Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Зазвонных Алексей Владимирович
Адаптация технологических возможностей СЧПУ к условиям обработки на основе интегрированной клиент-серверной системы
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва, 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном университете приборостроения и информатики МГУПИ Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Аршанский Михаил Маркович
Официальные оппоненты: Московский автомобильно-дорожный институт доктор технических наук, профессор Васьковский Анатолий Михайлович Московский государственный университет приборостроения и информатики, кандидат технических наук, профессор Мацнев Анатолий Петрович
Ведущая организация: ФГБОУ Московский государственный технологический университет СТАНКИН
Защита диссертации состоится л23 мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.02 в ФГБОУ ВПО Московском государственном университете приборостроения и информатики МГУПИ по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д.20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного университета приборостроения и информатики МГУПИ.
Автореферат разослан л23 апреля 2012г.
Ученый секретарь Диссертационного Совета, Зеленко Г.В.
кандидат технических наук, профессор
Актуальность темы.
Современное машиностроение сталкивается с проблемой обработки всё более сложных по конфигурации и точности деталей. Такая обработка возможна только на станках с системами числового программного управления (СЧПУ) стоимость которых определяется количеством реализуемых функций. Особенно остро эта проблема проявляется в свете предъявляемых к эффективности производства требований, основными из которых являются (Рис. 1): тенденция к сокращению трудоемкости, снижению периодов между модернизацией или заменой станочного оборудования, снижению простоев связанных с внедрением новых технологических операций и устранения брака при отладке управляющих программ. Однако не все требования могут быть реализованы с помощью СЧПУ автономно установленных на используемых в производстве станках, а требуют интеграции с системами автоматизированного проектирования и системами подготовки технологического процесса производства изделий, т.е.
с CAD-CAM системами предприятия. Всё это сказывается на себестоимости обработки деталей и требует новой инновационной идеи, содержащей креативный смысл, т.е. концепта, позволяющего разорвать замкнутый круг, приводящий к увеличению стоимости обработки.
В настоящей работе предлагается концепт, базирующийся на том представлении, что все СЧПУ работают в интегрированной среде и, при наличии минимально необходимого набора компонентов (функций), дополнительные функции, требующиеся для решения конкретной технологической задачи, могут быть получены из этой среды, на основе клиент-серверной системы, что позволяет эффективно обрабатывать детали любой сложности.
Цель работы.
Целью работы является создание возможностей обработки деталей сложной конфигурации и снижения стоимости их обработки, за счет использования недорогих, малокомпонентных СЧПУ, интегрированных в клиент-серверную систему.
Задачи исследования. В работе были поставлены и решены следующие задачи:
исследовать существующие методы расширения технологических возможностей СЧПУ и существующие методы проектирования и реализации интегрированных систем.
проанализировать наборы задач, возникающих перед системами CЧПУ при многокоординатной обработке.
сформировать метод определения минимального набора компонентов системы, для существующих многокоординатных станков.
на основе анализа задач СЧПУ и сформированного набора компонентов, спроектировать базовый каркас интегрированной системы и механизмы взаимодействия компонентов системы, классифицировать компоненты системы.
разработать методику интеграции внешних программных компонентов, и существующих компонентов СЧПУ.
разработать интегрированную систему, решив задачи реализации, конфигурирования, развертывания и распределенного взаимодействия компонентов.
Методы исследования. В работе использовались технология машиностроения, автоматизации технологических процессов и производств, теория автоматического управления, технологии.Net, ActiveX, OPC, DDE, концепция и метод объектно-ориентированного программирования, MES, DCA.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в создании концепта адаптации технологических возможностей СЧПУ к условиям обработки в интегрированной CAD/CAM клиент-серверной системе на основе инкапсуляции их функций и реализации конфигурирования, развертывания и распределенного взаимодействия необходимых компонентов.
Практическая ценность работы заключается в возможности реализации любых условий многокоординатной обработки, при использовании СЧПУ с минимизированным набором базовых компонентов, в условиях интегрированной клиентЦсерверной системы, на основе предложенного концепт продукта адаптации технологических возможностей СЧПУ.
Апробация работы. Теоретические и практические результаты полученные автором докладывались на заседании кафедры Технологическая информатика и технология машиностроения, а также на международной научно-практической конференции Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении, Москва 2010 г, Всероссийской научно-практической конференции Наукоемкие технологии в машиностроении Ишимбай 2011 г., 3. межвузовской интернетконференции Мехатроника, робототехника, автоматизация Москва 2009 г и конференции молодых ученых МГУПИ Москва 2010 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, выводов по диссертационной работе, приложения, списка использованной литературы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, отмечена её научная новизна и практическая ценность.
