Общая характеристика фрезерного станка

1.Общая характеристика  фрезерного станка.

Фрезерный станок предназначен для механической обработки  деталей из различных конструктивных материалов:

- Пластик;

- Дерево;

- Цветные  металлы:

- Композитные  панели;

- ПВХ;

- Акриловое  стекло;

- МДФ;

- Искусственный камень (меломин).

Используется  в единичном или мелкосерийном  производстве.

Станок обладает следующими основными техническими характеристиками, табл. 1.

1.2. Обоснование  требований к системе ЧПУ.

       Система ЧПУ станка должна  обеспечить выполнение контурного (позиционного) управления электроприводами по координатам. Одновременно система должна обеспечивать выполнение решения геометрической, технической, логической и терминологической программы управления станком, при поддержании показателей технологической точности в соответствии с параметрами табл. 1.

Решение логической задачи управления должно осуществляться по закону управления. Система должна иметь возможность открытого диалога с оператором, связь с ЭВМ верхнего уровня управления и каналы связи для включения в децентрализованную систему управления автоматикой цеха.

  С учётом  этих общих требований предлагается разработать систему ЧПУ фрезерного станка с подробной разработкой блока контроля усилия резания.

Общая структурная  схема ЧПУ представлена на рис.1. включающем следующие основные блоки:

БП – блок питания. Обеспечивает питание необходимым  постоянным напряжением и  током всех блоков системы ЧПУ от обычной сети. Особенностью этого блока является наличие стабилизаторов напряжения и фильтров, защищающих электронные схемы от помех в промышленных силовых сетях.

ЦП – центральный  процессор, выполняющий математические и логические операции при выполнении команд и согласующий работу отдельных элементов электроники и автоматики в системе;

ОЗУ – оперативное  запоминающие устройство, выполняющее  хранение временных данных при отработке программы или обращении процессора к элементам системы;

ПЗУ – постоянное запоминающие устройство, которое используется для хранения констант, команд и  адресов команд и устройств системы;

ИСМ – интерфейсный блок, необходимый для сопряжения станочной магистрали СМ с каналом  общей шины ОШ;

Пульт оператора  – клавиатура, поделенная на функциональные зоны:

– зона выбора работы системы в автоматическом, ручном, кадровом, однократном, «толчковом», циклическом и имитационном режимах;

  – зона с функциональными кнопками, используемая для ввода данных об обрабатываемой детали, вносящая изменения в работу программы, системы,

станка;

 – зона  с функциональными кнопками, осуществляющими  защиту от несанкционированного доступа к главным элементам управления системы;

 – зона  остановки/прерывания работы системы, осуществляющая прерывание работы отдельных узлов станка и его в целом при различных режимах работы;

Дисплей –  устройство, отображающее текущее состояние  системы, ее параметры, и позволяющее  отслеживать процессы работы системы  и управление станком;

ФСУ – фотосчитывающее  устройство. Предназначено для считывания информации с внешних носителей перфокарт или перфолент;

Внешняя память реализуется за счет USB – порта, к которому подключается flash – накопитель. С последнего производится запуск программного обеспечения для системы, а также считывание установок и координат нулевой и начальной точек для данного станка;

ЭВМ ВУ – специальный  вход к каналу системы ЧПУ для  подключения машин ЭВМ верхних  уровней управления;

Принтер –  печатающее устройство;

Блок входных сигналов электроавтоматики станка – прием различных по току и напряжению электрических сигналов от электрооборудования и автоматики станка и преобразование сигналов в сигналы соответствующие по напряжению, току и системе кодирования в стандарте канала ОШ. Данный блок был задан в качестве подробно разрабатываемого блока.

Блок выходных сигналов электроавтоматики станка -  предназначен для передачи управляющих  сигналов от ЦП к периферийным устройствам станка: привод защитного кожуха, включение и отключение освещения рабочей зоны, подача охлаждающей жидкости на обрабатываемую деталь; передает сигналы от электроавтоматики станка.

БСДОС – блок связи с датчиками обратных связей приводов станка, должны преобразовывать  полученные сигналы (аналоговые или  цифровые) в сигналы, понятные системе управления и обеспечивать процесс считывания этих сигналов со скоростью необходимой для качественного процесса регулирования и достижения требуемой точности.

Блок управления приводом (БУП) предназначен для связи  системы ЧПУ с силовой частью электропривода станка, выходными сигналами которого являются управляющие сигналы, следующие к электроавтоматике станка. БУП в своей структуре содержит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразующий цифровой управляющий сигнал в аналоговый;

АЦП – блок связи с аналоговыми датчиками. Предназначен для преобразования сигнала, поступающего от датчиков в систему ЧПУ, в цифровой код.

