Подсистемы управления станками с ЧПУ


СОДЕРЖАНИЕ:

Системы ЧПУ

На основе достижений электроники, вычислительной техники и приборостроения были разработаны принципиально новые системы ПУ — системы ЧПУ (СЧПУ), широко используемые в промышленности. Эти системы называют числовыми потому, что величина каждого хода ИО станка задается с помощью числа. Каждой единице информации соответствует дискретное перемещение ИО на определенную величину, называемой разрешающей способностью системы ЧПУ или ценой импульса.

В определенных пределах ИО можно переместить на любую величину, кратную разрешающей способности. Число импульсов, которое можно подать на вход привода, чтобы осуществить требуемое L перемещение, определяется по формуле N = L/q, где q — цена импульса. Число N, записанное в определенной системе кодирования на носителе информации (перфоленте, магнитной ленте и др.), является программой, определяющей величину размерной информации.

Станки с программным управлением (ПУ) по виду управления подразделяют на станки и системами циклового программного управления (ЦПУ) и станки с системами числового программного управления (ЧПУ). Системы ЦПУ более просты, так как в них программируется только цикл работы станка, а величины рабочих перемещений, т.е. геометрическая информация, задаются упрощенно, например, с помощью упоров. В станках с ЧПУ управление осуществляется от программоносителя, на который в числовом виде занесена и геометрическая, и технологическая информация.

Система ЧПУ — это совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для реализации ЧПУ станком, предназначенная для выдачи управляющих воздействий исполнительным органам станка в соответствии с УП.

Устройство ЧПУ (УЧПУ) станками — это часть системы ЧПУ, выполненная как единое целое с ней и осуществляющая выдачу управляющих воздействий по заданной программе.

Числовое программное управление (ЧПУ) — это управление, при котором программу задают в виде записанного на каком-либо носителе массива информации. Управляющая информация для систем ЧПУ является дискретной и ее обработка в процессе управления осуществляется цифровыми методами. Управление технологическими циклами практически повсеместно осуществляется с помощью программируемых логических контроллеров, реализуемых на основе принципов цифровых электронных вычислительных устройств.

Станки с программным управлением (ПУ) по виду управления подразделяют на станки и системами циклового программного управления (ЦПУ) и станки с системами числового программного управления (ЧПУ). Системы ЦПУ более просты, так как в них программируется только цикл работы станка, а величины рабочих перемещений, т.е. геометрическая информация, задаются упрощенно, например, с помощью упоров. В станках с ЧПУ управление осуществляется от программоносителя, на который в числовом виде занесена и геометрическая, и технологическая информация.

Структурная схема системы ЧПУ представлена на рис. 73, а. Чертеж детали (ЧД), подлежащий обработке на станке с ЧПУ, одновременно поступает в систему подготовки программы (СПП) и систему технологической подготовки (СТП). Последняя обеспечивает СПП данными о разрабатываемом технологическом процессе, режиме резания и т.д. На основании этих данных разрабатывается управляющая программа (УП). Наладчики устанавливают на станок приспособления, режущие инструменты согласно документации, разработанной в СТП. Установку заготовки и снятие готовой детали осуществляет оператор или автоматический загрузчик. Считывающее устройство (СУ) считывает информацию с программоносителя. Информация поступает в устройство ЧПУ, которое выдает управляющие команды на целевые механизмы (ЦМ) станка, осуществляющие основные и вспомогательные движения цикла обработки. ДОС на основе информации (фактическое положение, скорость перемещения исполнительных узлов, фактический размер обрабатываемой поверхности, тепловые и силовые параметры технологической системы и др.) контролируют величину перемещения ЦМ. Станок содержит несколько ЦМ, каждый из которых включает в себя (рис. 73, б): двигатель (ДВ), являющийся источником энергии; передачу П, служащую для преобразования энергии и ее передачи от двигателя к исполнительному органу (ИО); собственно ИО (стол, салазки, суппорт, шпиндель и т.д.), выполняющие координатные перемещения цикла.

