Во втором режиме двоичный код геомет- рической информации переводится в десятичный код для индика- ции на пульте оператора. Рассмотрим назначение отдельных блоков. В сдвиговом регистре и комбинационном сумматоре осуществ- ляется циклическое обращение двоичного числа с периодом в 21 строб, причем очередному стробу соответствует смещение на одни двоичный разряд. Если заблокировать в кольце (с помощью узла управления регистром) обратную связь, замыкающуюся на входе в сумматор, то за цикл, в пределах которого продолжаются сдвиги в регистре, последний будет обнулен. Управление может быть построено так, что в регистр будет по- следовательно введено двоичное число из другого регистра (коман- да «Ввод»), или так, что за цикл обращения двоичное число в реги- стре будет трансформировано в дополнительный код (команда «Признак дополнительного кода», по которой на входе сумматора подключается схема преобразования в дополнительный код). Шифратор констант последовательно опрашивается стробами параллельно с движением двоичного числа в регистре. В зависи- мости от числа на входе шифратора (а это число есть индекс строки 1–6), стробы «развертывают» во времени двоичный эквивалент того или иного десятичного разряда, подавая этот эквивалент последова- тельными двоичными разрядами на один вход сумматора как раз в те моменты времени, когда соответствующие же двоичные разряды поступают на другой вход сумматора со стороны регистра. Таблица 3.1 Индекс строки Разрядное число Поступление символа “единица” на вход шифратора со стробами с 14 с 13 с 12 с 11 с 10 с 9 с 8 с 7 с 6 с 5 с 4 с 3 с 2 с 1 6 010 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 5 110 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 21 Окончание табл. 3.1 4 210 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 3 310 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 2 410 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 Процесс «развертывания» двоичных эквивалентов десятичных разрядных чисел приведен в табл. 3.1. 2. Содержание работы В лабораторной установке (рис. 3.1) процесс считывания инфор- мации с программоносителя имитируется при помощи тумблеров TI...T7 и кнопки генерации импульсов Кн. Включение тумблеров TI...T7 в соответствии с кодовой комби- нацией, которую необходимо ввести в устройство ввода, с после- дующим нажатием кнопки Кн, обеспечивает получение сигнала, эквивалентного сигналу, получаемому при считывании информации с одной строки программы. Тумблер Тс имитирует наличие или отсутствие сигнала. Для обеспечения процесса декодирования адресов в установке преду- смотрены инверторы (D1...D7), установленные на выходе тумбле- ров T1...T7, шины прямых и инверсных сигналов по соответствую- щим кодовым дорожкам и дешифрирующая схема в виде логиче- ского элемента Пирса (D8). Триггер TI с логическими элементами D9, D10 обеспечивает ра- боту ячейки буферной памяти и является триггером адреса. Для упрощения схемы лабораторной установки в ней использу- ется четырехразрядная ячейка буферной памяти, в которую пооче- редно записывается геометрическая информация, набираемая тумб- лерами TI...T4 и, следующая за тем или иным адресом. Эта ячейка собрана на элементах Пирса D11..D 15 и регистрах Рг1...Рг4. На выходе ячейки буферной памяти установлен дешифратор знаков геометрической информации (KCI). 22 Для перевода параллельного кода, поступающего в ячейку, в по- следовательный, имеются сдвигающие регистры Рг5...Рг8. Элементы Шеффера D16...D19 с кнопкой КнЗ служат для пооче- редного считывания информации с выхода ячейки буферной памяти в сдвигающий регистр Рr5. При замыкании кнопки Кн2 информация последовательно сдви- гается из регистра Рг5 в регистр Рг6 и т.д. 3. Методика выполнения работы 1. Произвести синтез схемы дешифратора адреса, указанного преподавателем. На основании проведенного синтеза собрать на элементах D1...D7, D8 схему дешифратора. 2. Закодировать предложенные преподавателем символ адреса и геометрическую информацию двоичным кодом ИСО-7 бит. 3. При помощи тумблеров TI...T7 набрать код адреса. Выклю- чить тумблер TС. Нажать кнопку Кн. 4. Если правильно был произведен синтез дешифратора адреса и схемы дешифратора была собрана без ошибок, то после отпускания кнопки Кн должна загореться лампочка у триггера TI, сигнализи- рующая о том, что триггер перешел в состояние логической "1", и разрешен ввод геометрической информации в регистры Рг1...