Рис.1. Общая структурная схема системы управления.

1.3. Программируемые  параметры. 

Программная привязка системы ЧПУ к параметрам станка позволяет производить наладку, эксплуатацию и модификацию станка с гибким изменением некоторых его параметров для оптимальной работы. Предлагаемые параметры гибкой привязки системы приведены в табл.2.1

Остальные параметры  задаются аппаратно.

3. Разработка блока контроля виброколебаний

3.1 Разработка функциональной схемы

Анализ конструкции  станка и предварительных требований к системе управления показывает, что разрабатываемый блок будет определяться в системе как пассивный источник информации. В соответствии с этим функциональная схема блока будет иметь вид, показанный на рис.2.

Условные  обозначения: ОШ – общая шина; ШПД – шина прямого доступа;

ШПР – шина прерываний; ШУ – шина управления; ШАД – шина адреса и данных; СИА – сигнал синхронизации активного устройства;

ВУ – сигнал  обращения к внешнему устройству; СИП – сигнал синхронизации пассивного устройства; ЧТ – сигнал чтения; ЗП – сигнал записи в регистр источник; ВВОД – сигнал, вырабатываемый активным устройством, обозначает, что устройство производит выборку данных через канал из внешнего устройства.

Адрес блока  выставляется центральным процессором (ЦП) на ШАД в сопровождении сигнала  КСИАВ и расшифровывается дешифратором адреса (ДА). По сигналу КВУВ адрес  фиксируется в триггере (Т) формированием 1 на выходе ДА. Далее ЦП выставляет сигнал КВВОДВ на ШУ. При совпадении этого сигнала с 1 на выходе триггера Т активируется функциональный преобразователь (по сигналу ЧТ), который записывает в регистр источник данные.

Сигнал ЧТ на короткое время открывает вентиль, через который данные поступают на ШАД.

С необходимой  для окончания переходных процессов  задержкой времени на элементе Д формируется сигнал КСИПВ, информирующий ЦП об окончании чтения.

ЦП принимает  данные, снимает сигнал КВВОДВ, затем  КСИАВ, триггер сбрасывается, ЧТ снимается, вентиль закрывается.

3.2 Разработка упрощенной структурной схемы

            Структурную схему блока  связи  с пьезоэлектрическими датчиками  составим на основании приведенной в предыдущем пункте функциональной схемы. При этом такие устройства как дешифратор адреса (ДА), триггер (Т), схема реализующая функцию «логическое И» (&) (см.рис. 2) объединим в общий блок, называемый схемой адресации. Регистр (РП),  вентиль (В) и  функциональный преобразователь (ФП) будут определены отдельными блоками.

Деформация  станины станка является пространственным изменением геометрических параметров в декартовой системе координат. Для того чтобы осуществить измерение деформации устанавливаем 3 датчика по осям X,Y,Z.  Результирующий сигнал поступающий от датчиков получаем путем векторного сложения. Далее обработанный сигнал должен поступить в центральный процессор. По этому достаточно осуществить мультиплексирование аналоговых сигналов, аналого-цифровое преобразование  и промежуточное хранение информации в данном блоке. В связи с выше изложенным структурная схема содержит следующие блоки.

- Датчик Х; датчик  Y; датчик Z

- АЦП (аналого-цифровой  преобразователь) со встроенным  мультиплексором;

- РИ регистр

- БУМП блок управления  мультиплексором

- АДР схема адресации

Тогда общая  структурная схема будет иметь вид, показанный на рис. 3

Рис.3.2  упрощенная структурная схема

3.3 Разработка электрической принципиальной схемы

3.3.1 Описание и принцип  работы датчика 

Измерительный преобразователь механического усилия в электрический сигнал; его действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта. Один из вариантов конструкции П. д. давления показан на рис. Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пластин пьезоэлектрика возникают электрические заряды, причём суммарная эдс (между выводом и корпусом) изменяется пропорционально давлению. П. д. целесообразно применять при измерении быстроменяющегося давления; если давление меняется медленно, то возрастает погрешность преобразования из-за «стекания» электрического заряда с пластин на корпус. Включением дополнительного конденсатора параллельно П. д. можно уменьшить погрешность измерения, однако при этом уменьшается напряжение на выводах датчика. Основные достоинства П. д. — их высокие динамические характеристики и способность воспринимать колебания давления с частотой от десятков гц до десятков Мгц. Применяются при тензометрических измерениях, в весовых и сортировочных (по весу) устройствах, при измерениях вибраций и деформаций и т.д.         