В первом разделе проведен анализ существующих решений расширения технологических, возможностей СЧПУ, что связано с тем, что современное машиностроение сталкивается с проблемой обработки всё более сложных по конфигурации и точности деталей. Для реализации этих задач требуются системы числового программного управления, обладающие большим набором необходимых функций, что значительно удорожает их стоимость и стоимость внедрения этих функций. Большую роль на этапе внедрения играет способность CAD/CAM системы часть функции СЧПУ с помощью специального интерфейса, не требуя от программистов - технологов и операторов станков углубленных знаний расширенных функций СЧПУ.
Одним из способов решения проблемы расширения технологических возможностей при возрастающей сложности изготавливаемых деталей является использование СЧПУ воспринимающей стандарт STEP-NC[6].
Такая СЧПУ является полномасштабным вариантом STEP-NC-CNC и, реализуя цепочку CAD-CAM-CNC, выполненную на основе модели ISO 14649, обеспечивает полную автоматизацию цикла от наладки до измерения.
Управляющие программы ISO 14649 содержат самые разнообразные данные.
Используя их, СЧПУ способна генерировать траектории инструмента соответственно текущей цеховой ситуации, а также самостоятельно составлять планы операции и адекватно реагировать на непредвиденные события, при этом введение новых функций СЧПУ происходит прозрачно для программистов-технологов скрывая особенности реализации в самой СЧПУ. Однако основным недостатком STEP-NC-CNC в условиях современного производства является очень большая стоимость внедрения, что заметно осложняет использование этой системы. Ввиду необходимости модернизации и замены всех используемых СЧПУ, на данный момент STEPNC не может быть использована для расширения технологических возможностей СЧПУ.
Второй раздел посвящён анализу и формализация процесса технологической подготовки производства. Особенно остро проблема расширения технологических возможностей СЧПУ проявляется в свете предъявляемых к эффективности производства требований, основными из которых являются (Рис. 1): тенденция к сокращению трудоемкости, снижению периодов между модернизацией или заменой станочного оборудования, снижению простоев связанных с внедрением новых технологических операций и устранения брака при отладке управляющих программ.
Рисунок 1 - Сопоставление характеристик реального производства возможностям предлагаемого решения Однако не все требования могут быть реализованы с помощью СЧПУ автономно установленных на используемых в производстве станках, а требуют интеграции с системами автоматизированного проектирования и системами подготовки технологического процесса производства изделий, т.е.
с CAD-CAM системами предприятия.
Для того чтобы выяснить какие задачи являются расширяемыми и как может быть организована подготовка СЧПУ-операций, проведен анализ структуры и связей процесса подготовки СЧПУ-операций (рис 2).
Рисунок 2 - подготовка СЧПУ операций Для автоматизированной работы данной модели требуется единая система, интегрирующая внешнее ПО используемое на всех этапах, для обеспечения задекларированных входных и выходных данных каждого участника модели и исключения ошибок при работе с ними. Должно обеспечиваться централизованное хранилище всех данных, с возможностью доступа к ним с любого терминала, например, рабочая станция технологапрограммиста или дополнительный СЧПУ терминал. При этом обеспечивается синхронизация, необходимая например для исключения ошибок запуска старых СЧПУ программ при изменённой технологии и, соответственно, схемы базирования. Данные проблемы можно попытаться решить правильной организацией файловой структуры программ в СЧПУ и общего файлового хранилища, но это наложит серьезные ограничения на гибкость и функциональность программирования СЧПУ станков, а при отсутствии у сотрудников жестко регламентированного алгоритма работы с общим файловым хранилищем приведет к полной потере файловой структуры и рассинхронизации данных. Так же можно отметить невозможность восстановления предыдущих изменений и состояния системы в целом на определенный момент времени, что, например, может потребоваться для обработки старой модели детали при уже внесенных изменениях. Описанные требования ведут к необходимости использования системы централизованного контроля версий (SVN), на которую будет накладываться работа со всеми файловыми структурами, обеспечение версионности (история изменений), контроль целостности хранилища, обеспечение авторизации и прав доступа. При этом система контроля версий нуждается в более высокоуровневой системе управления проектами (Redmine, Лоцман). Была рассмотрена возможность использования Redmine который принципиально имеет много общего с Лоцман, в качестве системы управления проектами с необходимыми доработками и дополнительными модулями для поддержки документооборота (рис. 3). С рассматриваемыми проблемами тесно взаимодействуют автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), например УВертикальФ, ФЛоцманФ (система управления жизненным циклом изделия), УТемпФ, системы моделирования процесса обработки (Vericut) и всего технологического процесса в целом. Для эффективной подготовки производства требуется интеграция данных систем, для максимального исключения неавтоматизированных процессов.