Рг4 ячеек памяти. 5. Ввести в регистры Рг1...Рг4 ячеек буферной памяти пред- ложенную преподавателем геометрическую информацию вида ± 365. При помощи тумблеров TI...T4 набрать требуемый код и вве- сти его в ячейку буферной памяти нажатием кнопки Кн. Ввод ин- формации осуществлять начиная со знака и старших разрядов. 6. Перевести параллельный код, поступивший в ячейку буфер- ной памяти (Рг1...Рг4) в последовательный (Рг5...Рг8). Для этого необходимо нажать кнопку Кн3. Информация с выхо- да ячейки памяти через элементы D16...D19 поступит в регистр Рг5. С помощью кнопки Кн2 информацию из регистра Рг5 перевести в регистр Рг6. 23 1 D7 1 D6 1 D5 1 D4 1 D c 1 D3 1 D2 1 D1 1 D9 1 D1 0 1 D1 21 D1 31 D1 41 D1 5 1 D1 1 1 D1 9 1 D1 8 1 D1 7 1 D1 6 T7 T6 T5 T4 Tc T3 T2 T1 1 D8 D C T1 Pr 1Pr 2Pr 3 Pr 4 -+KC 1 Kн3Kн2 En Pr 5 Pr 6 Pr 7 Pr 8 Вы х Kн. En En Kн4 Сб рос Рис. 3.1. Устройство ввода информации в ячейки буферной памяти 24 Тумблерами TI...Т4 набрать новую геометрическую информацию и кнопкой Кн. ввести ее в младшие разряды Рг1...Рг4. С выхода ячейки памяти информацию переписать кнопкой КнЗ в регистр Рг5. Кнопкой Кн2 информацию из регистров Рг5, Рг6 переписать в регистры Рг7, Рг8. Таким образом, информация в параллельном коде из регистров (Рг1...Рг4) будет переведена в регистры Рг5...Рг8 в последова- тельном коде. С выхода регистра Рг8 информация последовательно выводится из ячейки буферной памяти с помощью кнопки Кн2. 4. Содержание отчета Отчет должен содержать следующие материалы: 1. Функционально-логическую схему устройства ввода информа- ции в ячейки памяти. 2. Синтез схемы дешифратора адреса. 3. Краткое описание работы схемы в режиме ввода и вывода геометрической информации. 5. Контрольные вопросы 1. Способы контроля вводимой информации. 2. Преобразование двоично-десятичного кода в двоичный. 3. Основные этапы работы устройства ввода. 25 4. ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКА ЗАДАНИЯ СКОРОСТИ (БЗС) Цель работы. Ознакомление с функционально-логической схе- мой и принципом работы блока задания скорости системы ЧПУ. 1. Основные положения БЗС служит для задания скорости подачи режущего инструмента посредством тактирования работы интерполятора. Скорость подачи, так же как и величина перемещений, задается определенным спосо- бом в программе. Эта программа вводится в интерполирующее уст- ройство, где осуществляется преобразование перемещений в рас- пределенную последовательность импульсов, причем число им- пульсов соответствует величинам перемещений, а частота их следо- вания - заданной скорости подачи. В типовых интерполяторах для получения определенной контурной скорости подачи подсчитывае- те величина участка интерполяции: 2 2S Х Y     , где X и Y перемещения по координатам X и У. Затем определяется время обработки данного участка интерпо- ляции St Vконт  , где Vконт – контурная скорость подачи. Что позволяет определить (при данной цене одного импульса) частоту следования импульсов из блока задания скорости на вход блока декад. Такая схема применяется для интерполяторов, пост- роенных на двоичных импульсных умножителях. Код скорости задается четырьмя десятичными разрядами A1, A2, A3, A4. В буферном и рабочем регистрах скорости хранится значение скорости подачи: в буферном регистре – значение скорости для от- работки следующего кадра программы, в рабочем регистре – зна- 26 чение скорости подачи в текущий момент времени. В данной работе рассматривается только режим равномерной подачи, т.е. значения разрядов A1, A2, A3, где А1 – признак торможения в конце отработки кадра; A2 – порядок скорости подачи в условной форме; А3 – мантисса скорости подачи. Рассмотрим функциональную структуру блока задания скорости, который вместе с интерполятором входит в состав агрегата «вычис- литель». В круг задач блока задания скорости входят: передача в интерполятор последовательности импульсов заданной частоты; поддержание постоянной контурной скорости отработки; осущест- вление разгона и торможения с автоматическим определением уча- стка пути торможения. Адресу F сопутствуют в программе пять символов числовой ин- формации. Старшим разрядом задаются режимы скорости: «Раз- гон», «Торможение», «Быстрый ход». Остальными разрядами зада- ется величина