Рисунок 3.3. Схема устройства пьезоэлектрического датчика давления: p— измеряемое давление; 1 — пьезопластины; 2 — гайка из диэлектрика; 3 — электрический вывод; 4 — корпус (служащий вторым выводом); 5— изолятор; 6 — металлический электрод.

3.3.2 Описание работы принципиальной схемы в статике.

Микросхема DD1 представляет собой АЦП (и входной модуль со встроенным мультплексором), реализуемое на микросхеме К572ПВ4.

Микросхема  К572ПВ4 представляет собой многоканальный аналого-цифровой преобразователь, в состав которой входят: аналоговый мультиплексор (коммутатор), выполняющий последовательное переключение восьми аналоговых каналов; АЦП; статическое ОЗУ емкостью бит для хранения результатов преобразования по каждому из каналов; буферные схемы, обеспечивающие согласование с 8-разрядной шиной данных микропроцессорной системы; схема последовательного управления каналами коммутатора, фиксации адреса, записи в ОЗУ по сигналу WR и считывания по сигналу RD. Микросхема работает в однополярном и двуполярном режимах. Режим устанавливается подбором опорных напряжений: при В, , В; при , В, В.

Рисунок 1. Аналого-цифровой преобразователь К572ПВ4.

В случае двуполярного режима старший разряд становится знаковым. Частота следования входных тактовых импульсов 2,5 MГц обеспечивает время преобразования не более 32 мкс на канал. На рис. приведены временные диаграммы работы микросхемы, где нс; нс; нс; тактов, тактов.

Выбор каналов  коммутатора осуществляется по выводам  АО–А2 (17-19), при этом Значению 0 (000) соответствует выбор первого канала, а значению 7 (111) – выбор восьмого канала. Одновременно с выбором канала устанавливается адрес ячейки ОЗУ, куда будет поступать информация кодирования в двоичном коде. При считывании данных ОЗУ на шину системы на вход CS подается низкий логический уровень. Нумерация и назначение выводов микросхемы КР572ПВ4:

1 – выход мультиплексора  ВО;

2–9 – выходы мультиплексора 0(AIN7)–7(AIN0);

10 – опорное напряжение U _REF 1; опорное напряжение U _REF 2;

12 – выбор канала  и начала преобразвания STAT;

13 – вход управления  считывания данных ОЗУ CS;

14 – общий вывод 0;

15 – вход тактовых  импульсов CLK;

16 – вход управления  при обращении к ОЗУ ALE;

17 – 19 – адресные  входы А0–А2;

20 – цифровой вход  8(СР) (ОВ7);

21–26 – цифровые выходы 7(ОВ6)–2(ОВ1);

27 – цифровой выход1(МР) (ОВ0);

28 – напряжение источника  питания U_CC.

Электрические параметры микросхемы К572ПВ4: В, В, В, В, мА, мкс.

Питание микросхемы DD1 осуществляется от общего статического источника через контакты 22,23 разъема XS4.

В качестве разъема  принят прямой трехрядный разъем DIN 41.612, типа F (рис. 2).

Рисунок 2. Прямой разъем DIN 41.612 тип F.

Контакты  типа «мама», общим количеством 32, расположены  в два ряда . Разъем расчитан на номинальный ток 5,5 А/контакт ( ).

Для выбора управления к входам 1,2 DD1 подключают БУМП на микросхеме DD4, которая представляет собой счетчик, реализуемый на микросхеме К155ИЕ5.

 Микросхема  К155ИЕ5 является четырехразрядным  асинхронным счетчиком. Цоколевка и условное обозначение приведены на рис 3. Счетчик состоит из четырех JK-триггеров, образующих два независимых делителя на 2 и на 8. Счетчик имеет два входа R, объединенных по И-НЕ, для синхронного сброса (обнуления), выводы 2 и 3. Тактовые входы всех триггеров инверсные динамические, поэтому переключение триггеров будет происходить спадом импульса.

Рисунок 3. Четырехразрядный асинхронный счетчик К155ИЕ5.

Назначение вводов и  выводов микросхемы К155ИЕ5.

1 - вход счетный С2;

2 - вход установки 0 R0(1);

3 - вход установки 0 R0(2);

4,6,7,13 - свободные; 

5 - напряжение питания  +U_п;

8 - выход Q3;

9 - выход Q2;

10 - общий; 

11 - выход Q4;

12 - выход Q1;

14 - вход счетный C1.