Рис. 73. Структурная схема системы ЧПУ (а) и целевого механизма (б)

Система ЧПУ может видоизменяться в зависимости от вида программоносителя, способа кодирования информации в УП и метода ее передачи в систему ЧПУ. Устройство ЧПУ размещают рядом со станком (в одном или двух шкафах) или непосредственно на станке (в подвесных или стационарных пультах управления). Двигатели приводов подач станков с ЧПУ, имеющие специальную конструкцию и работающие с конкретным устройством ЧПУ, являются составной частью системы ЧПУ.

Все данные, необходимые для обработки заготовки на станке УЧПУ, получает от УП, которая содержит два вида информации — геометрическую и технологическую. Геометрическая информация — координаты опорных точек траектории движения инструмента, а технологическая — данные о скорости, подаче, номере инструмента и т. д. УП записывают на программоносителе. В оперативных системах ЧПУ программа может вводиться (с помощью клавиш) непосредственно на станке.

Важнейшей технической характеристикой систем ЧПУ является ее разрешающая способность или дискретность, т. е. минимально возможная величина линейного и углового хода ИО станка, соответствующая одному управляющему импульсу, т. е. контролируемая в процессе управления. Большинство современных систем ЧПУ имеют дискретность 0,01 мм/импульс. Осваиваются в производстве системы с дискретностью 0,001 мм/импульс.

Классификация систем ЧПУ (систем числового программного управления)

Системы ЧПУ классифицируют по следующим признакам.

      1. По уровню технических возможностей.
      2. По технологическому назначению.
      3. По числу потоков информации (незамкнутые, замкнутые, самоприспосабливающиеся или адаптивные).
      4. По принципу задания программы (в декорированном виде, т. е. в абсолютных координатах или в приращениях от ЭВМ).
      5. По принципу привода (ступенчатый, регулируемый, следящий, шаговый).

    6. По числу одновременно управляемых координат. 7. По способу подготовки и ввода управляющей программы.

По уровню технологических возможностей международной классификации системы ЧПУ делятся на следующие классы: NC — системы с покадровым чтением перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки: SNC — системы с однократным чтением всей перфоленты перед обработкой партии одинаковых заготовок; CNC — системы со встроенной малой ЭВМ (компьютером, микрокомпьютером); DNC — системы прямого числового управления группами станков от одной ЭВМ; HNC — оперативные системы с ручным набором программ на пульте управления.

По технологическому назначению системы ЧПУ подразделяются на четыре вида: позиционные; обеспечивающие прямоугольное формообразование; обеспечивающие прямолинейное формообразование; обеспечивающие криволинейное формообразование.

Позиционные системы ЧПУ обеспечивают высокоточное перемещение (координатную установку) ИО станка в заданную программой позицию за минимальное время. По каждой координатной оси программируется только величина перемещения, а траектория перемещения может быть произвольной. Перемещение ИО из позиции в позицию осуществляется с максимальной скоростью, а переход к заданной позиции — минимальной — «ползучей» скоростью. Точность позиционирования повышается в результате подхода ИО к заданной позиции всегда с одной стороны (например, слева направо). Позиционными системами ЧПУ оснащают сверлильные и координатно-расточные станки.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямоугольное формообразование, в отличие от позиционных систем позволяют управлять перемещением ИО станка в процессе обработки. В процессе формообразования ИО станка перемещается по координатным осям поочередно, поэтому траектория инструмента имеет ступенчатый вид, а каждый элемент этой траектории параллелен координатным осям. Чтобы сократить время перемещения ИО из одной позиции в другую, в ряде случаев используют одновременное движение по двум координатам. При грубом позиционировании подход ИО к заданной позиции осуществляется с разных сторон, а при точном позиционировании — всегда с одной стороны. Число управляемых координат в таких системах достигает 5, а число одновременно управляемых координат — 4. Указанными системами оснащают токарные, фрезерные, расточные станки.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямолинейное (под любым углом к координатным осям станка) формообразование и позиционирование, управляют движением инструмента при резании одновременно по двум координатным осям (X и Y). В данных системах используют двухкоординатный интерполятор, выдающий управляющие импульсы сразу на два привода подач. Общее число управляемых координат в таких системах 2—5. Указанные системы обладают большими технологическими возможностями (по сравнению с прямоугольными) и применяются для оснащения токарных, фрезерных, расточных и др. станков.