подачи (непосредственно в миллиметрах в минуту). Информация о режимах поступает из регистра числа в буферный регистр режимов подачи Информация о величине подачи поступает из регистра- преобразователя последовательным двоичным кодом и записывает- ся в буферном регистре. В режиме «Ускоренная отработка» инфор- мация о величине рабочей подачи блокируется и обеспечивается некоторая постоянная ускоренная подача, на которой ведется холо- стая отладка программы. В начале кадра информация переписыва- ется из буферных регистров в рабочий регистр режимов подачи и регистр F величины подачи. Для формирования необходимой частоты выходного сигнала ис- пользуется регистр-накопитель в котором за один вычислительный период, задаваемый циклом стробов, к его предыдущему значению прибавляется число, представляющее собой код скорости. Разрешение на суммирование обеспечивает синхронизованный сигнал генератора. В силу того, что разрядная сетка регистра- накопителя ограничена, на его выходе возникают импульсы пере- полнения, частота которых пропорциональна коду скорости и ча- 27 стоте генератора. Выход импульсов переполнения представляет со- бой команду «Строб-шаг», по которой интерполятором выдаются импульсы управления к приводу подачи х, приводу подачи z или обоим приводам одновременно. Для поддержания постоянной контурной скорости в регистр- накопитель вводится (после каждого цикла переполнения) неко- торое дополнительное число, величина которого зависит от того, каковой была предыдущая управляющая команда. Это позволяет целенаправленно изменять частоту переполнения, т. е. частоту строб-шагов. Блок поддержания постоянной контурной скорости содержит узел формирования и дешифрации коэффициентов и узел выработки добавочных чисел. Из-за того, что отработка ведется с шагом по одной или двум ко- ординатам одновременно, мгновенная скорость подачи непрерывно изменяется. Об угле наклона текущего профиля можно судить по числу шагов, отработанных в одно и то же время. Для подсчета ша- гов по каждой координате применены счетчики до двух Сч2, в зави- симости от состояния которых вырабатывается определенный ко- эффициент (табл. 4.1). Таблица 4.1 Угол наклона Состояние Сч2 для x Состояние Сч2 для z Коэффициент 0 45 63,30 76 90 2 2 2 1 0 0 1 2 2 2 1 0,707 0,447 0,5 0,5 Режим разгона и торможения обеспечивается генератором управляемой частоты. Появление единичного сигнала на входе управления генератором означает начало режима торможения, а наличие нулевого сигнала равнозначно режиму разгона (оба пере- ходных режима возможны только при наличии соответствующих разрешающих команд со стороны блока режимов). От блока задания скорости, управляющие команды в унитарном коде отправляются в координатные приводы. Таким образом, блок 28 задания скорости обеспечивает отработку перемещений с заданной скоростью подачи. Другими функциями блока задания скорости являются: разгон в начале отработки кадра, торможение на стыке кадров при смене скорости подачи, автоматическое поддержание постоянной контурной скорости при мгновенных включениях в ра- боту одной, двух или трех координат. Все вычислительные и другие циклы в устройстве ЧПУ синхро- низированы генератором тактов (всего четыре такта) и стробов (всего пять стробов). Число тактов и стробов обусловлено после- довательно-параллельным характером передачи информации в ре- гистрах памяти. При управлении приводами кодом скорости сигналы ступеней скорости управляют в блоке подач выдачей на шины системы уста- новок скоростей. Полученный код скорости подачи выдается с вы- ходных шин сумматора, запоминается в регистрах блока подач и через блок усилителей выдается на внешние разъемы. Управление главным приводом осуществляется выдачей из па- мяти блока главного привода, через блок усилителей, на выходные разъемы системы управления, сигналов включения механических ступеней скорости и кода электрических ступеней внутри механи- ческих диапазонов. Код вспомогательных команд М выдается на выход устройства с памяти блока адресов через блок усилителей. Узел датчиков преобразует в код информацию о положении ис- полнительных механизмов ТО относительно начала отсчета и обес- печивает питание датчиков. Таким образом, БЗС обеспечивает отработку перемещений с за- данной скоростью подачи. Другими функциями БЗС являются: раз- гон в начале отработки