Чтобы получить делитель на 16, необходимо внешней перемычкой соединить делители на 2 и 8, замкнув выводы микросхемы 12 и 1. Входную последовательность импульсов необходимо подать на тактовый вход первого триггера (вывод 14). При этом происходит одновременное деление на 2, 4, 8 и 16 по выводам 12, 9, 8, 11, как показано в табл 1. состояний счетчика.

Таблица 1. Таблица  состояний счетчика К155ИЕ5.

При использовании  ИЕ5 как трехразрядного двоичного  счетчика   (деление  на  2,  4, 8)   входную последовательность необходимо подать на тактовый вход второго триггера (вывод 1) и выводы 12 и 1 не соединять. С выходов (выводы 9, 8, 11) получим соответственно деление на 2, 4, 8. Первый триггер можно использовать как двоичный элемент для деления на 2 (вход , вывод 14, а выход QO, вывод 12) Последовательность счета для ИЕ5 дана в табл. 2.

Таблица 2. Последовательность счета К155ИЕ5.

Основные  электрические параметры микросхемы К155ИЕ5:

 В,  В, В, мА, мА, мА, мА, мА, нс, нс.

Выходы АЦП подключаются к DD2, которая является регистром-источником выполненым на микросхеме К555ИР22, и к DD5, выполненную на микросхемах К155ЛЛ1, которая служит для построения сигнала «Готовность» АЦП.

Микросхема  К555ИР22 — это восьмиразрядный  регистр на D-триггерах. ИР22 построен на D-триггерах с потенциальным С-входом. Логическая структура, цоколевка и условное обозначение регистров приведены на рис. Регистр снабжен выходными буферными усилителями, имеющими третье z-состояние, которое можно установить с помощью вывода разрешения если подать на него напряжение высокого уровня. Выходные буферные усилители обладают высокой нагрузочной способностью.

Входная часть  регистров — это восемь D-триггеров со входами разрешения параллельной записи (для ИР23 — вход С). Если на входе действует высокий уровень напряжения, то данные от входов D0...D7 отображаются на выходах Q0...Q7.

Если на вход подать напряжение низкого уровня, разрешается  запись  в триггеры нового восьмиразрядного  кода.

Буферный  вход имеет гистерезис ±400 мВ, что повышает помехоустойчивость при переключении.

Рисунок 4. Условное графическое обозначение микросхемы К555ИР22.

Состояния регистра приведены в табл 3.

Таблица 3. Таблица  состояния регистра К555ИР22.

Основные  параметры регистра-источника, типа К555ИР22: В, В, мА, мА, мА, нс, нс.

Микросхема  К155ЛЛ1 содержит четыре двухдиодовых элемента ИЛИ.

Рисунок 5. Условное графическое обозначение микросхемы типа К155ЛЛ1.

Основные  параметры логических элементов  ЛЛ, типа К155ЛЛ1: В, В, мА, мА, мА, мА, нс, нс, мА.

Выходы DD2 через инверсию, реализованную на микросхеме DD3, подключают к каналу ШД1-ШД8. В качестве инверсии задействуем логический элемент ИЛИ-НЕ микросхемы типа К155ЛЕ5.

Микросхемы  типа ЛЕ выполняют логическую функцию mИЛИ-НЕ, где m  — число входов.

Каждый из корпусов ИС типа ЛЕ содержит от двух до четырех логических элементов. Условные графические обозначения микросхемы ЛЕ дано на рис. 6.

Рисунок 6. Условное графическое обозначение микросхемы типа К155ЛЕ5.

Основные  параметры логических элементов  ЛЕ, типа К155ЛЕ5: В, В, мА, мА, мА, мА, нс, нс, мА.

Микросхемы DD6-DD7-DD8 выполняют функцию дешифратора адреса и управления мультиплексором микросхемы DD1.

Микросхема DD6 представляет собой дешифратор адреса микросхемы К155ИД6.

Микросхема  К155ИД6 — двоично-десятичный шифраторы, преобразующий двоичный код, поступающий на входы АО...A3, в сигнал низкого уровня, появляющийся на десятичном выходе . Состояния дешифратора приведены в табл. 4. Если десятичный эквивалент входного кода превышает 9, то на всех выходах появятся напряжения высокого уровня. Эти микросхемы могут дешифровать числа 0...8, тогда вход A3 можно использовать как разрешающий с низким активным уровнем, подавая поток данных, если дешифраторы работают, в режиме демультиплексоров с 1 на 8.

Таблица 4. Таблица  состояния дешифратора К155ИД6.