Рисунок 3 - Иерархия и хранилище проектов в Redmine Система управления проектами решает лишь часть задач и является отдельным модулем более сложной системы. Задача интеграции решается при помощи сервера, на который должна накладываться работа по управлению всеми модулями более низкого уровня, системой контроля версий(она же файловое хранилище), управление БД хранящей информацию о проектах, которая используется как системой управления проектами так и остальными модулями для хранения и предоставления не файловых данных не требующих версионности.
С учетом проведенного выше анализа процесса подготовки производства формируется спектр объектов и функций присутствующих в предметной области (Рис. 4).
В этой области можно отметить 4 основных объекта и функции каждого объекта которые могут отсутствовать или присутствовать:
Измерительные системы:
o Обмер детали (интеграция с подсистемой объемной коррекции программ);
o Обмер инструмента (интеграция с БД инструмента);
o Самодиагностика отклонений многокоординатного станка (интеграция с кинематическими моделями станков);
o Диагностика системы измерения (интеграция с коррекцией программ);
CAD/CAM системы:
o Генерация траектории;
o Контроль зарезов и столкновений;
o Моделирование процесса обработки или всего технологического процесса;
o Интеграция с БД инструмента;
Системы СЧПУ:
o Интерполяция перемещений (G01 является базовой функцией присутствие которой обязательно);
o Управление траекторией (TRAORI трансформация ориентации, коррекции, сглаживания, сплайны);
o Высокоуровневое программирование (расширенные функции СЧПУ, интерфейсные функции);
o Автоматизированная смена инструмента (интеграция с CAM);
АСТПП:
o Технологическая задача;
o Задача технологического программирования;
o Задача системного программирования;
o Верификация (моделирование процесса обработки для обнаружения зарезов или столкновений);
Следует отметить, что данный набор использован лишь для определения базовых функций и интерфейсов и не является строго определенным.
Рисунок 4 - Объекты рассматриваемого производственного процесса Расширение функциональных возможностей СЧПУ при рассмотренной выше организации заключается в разработке модулей интегрированной системы и их регистрация (рисунок 2 - обеспечение технической возможности формирования УП). При этом интегрированная система должна иметь задекларированные методы расширения и управления такими модулями, систему администрирования, облегчающую развертывание ПО на определенных рабочих станциях.
Таким образом, расширение функций системы обеспечивается созданием существующих модулей и/или добавление новых. Проводя аналогию с организацией централизованного хранилища и системой управления проектами, можно заметить необходимость автоматизированной систематизации функций системы, управления существующими модулями и их целостностью, отладки модулей.
В основе предлагаемого решения лежит предположение о том, что любая система управления, являющаяся объектом расширения, содержит основные функции управления движением и дополнительные, с помощью которых можно сформировать более сложные контурные перемещения.
Например, одной из основных (имеющихся у всех систем СЧПУ) функций управления движением является линейная интерполяция G01, а при наличии также основной функции look-ahead(G652), функция круговой интерполяции(G2,G3) и команда на перемещение холостого хода Gстановятся не основными, так как могут быть реализованы посредством линейной интерполяции. Соответственно, все другие виды интерполяции (спиральная, сплайн, 3D интерполяция) в этом случае становятся не основными. Некоторые функции, априори, не являются основными, например такие, как вывод интерактивного диалогового окна (реализуемый в системе Sinumerik HMI-Advanced). Если СЧПУ не имеет функции look-ahead, то она в зависимости от сущности расширения либо вообще не может являться объектом функционального расширения, либо может быть расширяема лишь с определенными ограничениями.
В третьем разделе в соответствии с проведенным анализом технологического процесса проводится классификация функций СЧПУ и их разделение на основные (базовые) и неосновные (специальные). При таком подходе каждая СЧПУ приобретает определенное описание (Рис. 5). В описании содержится обозначение команды СЧПУ, ее внутренний идентификатор, используемый для связи с различными реализациями этой функции для разных СЧПУ. Реализация команды может иметь вид параметризированного CLSF-кода (независящего от оборудования формата траектории движения инструмента станка), который обрабатывается и добавляется вместо команды, или же в виде dll-библиотеки (как, например, в СЧПУ Power Automation).
Рисунок 5 - Классификация функций СЧПУ как базовых и вспомогательных Для решения задачи разработки интегрированной системы был использован принцип построения матрицы компонентов. Столбцы матрицы определяют многообразие задач интегрированной системы, а строки компонентную реализацию данной задачи.