кадра, торможение на стыке кадров при смене скорости подачи, автоматическое поддержание постоянной контурной скорости. Все вычислительные и другие циклы в устройстве ЧПУ синхро- низированы генератором тактов (всего 4 такта) и стробов (всего 5 стробов). Импульс опроса выходного блока поступает в соответствующий момент времени от БЗС; управляющие команды в унитарном коде 29 отправляются в координатные приводы: блокировка интерполятора снимается до очередной команды. Если период (max коэффициент деления) БЗС равен числу отсче- тов за один оборот датчика, то код подачи, занесенный в БЗС с уче- том цены отсчета ТО будет прямо соответствовать подаче мм/оборот. Если max коэффициент деления равен, например, 4096, датчик за один оборот выдает 4096 импульсов, цена отсчета ТО 0,001мм и задан код подачи F = 200, то на выходе БЗС за каждый оборот дат- чика будет 200 импульсов, что соответствует подаче 0,2 мм/оборот. 2. Содержание работы Блок задании скорости состоит из 2-х генераторов Г1 и Г2, кодо- вых триггеров TI, Т2, ТЗ, Т4, делителя частоты Т5, Тб, Т7 и управ- ляющих элементов, собранных на логических элементах D1...D11 (см рис. 4.1). Логические элементы D10, D11 обеспечивают прохож- дение сигнала на выход БЗС лишь при нахождении триггера Т4 в состоянии логической единицы. Триггер TI служит для выбора одного из 2-х генераторов Г1 или Г2. С помощью триггеров Т2, ТЗ выбирается один из трех ко- эффициентов деления 2,4.8. Например, для задания выходного сигнала БЗС с f ~ 100 Гц при частоте следования импульсов первого генератора 800 Гц необ- ходимо на кодовые триггеры подать двоичный код 0001. Тумблер Т2 и кнопка Кн1 предназначены для ручного ввода в кодовые триггеры требуемого кода управления. Для установки триггеров TI...T4 в исходное положение исполь- зуется кнопка Уст"0". Состояния триггеров TI...T4 контролируются с помощью лампочек Л1...Л4. 30 T4 T5 Л1Л1 Л2 Л3 Л4 T1 T2 T3 T4 Г1 Г2 & D1 & D2 & D3 T5 & D4 & D5 & D6 T6 T7 & D7 & D8 & D9 Гн1 Гн2 & D1 0 & D1 1 На вх од С сче тч ика Гн3 Гн4 1 2 3 4 5 6 7 ПК F1 F2 F3 F 4 F5 F6 7 6 6 5 5 4 3 2 1 T2 S D C R S D C R S D C R S D C R Вк л Вы кл Кн2 Кн1 Ус т0 T8 T9 T1 0 T1 1 S & Y S & K R S & Y S & K R S & Y S & K R S & Y S & K R & D 21 & D 41 & D 31 & D1 5 & D 71 & D 61 & D 81 & D2 0 & D 91 & D2 1 & D2 2 & D2 3 Кн4Кн 3 Ус т0 Гн5 T3 En um + En um T1 Л5Гн6 Рис. 4.1. Блок задания скорости и электронный коммутатор 31 3. Методика проведения работы 1. Включить генераторы Г1 и Г2 с помощью тумблера Т4 и Т5. При помощи частотомера или осциллографа определить частоты следования импульсов с генераторов. 2. На основании функционально-логической схемы БЗС и изме- ренных частот генераторов заполнить таблицу 4.1 возможных ско- ростей подач и им соответствующих кодов управления в двоичных и десятичных системах счисления. Таблица 4.1 Скорость подачи, мм/с Двоичный код управления Десятичный код управле- ния Количество импульсов 3. Закодировать заданную преподавателем скорость подачи в двоичном коде. Установить триггеры БЗС в нуль кнопкой Кн2. 4. Ввести в БЗС полученный двоичный код с помощью тумбле- ров Т2 и кнопки Кн. 5. Подключить к гнездам ГнЗ, Гн4 частотомер или осциллограф и определить соответствие между заданной и действительной ско- ростью подачи. 6. Выставить кодовые триггеры на ноль и поочередно, вводя ко- ды, обеспечивающие все возможные скорости подачи, проверить соответствие их, вычисленным аналитически. 4. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие ма- териалы: 1. Функционально-логическую схему БЗС. 2. Таблицу скоростей подач с соответствующими им кодами управления. 3. Основные выводы по лабораторной работе. 32 Все таблицы, схемы и расчеты должны сопровождаться крат- кими пояснениями. 5. Контрольные вопросы 1. Для чего используется БЗС? 2. Где содержится информация о скорости подачи в конкретный момент времени? 3. Что необходимо сделать, чтобы коэффициент деления был 32? 4. В какие блоки СЧПУ поступают импульсы после БЗС? 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО КОММУТАТОРА ШАГОВОГО ПРИВОДА ПОДАЧИ Цель работы. Ознакомление с функционально-логической схе- мой, принципом работы электронного коммутатора шагового при- вода подачи. 