Системы ЧПУ, обеспечивающие криволинейное формообразование, позволяют управлять обработкой плоских и объемных деталей, содержащих участок со сложными криволинейными контурами.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямоугольное и криволинейное формообразование, относятся к контурным (непрерывным системам), так как они позволяют обрабатывать заготовку по контуру. Контурные системы ЧПУ имеют, как правило, шаговый двигатель.

Многоцелевые (сверлильно-фрезерно-расточные) станки для расширения их технологических возможностей оснащают контурно-позиционными системами ЧПУ.

По числу потоков информации системы ЧПУ делятся на замкнутые, разомкнутые и адаптивные.

Разомкнутые системы ЧПУ характеризуются наличием одного потока информации, поступающего со считывающего устройства к ИО станка. В механизмах подач таких систем используют шаговые двигатели. Крутящий момент, развиваемый шаговым двигателем, недостаточен для привода механизма подачи. Поэтому указанный двигатель применяют в качестве задающего устройства, сигналы которого усиливаются различными способами, например, с помощью гидроусилителя моментов (аксиально-поршневого гидродвигателя), вал которого связан с ходовым винтом привода подач. В разомкнутой системе нет датчика обратной связи (ДОС) и поэтому отсутствует информация о действительном положении исполнительных органов станка.

Замкнутые системы ЧПУ характеризуются двумя потоками информации — от считывающего устройства и от ДОС по пути. В этих системах рассогласование между заданными и действительными величинами перемещения исполнительных органов устраняется благодаря наличию обратной связи.

Адаптивные системы ЧПУ характеризуются тремя потоками информации:

      1. От считывающего устройства.

    3. От датчиков, установленных на станке и контролирующих процесс обработки по таким параметрам, как износ режущего инструмента, изменение сил резания и трения, колебание припуска и твердости материала обрабатываемой заготовки и др. Такие системы позволяют корректировать программу обработки с учетом реальных условий резания.

По способу подготовки и ввода управляющей программы различают так называемые оперативные системы ЧПУ (в этом случае управляющую программу готовят и редактируют непосредственно на станке, в процессе обработки первой детали из партии или имитации ее обработки) и системы, для которых управляющая программа готовится независимо от места обработки детали. Причем независимая подготовка управляющей программы может выполняться либо с помощью средств вычислительной техники, входящих в состав систем ЧПУ данного станка, либо вне ее (вручную или с помощью системы автоматизации программирования).

Программируемые контролеры

Программируемые контроллеры — это устройства управления электроавтоматикой станка. Большинство программируемых контролеров имеют модельную конструкцию, в состав которой входят источник питания, процессорный блок и программируемая память, а также различные модули входов/выходов. Для создания и отладки программ работы станка применяют программирующие аппараты. Принцип работы контроллера: опрашиваются необходимые входы/выходы и полученные данные анализируются в процессорном блоке. При этом решаются логические задачи, и результат вычисления передается на соответствующий логический или физический выход для подачи в соответствующий механизм станка.

В программируемых контролерах используют различные типы памяти, в которой хранится программа электроавтоматики станка: электрическую перепрограммируемую энергонезависимую память; оперативную память со свободным доступом; стираемую ультрафиолетовым излучением и электрически перепрограммируемую.

Программируемый контролер имеет систему диагностики: входов/выходов, ошибки в работе процессора, памяти, батареи, связи и других элементов. Для упрощения поиска неисправностей современные интеллектуальные модули имеют самодиагностику.

Программоноситель может содержать как геометрическую, так технологическую информацию. Технологическая информация обеспечивает определенный цикл работы станка, а геометрическая — характеризует форму, размеры элементов обрабатываемой заготовки и инструмента и их взаимное положение в пространстве.

Подсистемы управления станками с ЧПУ

Одним из важных критериев выбора станков с ЧПУ является тип системы управления. Именно она отвечает за точность позиционирования узлов и обрабатывающих инструментов, технологический процесс обработки заготовки и качество изготавливаемой детали в соответствии с заданными настройками. С одной стороны, управляющая система должна быть максимально простой и функциональной, а с другой – надёжной и высокотехнологичной. Поэтому правильный выбор потребует учёта множества влияющих факторов.

Особенности управления станками с ЧПУ

Управление станками с ЧПУ осуществляется оператором, который на электронной управляющей системе задаёт алгоритм работы вручную или методом программирования, а она в свою очередь посредством исполнительных механических узлов и агрегатов реализует заданные действия для обработки заготовки. Благодаря минимизации человеческого фактора в технологии получения готового изделия и достигается высокое качество готовых деталей. Поэтому важно в данном процессе создать эффективное взаимодействие оператора и ЧПУ.
За счёт программного управления обеспечивается практически полная автоматизация производственного процесса. Достаточно задать нужную программу обработки, установить заготовку и запустить программу, чтобы в итоге получить партию идентичных по размеру и качеству деталей. Программируемые контроллеры способны решать поставленные логические задачи и проводить вычисления, с одновременным отображением текущего состояния выполнения процесса на встроенном экране или путём визуального сигнализирования.
В целях предотвращения повреждения основных узлов станков в ЧПУ реализована система защиты, которая оповещает о неисправностях, не допускает запуска логически неверных режимов обработки, а также проводит самодиагностику оборудования.

Способы программирования станков с ЧПУ

Существует два основных способа программирования ЧПУ: оперативный (ручной) и при помощи независимой управляющей программы. Первый способ позволяет оператору вручную непосредственно при помощи органов управления ввести нужную программу для обработки детали, внести необходимые корректировки или выполнить отладку работы механизмов. Он отличается простотой и отсутствием необходимости применения компьютеров и специального программного обеспечения. Однако он не подходит для реализации сложных технологических процессов.

К преимуществам оперативного управления станков относятся:

  • пошаговый контроль за изготовлением детали;
  • простота программирования;
  • отсутствие необходимости привлечения высококвалифицированных программистов.

Программирование с использованием управляющей программы является наиболее востребованным, так как позволяет ускорить набор множества стандартных процедур обработки, провести их отладку и корректность работы. Такой способ управления подходит для предприятий, на которых производятся сложные детали, требующие проведения нескольких последовательных или одновременных циклов обработки в едином техпроцессе.

К основным преимуществам управления станками при помощи управляющей программы относятся:

  • значительная экономия времени, требуемая на перепрограммирование;
  • простота программирования множества однотипных станков;
  • возможность внесения правок в программу и проверки правильности её исполнения до запуска на ЧПУ.

Виды механических систем управления обработки деталей

Станки с ЧПУ по функциям обработки деталей подразделяются на следующие виды:

  • контурные, позволяющие выполнять обработку заготовки по криволинейной траектории и получать детали со сложной геометрической формой (токарные, шлифовальные и фрезерные типы станков);
  • позиционные, предназначенные для линейной обработки заготовок вдоль направляющих по двум заданным точкам в управляющей программе или посредством органов ручного управления (координатные, расточные или сверлильные станки);
  • комбинированные, включающие в единый цикл несколько последовательных способов обработки заготовки: перемещения обрабатывающего инструмента вдоль направляющей или по нелинейной траектории, смену и перемещение заготовок (многофункциональные станки);
  • многоконтурные, способные одновременно либо последовательно реализовать несколько способов обработки детали посредством сложных функциональных механизмов, узлов и инструментов (бесцентровые круглошлифовальные станки).

То есть выбор механических систем управления обработки деталей выбирается на основе поставленных на предприятии технологических задач.

Каковы критерии выбора системы управления для станков с ЧПУ?

