Концепция
построения базового ядра систем числового программного управления
мехатронными
системами
Л.И.
Мартинова,
доц., ст.н.с., к.т.н., liliya-martinova@yandex.ru,
Г.М. Мартинов,
проф., д.т.н., book@ncsystems.ru,
МГТУ
«Станкин», г. Москва
Работа выполнена по Госконтракту №
П858 от 25 мая 2010 на проведение НИР в
рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России" на 2009-2013 гг.
Раскрыта специфика построения компьютерной системы
управления робототехническим комплексом и системы ЧПУ на базе общего программно
реализованного ядра с открытой модульной архитектурой. Проиллюстрирована распределенная архитектура системы управления мехатронными системами.
The specifics of implementing
the construction of computer control systems for Robotics and CNC systems based
on common software implemented kernel with open modular architecture is
disclosed. Distributed architecture control of mechatronic systems is
illustrated
На протяжении 20 предыдущих
лет разные коллективы разработчиков МГТУ «Станкин» практически автономно вели
разработки систем управления для решения разного типа задач. В результате был
создан ряд внедренных на промышленных предприятиях разработок: системы
управления серии UCS (UCS-2, USC-M-2000 ) для промышленных роботов; контроллер
цифрового привода USCNet и серия интеллектуальных цифровых сервоприводов на его
основе; однокомпьютерная система ЧПУ WinPCNC для трех- и четырехкоординатных
станков; серия контроллеров электроавтоматики «Малыш»; программный контроллер
движения для станка лазерной графики ArtNC (рис. 1).
Эти разработки, начиная с
2000 года, стали объединяться в рамках общей концепции многофункциональной
отечественной системы ЧПУ.
Создание базового ядра для
многофункциональной системы ЧПУ потребовало систематизации предъявляемых к ЧПУ
требований в рамках модульной организации аппаратно-программного обеспечения системы
управления [1]. Заложенные платформонезависимость, инвариантность,
конфигурируемость, открытость и др. ключевые требования, должны обеспечить
портируемость программного кода ядра, свободную интеграцию существующих на
рынке программно-аппаратных решений, масштабируемость каналов управления и
адаптируемость базовой системы ЧПУ для различных типов технологического
оборудования [2].
рис. 1 Создание систем управления в МГТУ «Станкин»
На основе предъявляемых
требований была определена архитектура обобщенной системы управления, которая
включает терминальную часть, работающую в машинном времени (как правило, под
операционной системой семейства Windows), и ядро, функционирующее в реальном времени
(под операционной системой Linux RT, дополненной рядом оригинальных программных
модулей) (рис. 2).
По изложенной концепции в
2007-2009 годах в рамках важнейшего инновационного проекта государственного
значения «Разработка и освоение производства гаммы отечественных универсальных
технологических роботов для массовых автоматизированных производств гражданской
машиностроительной продукции» по заказу Министерства промышленности и торговли
Российской Федерации была реализована система управления технологическими
роботами [3].
рис. 2 Архитектурная модель обобщенной
многофункциональной системы ЧПУ
Специфичными являются: модуль
кинематических трансформаций, осуществляющий обратное преобразование координат;
пульт управления, подключаемый к компьютеру реального времени. Терминал реализует
в первую очередь функции перепрограммирования, диагностики и запуск в
эксплуатацию (рис. 3).
рис. 3 Архитектурная модель системы управления
промышленным роботом
рис. 4 Платформо-независимое ядро системы ЧПУ
Разработанной системой управления
оснащаются созданные совместно с ОАО «АВТОВАЗ» технологические роботы ТУР-15,
ТУР-30, ТУР-150 и ТУР-350. Робототехнические комплексы оптимизированы под
круглосуточную работу в автоматическом режиме с быстрой переналадкой на новый
тип продукции.
В 2010 году завершается
создание системы ЧПУ АксиОМА Ctrl для металлообрабатывающего оборудования с
функцией 5-координатной обработки (рис. 4).
Заложенное в систему свойство
инвариантности [4] позволяет
реализовывать комплектацию системы ЧПУ
для управления контроллерами приводов по промышленным сетям на базе интерфейсов
SERCOS (SErial Real-time COmmunication System), Step/Dir, CanBus или USCNet (протокол разработанный в МГТУ
«Станкин»), а для управления контроллерами электроавтоматики - по протоколам
RS-232 и RS-485. Реализован удаленный протокол на базе одноплатного компьютера,
подключенного по TCP/IP (рис. 5). С помощью него оператор может следить за
процессом обработки, используя
упрощенный интерфейс оператора.
Перед российской
промышленностью должна ставится задача не только обеспечения импортозамещения в
области систем ЧПУ – это краткосрочная задача, без решения которой Россия
утратить технологическую независимость своих стратегических машиностроительных
предприятий. В долгосрочной перспективе необходимо ориентироваться на создание
и освоение серийного производства конкурентоспособных систем ЧПУ мирового
уровня. Растущие рынки Китая и стран Юго-Восточной Азии уже сегодня открыты для
новых игроков, и здесь российские инновационные системы ЧПУ могут занять
достойные позиции в самое ближайшее время.
рис. 5 Распределённая архитектура
В будущем следует
ориентироваться не на выпуск разрозненных комплектующих, а на комплексную
поставку прикладных решений в области промышленной автоматизации и
высокотехнологичных производственных комплексов.
В заключение следует
отметить, что задача следующего этапа мероприятий по углублению импортозамещения
в области систем ЧПУ – постепенно обеспечить программную и аппаратную
компонентную базу отечественного производства.
Литература
1.
Мартинов Г.М.
Современные тенденции развития компьютерных систем управления технологического
оборудования // Вестник МГТУ "Станкин". 2010. №1. C. 74–79.
2.
Сосонкин В.Л.,
Мартинов Г.М. Системы числового программного управления: Учеб. пособие. – М.
Логос, 2005. – 296 с. ISBN 5-98704-012-4.
3.
Григорьев С.Н.,
Мартинов Г.М. Перспективы развития распределенных гетерогенных систем ЧПУ децентрализованными
производствами // Автоматизация в промышленности. 2010. №5. C. 4-8.
4.
Мартинов Г.М.,
Мартинова Л.И., Гpигорьев А.С. Специфика разработки программного обеспечения
для систем управления технологическим оборудованием в реальном времени //
Спецвыпуск T-Comm, июль