1. Основные сведения Электронный коммутатор (ЭК) предназначен для преобразова- ния последовательности входных импульсов в команды для после- довательного включения фаз шагового двигателя, Коммутаторы строятся по 3-х, 6-и, 12-и и более сложным схемам коммутации. Шеститактная схема коммутации применяется для управления ша- говым двигателем ШД-4. Цикл работы ЭК заканчивается по прихо- ду шестого импульса. Двенадцатитактная схема коммутации при- меняется для управления ШД с шестью выводами обмоток (типа ШД-5Д1). 33 Основное требование к ЭК – обеспечение заданного закона рас- пределения импульсов при минимально возможном количестве входящих в него элементов. Число выходных сигналов определяется количеством фаз ШД. Последовательность переключения каналов коммутатора выбирают, учитывая получение требуемого статического момента ШД и нуж- ного шага. Коммутаторы бывают реверсивными и нереверсивными. Ревер- сивные – управляются по двум входным каналам. Реверс произво- дится изменением последовательности переключения обмоток ШД и соответственно ячеек коммутатора. Импульсы программы посту- пают по двум управляющим входам, обеспечивающим прямой и обратный порядок последовательности включения обмоток ШД. Коммутатор может быть построен в виде: – счетчика с дешифратором и сумматором, обеспечивающим требуемую схему коммутации; – сдвигающего регистра; – реверсивного счетного кольца. В процессе коммутации фаз вектор магнитного поля непрерывно поворачивается с угловой скоростью, соответствующей частоте по- ступающих на коммутатор импульсов управления. Импульсы с электронного коммутатора усиливаются по мощно- сти и через узел резисторов для повышения быстродействия ШД поступают на его обмотки. Электронный коммутатор представляет собой кольцевой сдвиго- вый регистр, изменяющий свое состояние под действием каждого очередного входного импульса; смена состояний коммутатора при- водит (через усилитель мощности) к переключению фаз ШД и по- вороту его ротора на угловой шаг. Цена шага неизменна и обуслов- лена особенностями конструкции ШД. ШД – это своеобразная гид- рокопировальная система с жесткой ОС, выполняющая копирова- ние с усилением крутящего момента. Таким образом, шаговые пе- ремещения воспроизводятся с усилением на общем силовом входе привода. Возможны различные законы коммутации с различной циклич- ностью. Чем больше фаз включено одновременно, тем выше крутя- 34 щий момент, развиваемый ШД. В процессе коммутации фаз вектор магнитного поля непрерывно поворачивается с угловой скоростью, соответствующей частоте поступающих импульсов управления. Ро- тор отстает от этого вектора, что и создает «натяг» в магнитном по- ле. Чем выше частота управления, тем выше нагрузка, приложенная к ротору, тем больше отставание. Это отставание не должно пре- вышать цикл (12) коммутации т.к. это приведет к нарушению син- хронизации и потере информации. Частота приемистости – мгно- венный перепад частоты управления, отрабатываемый ШД без по- тери синхронизации. Другое ограничение называется максимальной частотой управления, которая допустима для ШД в режиме разгона. Поэтому для ШД частота приемистости лежит в районе до 2000 Гц, а максимальная частота достигает 16 –18кГц. 2. Содержание работы Электронный коммутатор построен по двенадцатитактной схеме коммутации и применяется для управления шаговыми двигателями с шестью выводами oбмоток (типа ШД-5Д1). Цикл работы таких схем заканчивается по приходу двенадцатого импульса. Коммутатор состоит из реверсивного счетчика по модулю 12, собранного на триггерах Т8...Т11, элементов Д12...Д23 и преоб- разователя кодов ПК (рис. 4.1 лабораторной работы №4). Коммутатор может изменять порядок распределения импульсов по фазам. Прямое и обратное распределение импульсов обеспечива- ет вращение ротора шагового двигателя в различных направлениях. Выбор вида распределения импульсов по фазам осуществляется с помощью тумблера ТЗ. Кнопка Кн4 "РУ" вырабатывает импульсы, поступающие на вход реверсивного счетчика. Состояние триггеров реверсивного счетчика индицируется с помощью лампочек. Кнопка Кн3 "Уст 0" используется для установки в нуль триггеров счетчика. Преобразователь кодов осуществляет преобразование кода, опи- сывающего состояние счетчика в код, характеризующий состояние фаз шагового двигателя. Состояние фаз F1–F6 шагового двигателя индицируется с помощью лампочек. 35 3. Методика выполнения работы 1. Установить триггеры реверсивного счетчика е нуль с по- мощью Кн3 "Уст 0". Проконтролировать загорание лампочек, инди- цирующих состояние фаз F1, F6. Установить прямое распре деление импульсов электронного коммутатора по фазам ШД, для этого тумблер ТЗ перевести в положение "+". 2. Нажатием кнопки Кн4 "РУ" перевести счетчик в состояние 0001. Проконтролировать по лампочкам состояние фаз F1, F2, F3. 3. С помощью кнопки Кн4 имитировать поступление на вход ре- версивного счетчика входных импульсов, наблюдая прямое рас- пределение фаз шагового двигателя. 4. Установить триггеры реверсивного счетчика в нуль с по- мощью кнопки КнЗ "Уст0". Проконтролировать загорание лампо- чек, индицирующих состояние фаз F1, F2 . Установить обратное распределение импульсов коммутатора по фазам ШД. Дл этого тумблер ТЗ перевести в положение "-". 5. Нажатием кнопки Кн4 "РУ" перевести счетчик в состояние 1011. Проконтролировать по лампочкам состояние фаз F1, F2, F6. 6. С помощью кнопки Кн4 имитировать поступление на вход ре- версивного счетчика иvпульсов, контролируя при этом обратное распределение фаз шагового двигателя. 7. Подключить блок задания скорости. Ввести в БЗС двоичный код, соответствующий заданной преподавателем скорости подач. 8.Включить генераторы Г1 и Г2 БЗС. Тумблером ТЗ подавать направление коммутации "+" или "-" и проконтролировать прямое и обратное распределение фаз в автоматическом режиме. 9.Задавая возможные значения кодов скоростей подач про- контролировать работу коммутатора в автоматическом режиме. 4. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие ма- териалы: 1. Функционально-логическую схему электронного коммутатора. 36 2. Таблицу распределения импульсов по фазам при прямом и об- ратном направлении коммутации. 3. Основные выводы по лабораторной работе. Все таблицы, схе- мы и расчеты должны сопровождаться кратким пояснением. 5. Контрольные вопросы 1. Какие схемы коммутации применяются в системах управле- ния станками с ЧПУ? 2. Как формируется первоначальная информация о направлении вращения ШД? 3. Что такое частота «наброса» для ШД и ее значение для ШД-5Д1? 6. СИНТЕЗ ЛИНЕЙНОГО ИНТЕРПОЛЯТОРА Цель работы. Ознакомление с функционально-логической схе- мой, принципом действия и основными характеристиками ли- нейного интерполятора. 1. Основные положения Работа линейного интерполятора заключается в выработке приз- нака перемещения режущего инструмента по той или иной коорди- нате в зависимости от знака оценочной функции в промежуточной точке траектории, вычислении координат точки, в которую сделан шаг, и в вычислении величины оценочной функции в этой точке. Кроме того, интерполятор определяет окончание процесса ин- терполяции, сравнивая значения координат промежуточных и ко- нечных точек. Интерполируемая прямая ОА рис. 6.1 делит плос- кость ХУ на две области: область, где оценочная функция 0F  , находится над прямой; область, где 0F  , расположена под пря- мой и 0F  для точек, расположенных на прямой линии. 37 Y X0 F >0ji F <0ji A F =0ji X ,Yk k Рис. 6.1 Если промежуточная функция траектории находится в области 0F  , то следующий шаг производится по оси X, если же в об- ласти 0F  , то шаг по оси У. Значения оценочной функции для промежуточных точек траектории можно определить по формуле ij k kF YX XY  , где k kX Y – координаты конечной точки обработки; i jX Y – координаты текущих точек обработки ( 0,1, 2,3... 0,1, 2,3...)i j  Если координаты задаются числом шагов, то текущие координа- ты точки обработки при шаге по осям координат увеличиваются на единицу: 1 11 1i i y jX X Y Y     . Текущее значение оценочной функции с каждым шагом по лю- бой из осей координат изменяется следующим образом: при шаге по оси X: 1, ,i j i j kF F Y   при шаге по оси Y: kjiji XFF  ,1, 38 Начальное значение величины оценочной функции 0coF  и, следовательно, первый шаг всегда делается по оси X. Для каждой промежуточной точки траектории интерполяции величина оценоч- ной функции зависит от координат конечной точки интерполируе- мого отрезка kX и kY , вводимых из программы. Входная информа- ция на блок интерполяции поступает с запоминающего блока. Вы- ходная информация интерполятора обычно представлена в им- пульсной форме, т.