Грамотный выбор системы управления станками позволит обеспечить беспрерывный процесс производства за счёт повышения надёжности и стабильности режимов их работы, точного контроля позиционирования механических узлов и обрабатывающего инструмента, а также своевременного выявления возможных проблем. Поэтому важно учитывать следующие правила выбора управляющих блоков:

  • метод программирования ЧПУ должен быть одновременно простым и легкореализуемым в соответствии с необходимыми этапами обработки заготовки;
  • важно учитывать возможности усовершенствования системы для расширения её функциональности, скорости обработки или других технических параметров с целью экономии финансов на приобретение нового оборудования;
  • все узлы должны быть ремонтопригодными и легкозаменяемыми;
  • важно наличие современных интерфейсов для взаимодействия управляющего блока с другими устройствами программирования или управления; квалификации операторов и наладчиков должно быть достаточно, чтобы настраивать, обслуживать и контролировать работу управляющих систем.

Почему важно правильно подбирать управляющие системы?

Если управляющая система была выбрано неверно, то могут возникнуть следующие неприятности:

  • снизится производительность труда в среднем в 1,5 раза;
  • потребуется адаптация или переобучение обслуживающего и рабочего персонала;
  • используемые программы придётся заново переписывать или вводить вручную по причине отсутствия внешних интерфейсов либо поддержки среды программирования;
  • могут возникнуть проблемы с поиском деталей в случае поломок;
  • отсутствие согласования ЧПУ с механической частью станка.

То есть, итоговым результатом станут частые простои оборудования, невыполнение технического плана, рост финансовых затрат. Поэтому важно грамотно подбирать системы управления станками с ЧПУ, чтобы избежать всех этих проблем.

Системы ЧПУ. Поколения систем ЧПУ. Термины и понятия систем ЧПУ

Системы ЧПУ первого поколения

Системы ЧПУ первого поколения имели элементную базу на дискретных элементах — реле и транзисторах с низкими частотными параметрами. Ввод программы в этих системах осуществлялся на магнитной ленте в унитарном коде или в фазовом виде. Моделями устройств ЧПУ первого поколения являются ПРС1-58, ПРС-ЗК, К-4МИ. В то же время в устройствах ЧПУ первого поколения К2П-67, КЗП-68, УМС-2 ввод программы осуществлялся уже на пятидорожечной перфоленте (код БЦК-5).

К этой группе относятся, также, УЧПУ отечественного производства «Координата Р-68», «Контур 4МИ», «Контур 2П», «Контур ЗП», «Контур 2ПТ-71», «Контур 2ПТ-71/3».

Системы ЧПУ второго поколения

Системы ЧПУ второго поколения имели элементную базу малой (серия 155) и средней (серия 176) степени интеграции с более высокими частотными характеристиками, с помощью которых осуществлялась схемная реализация алгоритмов управления. К моделям устройств ЧПУ второго поколения можно отнести Н22, НЗЗ, Н55, П-33, «Размер 2». В устройствах ЧПУ второго поколения Н22, НЗЗ ввод программы осуществлялся на восьмидорожечной перфоленте (код ISO 7).

К этой группе относятся, также, УЧПУ: «Координата С-70», «Координата С-70-3», П32-3, П32-3А, П32-3В, агрегатированные устройства Н33-1, Н33-2, У33-1, У22-1 и ЭМ-907А.

Системы ЧПУ третьего поколения

Системы ЧПУ третьего поколения создавались на базе микроЭВМ («Электроника-60», «Электроника НЦ-03» и др.), БИС (серия 589 и др.). Эти системы ЧПУ имели расширенные технологические возможности, осуществлялась программная реализация алгоритмов управления. К моделям устройств ЧПУ третьего поколения можно отнести 15МП, «Размер 4М», 2С42, 2С85, 2У32, 2МЧЗ, «Электронику НЦ-31». В устройствах ЧПУ третьего поколения ввод программы осуществлялся как на перфоленте, так и с помощью клавиатуры. Системы ЧПУ начинают оснащаться дисплейно-диалоговыми системами задания УП с графическим отображением детали на экране. Появляются оперативные системы ЧПУ, на которых программирование простых деталей может осуществляться непосредственно на станке с использованием типовых циклов.

Устройства Н22-1М, Н33-1М, Н33-2М, Н55-1, Н55-2 являются первыми устройствами контурного и комбинированного управления третьего поколения, они были предназначены для токарных и фрезерных станков с автоматической сменой инструментов.