Были выделены следующие компоненты интегрированной системы:
Среда выполнения Хранение и предоставление данных Реестр функций Пользовательский интерфейс Взаимодействие с hard Управление подсистемами Далее в матрице компонентов (или подсистемы и реализованные контроллеры) было произведено распределение уже имеющихся компонентов и реализованных компонентов по пользовательским задачам (или подсистемам). Откуда был выделен список разрабатываемых компонентов. Результаты произведенной структуризации задач представлены на рис. 6.
Рисунок 6 - Диаграмма матрицы компонентов На основе матрицы компонентов и требованиям к расширяемости системы был составлен список предоставляемых сервером интерфейсов (рисунок 7).
Рисунок 7 - Представляемые сервером интерфейсные функции и их назначение Реализация данных интерфейсов является основной частью интегрированной системы обеспечивающей эффективное расширение возможностей СЧПУ путём добавления новых компонентов и исключающей повторение уже существующих функций.
Решение задачи в соответствии с представленным концептом осуществляется на основе системы представленной на рис. 8 в следующей последовательности. Сначала происходит заполнение БД функционала базовыми и специальными функциями. Затем описание и реализация функций попадает к менеджеру расширений, который определяет необходимость применения стандартных или расширенных функций для данной операции на основе предоставленной ему информации о типе СЧПУ.
Рисунок 8 - Архитектурная реализация системы расширения технологических возможностей Все запросы и действия системы выполняются через сервер процессов, координирующий работу сервис-процессов (CLSFParser, CLSFFormatter, CLSFProcessor), занимающихся синтаксическим разбором CLSF-кода, формированием траектории инструмента в форме понятной СЧПУ.
Поддержка API-программирования (программного инструмента позволяющего другим программным продуктам использовать функции и содержание данной программы) современных CAD/CAM систем обеспечивается сервис-процессом CAD/CAM connector, реализующим высокоуровневый интерфейс с системой подготовки производства.
Отдельным сервисом является терминал, реализуемый как аппаратно (SatteliteCNC - дополнительный СЧПУ терминал) так и программно (интерфейсные формы СЧПУ).
В четвертом разделе. Задача адаптации технологических возможностей СЧПУ реализуется на основе разработанного концепт-продукта включающего:
Process server - серверный модуль интегрированной системы Project manager - система управления проектами (Рис. 9, 10) CNCBrowser - графический интерфейс оператора (Рис. 13) CNCConnector Цмодуль абстракции взаимодействия с СЧПУ DCAService - модуль сбора данных о состоянии станка CADCAMConnector - модуль интеграции CAD/CAM системы Repository manager - система контроля версий System manager - модуль развертывания системного ПО CLSFProcessor - процессор управляющих программ CLSFParser - модуль преобразования управляющих программ CAM системы в унифицированный формат CLSFFormatter - выполняет преобразование программ в конкретный СЧПУ формат Последовательность запросов при вызове регенерации программы изображена на рис. 11. Запрос на регенерацию программы технологической обработки попадает на сервер процессов из менеджера публикаций или из терминала, в зависимости от способа реализации. Затем запрос обрабатывается и поступает на один из интерфейсов CAD/CAM системы для получения CLSF-кода запрошенной операции. Далее CLSF-код передается на сервис-процесс CLSFParser для лексического разбора кода, который в уже универсальном формате попадает на сервис-процесс CLSFProcessor. На данном этапе принимается решение об используемом типе CLSF-процессора в зависимости от типа станка и его кинематической настройки.
Обработанный и преобразованный во внутреннее представление СЧПУ код возвращается на сервер и передается терминалу, который принимает решение о его дальнейшей передаче СЧПУ. Все приведенные выше модули разработаны автором и имеются в приложении к диссертации.
Рисунок 9 - Интерфейс project manager Рисунок 10 - интерфейс CNCMachCreator Рисунок 11 - Диаграмма последовательности запроса программы Рассматривается практическое использование предложенного концептпродукта системы адаптации технологических возможностей СЧПУ. Для реализации данной задачи был разработан аппаратный терминал (SatteliteCNC) на основе персонального компьютера имеющего связь с СЧПУ по одному каналу, а по другому - связь с сервером процессов (Рис. 12), что предоставляет дополнительные возможности по наладке и корректировке технологического процесса. Взаимодействие с технологических процессом реализуется с помощью графического интерфейса (менеджера публикаций) (Рис. 13), и который представляет информацию о программах технологической обработки, сами программы с возможностью перегенерации и корректировки инструмента, информацию об инструменте, базировании детали, технологическом процессе, внешнем виде станка и детали, заготовок и приспособлений.