е. в виде последовательности импульсов по каж- дой координате, частота которых определяет скорость подачи, а общее количество – пройденный путь по данной координате. Мак- симальная частота импульсов на выходе интерполятора является одной из самых основных его характеристик и в современных СЧПУ имеет величину 5–10 Кгц. Особенностью устройств ЧПУ является дискретный характер информации и задание траекторий в цифровом виде. Уравнения этих траекторий могут быть получены при решении разностных (а не дифференциальных) уравнении с помощью цифро- вых (или разностных) дифференциальных анализаторов. Между тем основы построения цифровых моделей для решения разностных уравнений и принципы построения аналоговых моделей для решения обыкновенных дифференциальных уравнений вo мно- гом схожи. Поэтому принцип проектирования интерполятора для расчета промежуточных точек некоторой запрограммированной кривой за- ключается в следующем. 1. Находим обыкновенное дифференциальное уравнение, реше- нием которого служит уравнение воспроизводимой (заданной) тра- ектории в непрерывной форме. 2. Составляем аналоговую модель (обыкновенный дифферен- циальный анализатор) для решения дифференциального уравнения. 3. По аналогии с этой моделью подбираются элементы и связи цифрового (разностного) дифференциального анализатора; оцени- вается точность решения в цифровом виде; уточняются параметры цифровой модели. 39 2. Описание установки Функционально-логическая схема линейного интерполятора состоит из счетчиков текущих значений координат 4 4, ( )i j i kX Y C x и С y , сдвигающих регистров конечных значений координат , ( )k k r k r kX Y P x и P y , сдвигающего регистра хранения текущего значения оценочной функции ( )ij r ijF P F , сдвигающего регистра генерации стробов r TP C , сумматора ( )mC , триггеров хра- нения знаков конечных значений координат 1 2( , )T T , триггеров управления 1 4( )T T и элементов управления D5…D18, форми- рующих выходные функции (рис. 6.2). Выходные сигналы с интерполятора индицируются светодиода- ми ,X Y  , подключенными к выходам элементов D5…D8. Эле- мент D12 вырабатывает сигнал, характеризующий конец обработки кадра КОК. При подаче сигнала с интерполятора на очередной шаг переме- щения режущего инструмента по соответствующей координате од- новременно сигнал поступает на соответствующий счетчик теку- щего значения координаты. С элементов D9, D10 снимаются сигна- лы, обеспечивающие вычисление текущего значения оценочной функции. Для вычисления значения оценочной функции служит сумматор. На вход сумматора сигналы поступают со сдвигающего регистра текущего значения оценочной функции ( )r ijP F и с одного из сдвигающих регистров конечного значения координат ( , )r к r kP x P y . При очередном вычислении оценочной функции xjF конечные значения координат kX и kY одновременно с подачей на сумматор переписывается в собственные сдвигающие регистры. Стробирование схемы интерполятора осуществляет регистр стро- бов, на вход которого с элемента D11 поступает сигнал "I". При по- явлении сигнала I на выходе регистра стробов образуется столько стробирующих импульсов, сколько необходимо для обеспечения расчета текущего значения оценочной функции Элементы 40 D13...D15, D16...D18 служат для выработки функций возбуждения 1S , 2S . Комбинационные схемы KI и К2 обеспечивают сравнение кодов и вырабатывают сигнал равенства текущих значений коорди- нат iX и jY с конечными значениями тех же координат ( , )k kX j . Тумблеры Tyl, Ту2 и кнопки Кн1, Кн2 предназначены для ручного ввода в сдвигающие регистры конечных значений координат kX и kY заданных кодов. Тумблеры Ty3 и Ту4 и кнопка Кн6 обеспечива- ют ввод кодов, характеризующих знаки конечных значений коор- динат в триггеры знаков Т1 и Т2. Кнопка Кн5 «бзс» имитирует им- пульсы, поступающие с блока задания скорости, кнопка Кн4 “Fcm” вырабатывает импульсы, поступающие на сдвиговый регистр стро- бов и обеспечивающие стробирование схемы интерполятора. Кнопка Кн3 «Сброс» служит для установки в нуль сдвигающих регистров конечных значений координат, сдвигающего регистра оценочной функции, счетчиков текущих значений координат, реги- стра стробов, триггеров координат управления и элементов памяти сумматора. Подача напряжения +5В в электрическую схему интерполятора осуществляется с помощью тумблера Епит. 3. Методика выполнения работы 1. Включить тумблер Е пит. Установить все счетчики, сдвига- ющие регистры и триггеры в нуль при помощи кнопки КнЗ "Сброс" 2. Тумблерами Tyl, Ty2 и кнопками Кн1 , Кн2 ввести в сдвига- ющие регистры конечные значения координат (заданные препода- вателем кодовые комбинации). 