• Home
  • /
  • СЧПУ
  • /
  • История СЧПУ “Электроника НЦ-31”: разработка

История СЧПУ “Электроника НЦ-31”: разработка

Архитектура

В основу архитектуры системы положен принцип общей шины (магистрали), обеспечивающей оперативное взаимодействие модулей. С целью сокращения аппаратных затрат в системе используется две магистрали: магистраль НЦ (МНЦ) и магистраль с радиальной выборкой. (РМ).

МНЦ обеспечивает связь вычислительных модулей с модулем памяти и адаптерным модулем. РМ обеспечивает связь адаптерного модуля с периферийными модулями (контроллерами) управления приводами, управления электроавтоматикой и пультом оператора. Кроме того, в адаптерном модуле имеется последовательный канал типа “токовая петля” (ИРПС) для связи с внешними устройствами, в том числе с ЭВМ верхнего уровня. Принятие такой архитектуры было продиктовано накопленным отечественным и зарубежным опытом создания микро-ЭВМ. Однако, для систем ЧПУ магистраль РМ была применена впервые.

 

Элементная база

Особые условия эксплуатации в целях общепромышленного назначения, требования к габаритам и весовым показателям системы ЧПУ, к ее надежности легли в основу создания специальной элементной базы и источников питания.

Базой для вычислителя стал микропроцессорный комплект больших интегральных схем (БИС) серии К588. Применение его позволило на микропрограммном уровне реализовать развитую систему команд и получить практически вычислитель, по своей мощности опережающий микро-ЭВМ этого класса на 5-6 лет. К характерным особенностям микропроцессора относятся: большое количество регистров общего назначения и способов адресации, возможности работы с двухсловными операндами, наличия регистров баз данных.

Такой подход потребовал: увеличения мощности БИС микропрограммной памяти (так количество термов со 100 увеличено до 150), применения в микропрограммах совмещения выполнения команд и конвейерного выполнения микрокоманд, пересмотра всей внутренней структуры БИС УП.

Впервые для выполнения команд с двухсловными операндами использована микропрограммная перестройка арифметического устройства.

Широкое применение большой ЭВМ для моделирования кодировок БИС серии К588 позволило оптимальным образом и в кратчайшие сроки разработать микропроцессорный набор с заданными характеристиками.

Обеспечение набора технологических функций и команд, реализуемых системой ЧПУ, потребовало большого объема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Учитывая жесткие ограничения габаритных размеров, было решено применить микросхему ПЗУ К596РЕ1 с информационной емкостью 64К. Большая информационная емкость этой микросхемы, обеспечение высокого быстродействия и приемлемой мощности рассеивания определили необходимость разработки и внедрения в производство специального технологического процесса изготовления, существенно отличающегося от традиционных.

В результате была изготовлена и применена в системе ЧПУ “Электроника НЦ-31”  — первая в мире интегральная схема биполярного запоминающего устройства информационной емкостью в 64 Кбит. БИС ПЗУ защищена авторскими свидетельствовами и патентами во многих странах мира.

Одно из принципиальных требований к системе ЧПУ – сохранение информации о параметрах, корректорах и программах изготовления деталей при отключении питания, в том числе и аварийном отключении. Задача была решена путем применения полупроводникового запоминающего устройства на базе БИС К537РУ2 с использованием аккумулятора в качестве источника питания ОЗУ при отключении сети. В процессе разработки БИС были предложены оригинальные решения узла записи-считывания и выборки координат, реализована принципиально новая логическая структура устройства управления и схема вывода информации.

Для обеспечения надежности и достоверности хранящейся в ОЗУ информации впервые в отечественных ЧПУ была использована защита по коду Хемминга.

Наиболее сложный узел системы ЧПУ – модуль процессора – содержал помимо БИС микропроцессорного набора еще около 100 схем средней степени интеграции, что из-за высокой плотности монтажа затрудняло серийный выпуск этих модулей. С целью повышения технологичности изготовления системы, повышения ее надежности и быстродействия было принято решение применить в системе БИС серии К1801ВП1 – универсальную вентильную матрицу (УВМ), что позволило в 2 раза сократить число микросхем средней степени интеграции и обеспечить требуемые параметры модуля.

Вышеперечисленные микросхемы разрабатывались и ставились на серийное производство одновременно с созданием системы ЧПУ “Электроника НЦ-31”, что позволило резко сократить сроки освоения этой системы.

 

Источники питания

В системе ЧПУ “Электроника НЦ-31” принята схема 2-х уровневого питания. Первый уровень обеспечивает преобразование сетевого напряжения 5, 12 и 15 В. с заданной полярностью, стабильностью, уровнями пульсации и степенью помехоустойчивости.

Выделение первичного источника в отдельный блок позволило наряду с обеспечением заданных габаритов системы решить вопросы теплообмена. Кроме того, в источнике питания применены логические схемы, позволяющие автоматизировать процесс последовательности включения и выключения питающих напряжений, выработки специальных логических и аварийных сигналов, а также обеспечить защиту системы от различных возмущающих факторов, таких как, короткие замыкания, перенапряжения, провалы питания.

 

Структура модулей системы.

В состав системы входит семь модулей: вычислительный, памяти, танжерно-адаптерный и связи с периферией, измерительных преобразователей, приводов, электроавтоматики, пульта оператора, а также кассета внешней памяти с сохранением информации.

Как уже отмечалось, часть модулей находится на магистрали МНЦ, а часть на РМ. Характерной особенностью модулей связи с объектом (станком) можно считать применение оптических развязок как во входных-выходных каналах электроавтоматики, так и в каналах связи с измерительными преобразователями. В системе впервые в отечественной практике использованы аппартно-программные средства защиты от сбоев вычислителя, дребезга клавиатуры и конечных выключателей, электроавтоматики станка. С целью сокращения аппаратуры в системе используются матричный способ опроса клавиатуры и матричнй способ выдачи информации на цифровые и точечные индикаторы с импульсной запиткой типа “бегущая волна”.

Структура модулей построена таким образом, что программно доступны все входные и выходные регистры. Векторная система прерываний позволяет контролировать состояние модулей и отдельных регистров системы. Ряд структурных и аппаратных решений защищены авторскими свидетельствами.

 

Программное обеспечение

В основу архитектуры программного обеспечения системы ЧПУ “Электроника НЦ-31” положен приоритетно-временной принцип решений задач с программно-аппаратно реализацией алгоритмов. В этой связи структура программного обеспечения неразрывно связана со схемными решениями аппаратной части.

В основу программного обеспечения положена операционная система (ОС), осуществляющая распределение ресурсов процессора между программными модулями с учетом их приоритетов и частоты инициализации. В отличие от универсальных операционных систем, потребляющих до 10% общей мощности процессора, ОС ЧПУ “Электроника НЦ-31” позволяет значительно сократить затраты вычислительной мощности за счет совмещения диспетчерских функций с функциями ОС.

Базовое ПО обеспечивает реализацию основных алгоритмов: расчет заданной траектории движения инструмента (интерполяцию), управление следящими приводами подач в режимах резьбонарезания, линейной и круговой интерполяции, коррекцию люфта и кинематических погрешностей станка, компенсацию дрейфа нуля аналоговых управляющих сигналов, размерную привязку инструментальной наладки в ручном и автоматическом режиме, оперативное изменение рабочей подачи, автоматическую привязку инструмента и измерение детали, режимы обучения,  функциональной и профилактической диагностики и т.п. ПО обеспечивает ввод и контроль сохранности управляющей программы и параметров системы, редактирование и вывод информации на внешний носитель или ЭВМ верхнего уровня.

Для достижения универсальности и гибкости программного обеспечения в качестве перенастраиваемых параметров системы служат начальные адреса основных задач. Такой подход не требует изменения ПЗУ. Настройка параметров осуществляется на этапе пусконаладочных работ.

Впервые в отечественной практике для серийных систем решен вопрос программной реализации алгоритмов управления приводами подач и главного движения.

Входной язык системы на уровне параметрического программирования позволяет потребителю системы самому расширять функциональные возможности применительно к условиям эксплуатации.

Особое внимание при разработке ПО уделялось вопросам диагностирования системы. В состав диагностического ПО входят резидентный проверяющий тест (РПТ). Организация программы РПТ основана на последовательном наращивании ресурсов диагностического ядра системы, что позволяет существенно развить глубину диагностики. Задача резидентных диагностических средств — локализовать неисправный модуль, обеспечивая при этом оперативность его замены непосредственно у станка. Учитывая ограниченные воможности РПТ (всего 1.5 Кслов) в системе разработаны внешние диагностические тесты, которые размещаются на кассете внешней памяти и имеют объем 8К слов и соответственно большие возможности.

Достижением в самодиагностике можно считать внедрение в систему фонового проверяющего теста (ФПТ) , обеспечивающего динамический контроль системы непосредственно в процессе управления объектом.

Объем диагностических программ составило около 20% общего объема ПО.

 

Технология изготовления систем

В основу разработки технологического процесса изготовления системы ЧПУ был положен критерий обеспечения высокой надежности выпускаемых изделий.

Для получения приемлемой надежности системы ЧПУ (наработка на отказ — 2500-5000 часов) потребовалось создать новую технологическую схему производства, имеющую качественно более высокий уровень.

Организационной основой вновь разработанной технологии стало разделение собственно сборочных операций и технологических операций контроля,  тренировок и испытаний. Для этого был организован цех «обеспечения качества» , который охватил все сборочное производство и сконцентрировал в себе всю информацию об отклонениях технологического процесса от нормального хода, что позволило оперативно устранять эти отклонения. Специально созданная лабораторич информативного анализа (ЛИА) занимается исследованием хода технологического процесса. Необходимую информацию ЛИА получает от разработанного на предприятии технологического паспорта изготавливаемого устройства. В паспорт вносится подробная информация о всех технологических переходах, начиная со входного контроля интегральных микросхем и печатных плат до приемо-сдаточных испытаний и отгрузки готового изделия потребителю.

Для успешного внедрения разработанной технологической схемы производства потребовалось оснастить производство новым оборудованием, средствами вычислительной техники, а основную часть специального технологического оборудования вновь разработать и изготовить. Особое внимание было уделено организации и оснащению входного контроля, поскольку стоимость нахождения неисправного элемента на входном контроле при серийном производстве примерно в 100 раз меньше, чем в готовом изделии.

Всего же в сборочном производстве систем УЧПУ “Электроника НЦ-31” было установлено 849 единиц оборудования.

В результате внедрения разработанного технологического процесса изготовления систем УЧПУ “Электроника НЦ-31” была достигнута наработка на отказ изделия 5000 часов.

Оглавление