МГТУ «СТАНКИН»: PCNC Override Controller

Цели проекта:

  • Протестировать микроконтроллер на возможность создания на его основе простого, но функционального и имеющего современный внешний вид, устройства для переопределения оборотов шпинделя / подачи оборудования с ЧПУ;
  • Разработать алгоритмы, прототип и прошивку для такого устройства

Описание задачи:

Для предотвращения аварийных ситуаций на станочном пульте оператора станка с системой числового программного управления (ЧПУ) существует физические органы управления величиной подачи инструмента и частотой вращения шпинделя. В случае любой непредвиденной ситуации оператор может снизить заданные в управляющей программе значения подачи (вплоть до полной остановки перемещений) и частоты вращения шпинделя (до 50% от заданного значения). В подавляющем большинстве моделей современных систем ЧПУ регулировка величины подачи и частоты вращения шпинделя производится с помощью специального переключателя. При изменении положения переключателя происходит изменение сопротивления в цепи (в случае применения потенциометра) либо изменение двоичного выходного сигнала управляющего органа (в случае многопозиционного переключателя).

Пример такого переключателя:

С учётом роста вычислительной мощности аппаратных средств появляется возможность заменить управляющие органы с простых переключателей на интеллектуальные устройства, имеющие современный внешний вид и расширенную функциональность.

В качестве образцов, которыми вдохновлялась разработка прототипа взят аналог от Heidenhain Override Controller OC 310, имеющию более современный вид, чем многие аналоги:

Также, некоторые конструктивные решения (например, замена потенциометра энкодером типа вращающегося кольца) позаимствованы от органов управления климат-контролем автомобилей:

Ключевые особенности реализации:

  1. Используемый микроконтроллер:
    • BE-U1000 (Baikal-U).
  2. Алгоритмы/программное обеспечение:
    • Использовались IDE VS Code, SDK mcu-sdk-2.1 от Baikal Electronics, в том числе исходные тексты примеров и шаблонов.
    • Bare metal.
  3. Аппаратная часть:
    • При разработке и отладке использовались
      1. Отладочная плата EVU-BA-2.1 от «БАЙКАЛ ЭЛЕКТРОНИКС;
      2. IPS-дисплей GC9A01 (SPI);
      3. Инкрементальный энкодер EC28A1550401;
      4. EEPROM AT24CXX (I2C);
      5. Модуль Ethernet WizNet W5500 (SPI)
      6. ПК с Ubuntu 25.10;
      7. Эмулятор системы ЧПУ на базе управляющей платформы «АксиОМА Контрол» разработки сотрудников кафедры компьютерных систем управления ФГАОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН».
  4. Образовательный или промышленный контекст:
    • Проект может быть использован в учебных целях как пример разработки устройства на базе микроконтроллера BE-U1000.
    • Возможна доработка устройства до состояния производства.

Результаты:

  • Разработан прототип интеллектуального регулятора оборотов шпинделя / подачи, имеющий базовые возможности регулировки, связь с СЧПУ, переключения «обороты шпинделя / подача» в одном регуляторе.
  • Часть функциональных возможностей может быть реализована в будущем, в том числе и в рамках практических работ студентов.

Выводы:

  • Разработан прототип устройства, мной изучены принципы разработки программного обеспечения для микроконтроллеров, так как относительно полноценный проект на микроконтроллере реализован мной впервые.
  • Наличие хорошей документации и проработанного SDK делает контроллер очень интересным и удобным как для образовательного процесса, так и для разработки профессиональных устройств.
  • МК BE-U1000 на архитектуре RISC-V является мощным устройством имеющим большой потенциал в отечественном электронном оборудовании.

Перспективы:

  • Проект планируется в дальнейшем доработать, а также, возможно, разработать подходящий корпус, сделать разводку электронной платы и скомпоновать полноценное устройство.
  • В дальнейшем такое устройство вполне может стать составляющим компонентом современного оборудования СЧПУ с удобной эргономикой и современным внешним видом.

Изображения/схемы:

Фото собранного прототипа

Структурная схема

Видео с работой устройства с эмулятором СЧПУ

На видео показан процесс управления оборотами шпинделя и подачей при помощи устройства. Устройство подключено к ядру СЧПУ «АксиОМА Контрол» по протоколу данной системы. На экране видно, что система ЧПУ реагирует на команды устройства и в HMI меняются процентовки оборотов шпинделя и подачи как на экране оператора (бары в правой нижней четверти), так и на виртуальной станочной панели (крутилки оборотов шпинделя и подачи).