Рисунок 12 - Общий вид HMI СЧПУ вместе с SatteliteCNC Рисунок 13Ц Менеджер публикаций (слева - базирование детали, справа - генерация программ обработки) Информация, передаваемая от сервера на терминал, не ограничивается только программами технологической обработки. Вся информация инкапсулируется в специальный пакет управляющей системы (ПУС), содержащий всю необходимую информацию и средства для сопровождения технологического процесса. Работа и выполнение ПУС осуществляется через HMI2 - программное ядро терминала.
Структура HMI2 представлена на рис. 14. Технологическая информация и 3D-модель детали или заготовки поступают в модуль визуализации текстовой или графической информации для отображения на экране терминала по запросу оператора. ПУС через модуль взаимодействия с СЧПУ поступает в саму стойку.
Рисунок 14 - Структура ПУС (пакета управляющей системы) и его инфраструктуры Всё интерфейсное взаимодействие происходит через MonitorSystem.
Специфические интерактивные возможности СЧПУ реализуются через механизм системного окружения и набора модулей Solution. Системное окружение при этом является платформонезависимой средой хранения промежуточных результатов. Solution представляет собой небольшой сервис обладающий доступом к определенным клиентским функциям необходимым для выполнения вспомогательных действий взаимодействующих с другими Solution с помощью системного окружения.
Предложенная клиент-серверная система со стойкой SatteliteCNC используется на Савёловском машиностроительном заводе для обработки крупногабаритных (до 8м), высокоточных деталей класса лонжерон и была разработана по инициативе завода, поскольку до её внедрения их обработка не представлялась возможной.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен анализ связей архитектуры автоматизированной системы подготовки управляющих программ и выявлен круг задач решаемых СЧПУ, реализация которых возможна при наличии соответствующих модулей расширения.
2. Построена матрица компонентов (функций) систем ЧПУ на основе которой составлен набор интерфейсов.
3. Предложен концепт адаптации технологических возможностей СЧПУ задачи обработки деталей любой сложности на основе интегрированной клиент-серверной системы сопряженной с CAD/CAM.
4. Разработаны ядро и модули программного обеспечения (с полным комплектом документации) и дополнительный терминал СЧПУ интегрированный в систему (концепт - продукт).
5. Программное обеспечение концепт-продукта включает в себя:
сервер процессов, модули расширений, терминал оператора.
6. Проведена апробация предложенного концепт-продукта при обработке крупногабаритных деталей сложной конфигурации, которые нельзя было до этого обработать.
7. По результатам апробации предложенный концепт-продукт внедрен на Савеловском машиностроительном заводе и используется для обработки деталей сложной конфигурации.
8. Результаты работы использовались в курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 220301 при составлении управляющих программ для станков с ЧПУ при обработке деталей сложной конфигрурации.
СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Репкин А.Н., Зазвонных А.В. Повышение точности обработки на станках с мультипроцессорными ЧПУ за счет адаптации к произвольным возмущениям // Труды международной научно-практической конференции Фундаментальные проблемы современные технологии в машиностроении.
Москва 2010.- С. 150-151.
2. Зазвонных А.В. Обеспечение заданных технологических возможностей системам ЧПУ на стадии технологического проектирования. Вестник молодых учёных МГУПИ: Сборник научных трудов. М.: МГУПИ, 2010.
3. Аршанский М.М., Ганюшин Р.С., Зазвонных А.В. Расширение технологических возможностей ЧПУ на основе интегрированной клиентсерверной системы. Вестник молодых учёных МГУПИ: Сборник научных трудов. М.: МГУПИ, 2011.
4. Аршанский М.М., Ганюшин Р.С., Зазвонных А.В. Расширение технологических возможностей ЧПУ на основе интегрированной клиентсерверной системы. Мехатроника автоматизация и управление. Выпуск № 12, 2011.
5. Зазвонных А.В. Рсширение технологических возможностей ЧПУ на основе интегрированной клиент-серверной системы // Труды Всероссийской научнопрактической конференции Наукоемкие технологии в машиностроении.
Ишимбай 2011. - С. 52-53.
6. Аршанский М.М., Ганюшин Р.С., Зазвонных А.В. Расширение технологических возможностей ЧПУ на основе интегрированной клиентсерверной системы. Мехатроника. Робототехника. Автоматизация: Сборник научных трудов IV Всероссийской научно-технической Интернетконференции (Москва, май-сентябрь 2011 г.) Выпуск №5. М.: МГУПИ, 2011.
120 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям