Multimikroprocesorový riadiaci systém MMPRS 1 na riadenie jednosuportového rotačného kovoobrábacieho stroja

V polovici 80. rokov sa už v Československu vyrábali NC riadiace systémy (RS) pre obrábacie stroje, no všetko to boli RS na báze pevnej logiky. Pokiaľ výrobcovia chceli vybaviť (hlavne pre potreby exportu) svoje obrábacie stroje CNC RS, museli ich nakupovať za devízové prostriedky zo zahraničia. Jeden slovenský výrobca rotačných kovoobrábacích strojov (ktorý už na export kompletizoval svoje stroje CNC RS zo zahraničia) sa preto obrátil na VÚVT Žilina s požiadavkou vyvinúť porovnateľný CNC RS jednak pre ich výrobok, jednak pre výrobok zo ZSSR, ktorý tento výrobca importoval do Československa.

VÚVT Žilina mal už v tom čase určité skúsenosti s CNC riadiacimi systémami. Pre magnetickú páskovú pamäť MPP45 – CM 5311 vyriešil mikropočítačom riadené ovládanie servopohonov riadiacich pohyb magnetickej pásky, ako aj celého mechanizmu. Magnetickú páskovú pamäť vyriešil a odovzdal do výroby výrobcovi k. p. ZPA Prešov. Tomuto zariadeniu, ktoré vystavoval už výrobca, bola na medzinárodnom strojárenskom veľtrhu v Brne v r. 1983 udelená Zlatá medaila.

Podobne pri valcovom kresliacom zariadení VZ 930 – CM 6411 vyriešil mikropočítačom riadené ovládanie servopohonov riadiacich pohyb papiera v jednej súradnici a pohyb vozíka s kresliacim perom v druhej súradnici, ako aj celého mechanizmu. Kresliace zariadenie VÚVT Žilina vyriešil a odovzdal do výroby výrobcovi k. p. ZPA Prešov.

VÚVT Žilina preto akceptoval požiadavku na vývoj CNC riadiaceho systému pre rotačné kovoobrábacie stroje a v r. 1985 začal s riešením riadiaceho systému porovnateľného s riadiacim systémom MELDAS fy Mitsubishi, ktorý slovenský výrobca používal na kompletizovanie svojho stroja TND 360-CNC predávaného v zahraničí pod označením TRAUB TX-8D.

Systémové riešenie RS MMPRS 1

Multiprocesorový riadiaci systém MMPRS-1 bol realizovaný na princípe distribúcie funkcií na jednotlivé mikroprocesory. Hlavný osembitový mikroprocesor CPU1 bol realizovaný na báze mikroprocesora U 880, vyrábaného v NDR (funkčný ekvivalent mikroprocesora Zilog Z80) a mal vlastnú statickú pamäť RAM 18 KB a EPROM 80 KB, ktorá bola umiestnená na samostatnej doske plošného spoja. CPU1 spolupracoval s týmto okolím riadiaceho systému:

  • s operátorským terminálom CPU4, ktorý bol realizovaný na báze osembitového mikroprocesora U 880,
  • so snímačom/dierovačom diernej pásky, typ CM 6204, pripojeným cez paralelné rozhranie IRPR 8 realizované obvodom typu 8255, alternatívne cez sériové rozhranie RS232C,
  • s dielenským dispečingom pripojeným cez sériové komunikačné linky typu CCITT V.24 (ekvivalent rozhrania RS232 C), prípadne cez rozhranie IRPS.

CPU1 uchovával výrobné partprogramy na spracovanie obrobku (partprogram – aplikačne vytvorený program v metakóde pre obrobok, prenášaný z diernej pásky alebo vytvorený a otestovaný priamo na stroji cez funkciu dry-run, teda suchý beh). Spracovaním partprogramu CPU1 zadával podriadeným procesorom príkazy z partprogramu a riadil spoluprácu s CPU2 a CPU3. CPU1 zabezpečoval spoluprácu pomocou zápisu a čítania údajov do/z pamätí CPU2 a CPU3 cez dual-port pamäť a pomocou paralelného prenosu cez DMA obvod I8257.

Podriadený CPU 2 procesor na riadenie servopohonov a polohovania suportu v osi x a z a otáčok a polohovania vretena bol reali­zovaný na báze 16-bitového mikroprocesora vyrábaného v ZSSR (funkčný ekvivalent mikroprocesora Intel 8086), ktorý mal vlastnú statickú dual-port pamäť RAM 2 KB a EPROM 8 KB. CPU2 procesor pracoval v spojení s aritmetickým koprocesorom I8231 a:

  • realizoval riadenie osí x a z a výpočet dráhy lineárnou a kruhovou interpoláciou podľa zadaného partprogramu pre každú súradnicu cez digitálnu servoslučku; pomocou výkonových budiacich jednotiek ovládal priamo jednosmerné servomotory; spätná väzba pre každú os bola zabezpečovaná cez samostatné vstupné bipolárne signály zo sekundára resolvera ±12 V; spätnoväzobné vstupy sa spracúvali cez impulznú moduláciu, ktorá slúžila na výpočet regulačnej odchýlky od požadovanej hodnoty v každom kroku pohybu;
  • otáčky vretena sústruhu boli riadené pomocou 12-bitového DAC prevodníka; spätná rýchlostná väzba bola zabezpečovaná cez tachogenerátor;
  • odmeriaval dráhu súradníc x a z a ukladal ich do vytváraného partprogramu v samoučiacom sa režime;
  • realizoval výpočet korekčného koeficientu zohľadňujúceho nastavenie obrábacieho nástroja (nože a vrtáky) na referenčnú polohu a jeho opotrebenie, čo sa pred každým výrobným cyklom vykonalo tak, že obsluha každý obrábací nástroj pomocou kríža v optike mikroskopu nastavila do kvadrantu kríža a hrot nástroja sa zameral dotykovou sondou; CPU2 vypočítal potrebnú korekciu, ktorá predstavuje diferenciu medzi stredom kríža optiky a hrotom nástroja; diferencia súradníc obrábacieho nástroja sa používala ako korekčná konštanta pre zadávanú polohu suportov z partprogramu počas obrábania, keď bol tento nástroj vybraný v obrábacom cykle.

Podriadený CPU3 procesor sekvenčného riadenia na obsluhu rozhrania digitálnych vstupov a výstupov (IO) bol realizovaný na báze osembitového mikroprocesora U 880 a mal vlastnú statickú dual-port pamäť RAM 1 KB a EPROM 20 KB. CPU3 zabezpečoval ovládanie a kontrolu zariadení sústruhu cez digitálne signály (IO) a riadil:

  • motor vretena on/off a jeho brzdu,
  • podávač tyčí, upnutie a odmeriavanie obrobku,
  • skľučovadlo vretena – upínanie obrobku,
  • dvojstupňovú prevodovku motora, taktovanie vretena pri prevode,
  • koník s pinolou, ktorá opiera obrobok oproti revolverovej hlave:
    – lunetu 1 a 2, ktoré na základe voľby obsluhy podopierajú obrobok v strede – používa sa pri dlhých obrobkoch,
    – stanicu nástrojového revolvera a udávač uhlovej polohy s ôsmimi pozíciami, kde sú upnuté obrábacie nástroje, a výber stanice nástroja,
  • hydrauliku na posuv materiálu cez vreteno,
  • dopravník na odvod triesok (vpred/vzad),
  • chladenie nástroja pri obrábaní,
  • centrálne obehové mazanie,
  • odoberanie výrobkov,
  • prevíjanie diernej pásky.

Ďalej kontroloval prevádzkové a poruchové stavy stroja, napr.:

  • voľbu parametrov cyklu, prepínačov a tlačidiel na ovládacom paneli,
  • zatvorenie ochranných krytov pred spustením stroja a počas prevádzky,
  • stav pohonov,
  • upnutie materiálu, pracovný rozsah a koncovú polohu materiálu,
  • núdzové zastavenie,
  • tlak pinoly,
  • preťaženie v osi x a z,
  • hladinu a tlak v centrálnom mazaní,
  • hladinu a tlak v hydraulike,
  • kontrolu filtrov,
  • stav prevodovky,
  • stav polohovania vretena,
  • núdzový stav regulátora pohonu,
  • test odmeriavania,
  • zadanie životnosti nástroja.

Procesor CPU4 bol súčasťou terminálu pripojeného k riadiacemu systému cez sériový medzistyk CCITT V.24, resp. IRPS. Realizovaný bol na báze mikroprocesora U 880, mal vlastnú statickú operačnú pamäť RAM 4 KB, EPROM 32 KB pre FW, snímkovú statickú pamäť RAM 2kB a pamäť na generátor znakov 2 kB EPROM. Slúžil ako používateľský nástroj na príkazy obsluhy do riadiaceho systému počas obrábania, v prípade mimoriadnych situácií a v režime vytvárania partprogramov v samoučiacom sa režime. Jeho súčasťou bola alfanumerická a funkčná klávesnica, pomocou ktorej bolo možné zadávať príkazy na obrábanie po krokoch a č/b CRT displej AZJ462 (výrobca TESLA Orava). Počas výrobného cyklu sa zobrazovali na termináli kroky obrábania.

Funkčná klávesnica obsahovala P1, P2, P3 – miniatúrne otočné prepínače s paketovou stavbou, ktoré mali nasledujúce funkcie:

  • P1 – prepínač na rýchloposuv suportu; vonkajšia stupnica nastavuje násobky posuvu: 0,25, 50, 100 % hodnoty zadanej v parametroch pre automatický režim, vnútorná stupnica pre ručný režim;
  • P2 – nastavenie otáčok vretena na 50 + 120 % hodnoty otáčok zadanej v partprograme;
  • P3 – prepínač na posuv; vonkajšia stupnica nastavovala rýchlosť posuvu v mm/min. v ručnom režime, vnútorná stupnica nastavovala násobky posuvu: 0 – 100 % hodnoty zadanej v partprograme pre automatický režim.

Ďalej obsahovala prepínače na manuálnu zmenu rýchlosti suportu v osiach x a z, ručné koliesko IRC500 na manuálny posuv suportu, playback, ručné ovládanie a iné.

Tieto terminály doplnené o modul RS mohli byť používané aj ako autonómne simulátory na off-line vytváranie partprogramov. Tie sa uchovávali buď na diernych páskach, alebo v centrálnom dispečingu dielne. Iná možnosť tvorby partprogramu bola vo výrobe na termináli stroja pracujúceho v režime off-line.

HW realizácia

Celý riadiaci systém MMPRS 1 bol realizovaný na doskách plošných spojov.

Doska SM 1444

Doska procesorov s rozmermi 435 x 390 mm tvorila jadro multimikroprocesorového riadiaceho systému (MMPRS), vhodného aj na bežné aplikácie v strojárenskej výrobe, najmä na riadenie CNC obrábacích strojov. Umožňoval riadiť pohyby v dvoch nezávislých osiach s možnosťou rozšírenia až na štyri osi. Na pohon osí boli použité servopohony s rýchlostnou spätnou väzbou. Každá z osí bola vybavená odmeriavaním polohy a rýchlostnou spätnou väzbou a následne poskytovali analógový riadiaci signál, ktorého veľkosť bola úmerná požadovanej rýchlosti pohybu a polarita požadovanému smeru pohybu.

Okrem komplexného riadenia stroja umožňoval MMPRS komplexnú diagnostiku riadeného stroja ovládaním niekoľkých samostatných funkčných celkov vrátane manipulácie s materiálom a s nástrojmi pomocou priemyselných robotov a manipulátorov s väzbou na ich vlastné riadenie. Toto komplexné riadenie zabezpečovala viacprocesorová zostava s vymedzením funkcií pre jednotlivé procesory: 2x osembitový U 880, 1x 16-bitový 8086 a numerický koprocesor I8231 (Intel).