3. При помощи тумблеров ТуЗ, Ту4 и кнопки Кн6 ввести коды знаков конечных значений координат в триггеры знаков 4. Проконтролировать загорание одного из светодиодов ,X Y  , сигнализирующих о выбранном направлении перемеще- ния режущего инструмента. 41 Ту1 К н2Ту2Кн1 Кн 3 СмК2К1 P X2 k C Y4 i C X 4 i P Y2 k P F2 ij P C2 m Ту3 Ту4Кн6 Кн4 Кн5 T1 T2 D DC C “ ” бзс++- - Fc m En um Вы кл Вкл T3 T4 D C CD & D1 & D3 & D 4 & D2 & D5 & D6 & D7 & D 8 & D9 & D1 0 & D1 2 & D1 3 & D1 4 & D1 5 & D1 7 & D1 1 & D1 5 & D1 8 K g g r r p p g g g g 2 2 1 1 -C X -P 4 i 2X -C Y -P Y -P F -P C -T -Tk 4 i 2 k 2 ij 2 m 1 4 КО К S1S2 1-Y+Y-X+X Рис. 6.2. Схема линейного интерполятора 42 5. Выполнить шаг вдоль выбранного направления перемещения. Для этого необходимо нажать кнопку Кн5 "БЗС". Проконтролиро- вать занесение единицы в счетчик текущего значения координаты, по которой был выполнен шаг. 6. При возникновении сигнала «1» на элементе D11 необходимо нажатием кнопки Кн4 “Fcm” обеспечить выработку стробов для расчета текущего значения оценочной функции ijF . Загорание всех светодиодов регистра стробов сигнализирует о выполнении расчета текущего значения ijF . Значение оценочной функции, представлен- ной в дополнительном коде, индицируется с помощью светодиодов. 7. Нажатием кнопки Кн5 "бзс" проверить появление сигнала КОК, который сигнализирует об окончании процесса интерполя- ции. При отсутствии сигнала КОК выбрать направление перемеще- ния инструмента на следующем шаге нажатием кнопки Кн5. Повто- рить операции по пунктам 5,6,7. Управление схемой интерполятора производить до момента появления сигнала КОК. 4. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие ма- териалы: 1. Описание принципа работы линейного интерполятора. 2. Функционально-логическую схему интерполятора. 3. Граф-схему алгоритма линейного интерполятора. 4. Расчеты, связанные с определением количества стробов и частоты следования импульсов с блока задания скорости (по задан- ной рабочей скорости инструмента). 5. Контрольные вопросы 1. Какие существуют методы интерполяции применительно к станкам с ЧПУ? 2. Назовите недостатки при использовании линейного интерпо- лятора для обработки деталей с фасонным контуром. 43 3. В чем суть линейной аппроксимации и когда она применя- ется? 4. Какие дискретные автоматы использованы при построении данной схемы интерполятора? СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Программное управление станками. – М. : Машиностроение, 1981. – С. 398. 2. Серебреницкий, П. П. Программирование для автоматизиро- ванного оборудования / П. П. Серебреницкий, А. Т. Схиртладзе. – М. : Высшая школа, 2005. – 350 с. 3. Денисенко, В. В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием / В. В. Денисенко. – М. : Горячая линия-Телеком, 2009. – 608 с. 4. Готшальк, О. А. Программное управление оборудованием / О. А. Готшальк. – Л. : СЗПИ, 1980. – 68 с. 5. Шишмарев, В. Ю. Автоматизация технологических процессов / В. Ю. Шишмарев. – М. : Академия, 2005. – 352 с. 44 СОДЕРЖАНИЕ 1. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ДИСКРЕТНЫХ АВТОМАТОВ ..... 3 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СДВИГАЮЩИХ РЕГИСТРОВ ................. 10 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЯЧЕЙКИ БУФЕРНОЙ ПАМЯТИ СИСТЕМЫ ЧПУ .............. 18 4. ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКА ЗАДАНИЯ СКОРОСТИ (БЗС) ..... 25 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО КОММУТАТОРА ШАГОВОГО ПРИВОДА ПОДАЧ ............................................. 32 6. СИНТЕЗ ЛИНЕЙНОГО ИНТЕРПОЛЯТОРА ............................ 36 7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..................... 43 Учебное издание КАПУСТИНА Анна Михайловна СИРОТИН Феликс Львович СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ Методическое пособие по лабораторным и практическим работам для студентов специальностей 1-53 01 01 «Автоматизация технологических процессов и производств», 1-53 01 06 «Промышленные роботы и робототехнические комплексы» Технический редактор О. В. Песенько Подписано в печать 11.12.2013. Формат 60841/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 2,61. Уч.-изд. л. 2,04. Тираж 100. Заказ 355. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.