Funkčné rozdelenie HW dosky je nasledujúce:

  • CPU1 (U880) centrálna riadiaca sekcia,
  • CPU2 (I8086 + I8231) servopohonové riadenie,
  • CPU3 (U880) sekvenčné riadenie,
  • HW – časovanie a synchronizácia mikroprocesorov,
  • obvody dekódovania I/O zariadení,
  • obvody vstupov a výstupov.

Ďalej doska obsahovala mikroprocesorové podporné obvody (Intel):

  • I8251 – programovateľný sériový vstup/výstup,
  • I8253 – programovateľné časovače/čítače s predvoľbou,
  • I8255 – programovateľný paralelný vstup/výstup,
  • I8257 – radič DMA prenosov,
  • I8259 – radič prerušenia.

Doska SM 1443

Doska diskrétnych I/O (cca 80) na úrovni 24 V s galvanickým oddelením cez optočleny. I/O sa zapisovali cez zbernicu a adresný dekodér do osembitových registrov (klopných obvodov D).

Doska SM 1441

Doska pamäte pre CPU1, statická RAM 18 KB typu CMOS zálohovaná akumulátorom NiCd a EPROM 80 KB.

Terminálová stanica bola realizovaná na:

  • SM 1446 doske operátorskej klávesnice a LED,
  • SM 7500 doske statickej pamäte RAM a EPROM,
  • SM 7501 doske procesora CPU4,
  • module CRT č/b displeja – subdodávka,
  • module funkčných tlačidiel – subdodávka.

Autonómny simulátor tvorí zostava terminálu s RS MMPRS 1.

Výrobná realizácia

Vo VÚVT bolo vyrobených (cca v r. 1988) 5 ks opakovaných prototypov (OPT):

  • jeden kus bol odovzdaný objednávateľovi, kde bol zabudovaný do obrábacieho stroja,
  • druhý kus bol upravený a zabudovaný do sústruhu produkcie ZSSR,
  • tretí kus bol dodaný do ZVT Námestovo ako plánovanému realizátorovi, odtiaľ však bol postúpený do ZPA Prešov ako náhradnému realizátorovi,
  • ostatné 2 ks, o ktorých nie sú záznamy.

SW realizácia

Systémový SW obsahoval:

  • exekutívu reálneho času, taktovacia slučka bola 17,2 ms,
  • driver snímača a dierovača diernej pásky,
  • driver terminálu,
  • ošetrenie porúch a havarijných stavov od:
    – silovej časti,
    – stavovej logiky,
    – výpadku napájania a i.,
  • ošetrenie externých prerušení od:
    – snímača a dierovača diernej pásky,
    – CRT a i.

Aplikačný SW obsahoval:

  • riadenie v dvoch osiach,
  • interpolátor – podľa počtu súčasne riadených osí:
    – lineárna interpolácia v trojrozmernom priestore,
    – kruhová interpolácia v rovine,
  • uloženie snímky do snímkovej RAM pamäte terminálu,
  • prostriedky na tvorbu, údržbu a vykonanie partprogramu:
    – editor textu,
    – prekladač textu partprogramu,
  • diagnostika vykonávaná hierarchicky od väčších celkov:
    – off-line:
  • programovej časti pamäte,
    – on-line:
  • logiky, napr. správna funkcia obvodov,
  • programovej časti, napr. správnosť uloženia partprogramov,
  • silovej časti – tlak, teplota, pokles napätia – počas cyklu,
  • odmeriavanie dosiahnutej polohy a otáčok, opotrebovanie noža a i.

Záver

Multimikroprocesorový riadiaci systém MMPRS 1 bol navrhnutý na CNC riadenie jednovretenových a jednosuportových kovoobrábacích strojov. Bol úspešne vyskúšaný v CNC riadení sústruhov slovenskej výroby aj výroby ZSSR. Pre okolnosti súvisiace s ekonomickou transformáciou československého národného hospodárstva však k sériovej výrobe a hromadnému nasadeniu MMPRS 1 už nedošlo.

Pokračovanie v ďalšom čísle.

Na základe dobových dokumentov zostavili:
Milan Gábik, Jozef Jarina, Zdenka Mikulová, Ľuboš Tůma