Системы ЧПУ четвертого поколения

Для систем ЧПУ четвертого поколения характерно блочное мультипроцессорное исполнение. В качестве элементной базы используются специальные БИС и микроЭВМ. Программирование технологических функций и диалоговых режимов осуществляется на языках высокого уровня. К моделям устройств ЧПУ четвертого поколения можно отнести «Электронику МС2101», 3С100, 3С200. В устройствах ЧПУ четвертого поколения ввод программы осуществлялся электронной кассетой или кассетой на цифровых магнитных доменах.

Строились эти системы, как правило, по агрегатно-блочному принципу и оснащены различными дополнительными узлами: блоками технологических команд; устройствами коррекции радиуса, длины и положения инструмента, скорости подач, скорости резания, индикации перемещений; устройствами для нарезания резьб; блоками контроля и останова, как на рабочих, так и на холостых ходах и др.

В связи с большим расширением технологических возможностей УЧПУ практически стерлась грань между контурными и позиционными видами ЧПУ и произошел переход к универсальным (контурно-позиционным) устройствам. Увеличилось число управляемых координат станка, причем взаимосвязь их в работе может быть одновременной и последовательной в любых комбинациях.

К отечественным системам класса СNС (или близким к этому классу) относятся УЧПУ 2У22, 2Р22, 2У32-61, 2С42, 2М42, 2М43-22, 2С85, 2Р32, 2Р32М, 2С85-63, «Электроника НЦ80-31». Все они относятся к УЧПУ четвертого и пятого поколений.

УЧПУ зарубежных фирм достаточно широко используются с различными отечественными станками. В своих новых моделях зарубежные фирмы достаточно далеко ушли вперед (особенно по функциональным возможностям) от систем класса СNС пятого поколения.

Конструктивно УЧПУ реализуют по разному. Чаще всего это устройство устанавливается к станку как отдельный элемент в виде шкафа (стойка) с различными панелями и целевыми устройствами на лицевой стороне. Некоторые УЧПУ монтируют как подвесные пульты управления станком или встраивают в какой-либо агрегат станка с выводом панели в необходимую сторону.

Системы ЧПУ пятого поколения

Системы ЧПУ пятого поколения создаются на базе промышленных персональных компьютеров. В этих системах ЧПУ реализуются все современные достижения, свойственные персональным компьютерам, включая языки программирования; программно-математическое обеспечение; системы ввода, хранения и обмена информации; возможность структурного изменения; возможность выполнения функций самонастройки и адаптации и др.

Станки с ЧПУ подразделяются на следующие технологические группы:

  • станки токарной группы;
  • станки сверлильно-фрезерно-расточной группы;
  • станки шлифовальной группы;
  • станки зубообрабатывающей группы;
  • станки электрофизической группы;
  • многоцелевые станки, ОЦ:

По отношению к инструменту

  • с ручной сменой инструмента;
  • с автоматической сменой инструмента в револьверной головке;
  • с автоматической сменой инструмента в магазине.

Станки могут оснащаться разными системами ЧПУ. В зависимости от конфигурации системы управления обозначения металлорежущих станков могут быть следующие:

  • Ф1 — станки с цифровой индикацией, в том числе с предварительным набором координат;
  • Ф2 — станки с позиционными прямоугольными системами управления координат;
  • Ф3 — станки с контурными прямолинейными и криволинейными системами управления координат;
  • Ф4 — станки с универсальными системами управления координат для позиционно-контурной обработки.

Для характеристики станков с ЧПУ используют следующие показатели:

  1. Класс точности станка
    • Н — станок нормальной точности
    • П — повышенной
    • В — высокой
    • А — особо высокой
    • С — сверхвысокой точности (мастер-станок)
  2. Технологические операции, выполняемые на станке: фрезерование, шлифование и т.п.;
  3. Основные параметры станка:
    • для патронных станков — наибольший диаметр устанавливаемого изделия над станиной, наибольший диаметр обрабатываемого изделия над станиной;
    • для центровых и патронных станков — наибольший диаметр обрабатываемого изделия над суппортом;
    • для прутково-токарных станков — наибольший диаметр обрабатываемого прутка;
    • для расточно-фрезерных станков — габаритные размеры (длина, ширина) рабочей поверхности стола, диаметр рабочей поверхности круглого поворотного стола;
    • для сверлильных станков — наибольший условный диаметр сверления, диаметр выдвигаемого шпинделя и т.д.;
  4. Величины перемещений рабочих органов станка — суппорта по двум координатам, стола по двум координатам, шпиндельного узла по линейной и угловой координатам и т.д.;
  5. Величина дискретности (цена деления) — минимальное задание перемещения по программе (шаг);
  6. Точность и повторяемость позиционирования по управляемым координатам;
  7. Привод главного движения — тип, номинальное и максимальное значения мощности, пределы скоростей вращения шпинделя (ступенчатое или бесступенчатое), число рабочих скоростей, число автоматически переключаемых скоростей;
  8. Привод подачи станка — координата, тип, номинальный и максимальный моменты, пределы скоростей рабочих подач и число скоростей рабочих подач, скорость быстрого перемещения;
  9. Число инструментов — в резцедержателе, револьверной головке, инструментальном магазине;
  10. Вид смены инструмента — автоматический, ручной;
  11. Габаритные размеры станка и его масса.

На базе станков с ЧПУ созданы следующие станочные модули и станочные комплексы, предназначенные для автоматизированной обработки деталей (в скобках приведены общепринятые международные обозначения систем):

ГПМ (FMM) — гибкий производственный модуль — единица технологического оборудования с системой автоматической загрузки/выгрузки деталей, локальным накопителем, транспортером деталей и инструмента;

ГАЛ — гибкая автоматическая линия — система, включающая в себя несколько ГПМ, с общими управлением от ЭВМ, транспортной системой и складом заготовок. ЭВМ выполняет функции хранения и передачи к устройству ЧПУ станков управляющих программ, а также осуществляет текущее диспетчирование и оперативное планирование;

ГПС (FMS) — гибкая производственная система — комплекс технологического оборудования и системы управления от ЭВМ, обладающий свойством автоматизированной переналадки;

ГАД (FMF) — гибкий автоматизированный цех — система, включающая в себя несколько ГАЛ и ГПМ с общими транспортной системой, складом, многоуровневой (иерархической) системой управления от ЭВМ;

A3 — автоматический завод — система, состоящая из ГАД, в том числе цеха автоматической сборки и упаковки готовой продукции. Центральная ЭВМ осуществляет управление всеми подразделениями завода и долгосрочное планирование.

Конструкции устройств ЧПУ, систем управления высокого уровня постоянно развиваются и совершенствуются. Появляется новая элементная база, расширяются технологические возможности, повышаются степень автоматизации, производительность и точность обработки. Поэтому в пособии приводятся сведения о перспективах развития систем управления и новых требованиях к профессии оператора станков с ЧПУ.

Системы ЧПУ. Термины и понятия

Металлообрабатывающим оборудованием с программным управлением называют любые виды станков для обработки металлов резанием, например токарные, фрезерные, сверлильные, шлифовальные, расточные, многоцелевые, электроэрозионные и т.п., а также другие виды оборудования для обработки металлов (листогибочные машины, дыропробивные прессы и др.), осуществляющие по заданной программе автоматическую обработку заготовок.

Управляющая программа (УП) — совокупность команд на языке программирования, соответствующая алгоритму функционирования станка по обработке конкретной заготовки.

Числовое программное управление станков — управление обработкой заготовки на станке по УП, в которой данные об обработке заданы в цифровом коде.

Программоноситель — носитель геометрических и технологических данных, на котором записана УП. В качестве носителя данных применяются бумажная или пластиковая перфолента, магнитная лента, магнитные диски, запоминающие устройства разных видов и типов.

Геометрическая информация — информация, описывающая форму, размеры элементов детали и инструмента, их взаимное расположение на столе станка.

Технологическая информация — информация, описывающая технологические характеристики детали и условия ее обработки.

Кадр УП — составляющая часть программы, вводимая и отрабатываемая как единое целое и содержащая не менее одной команды.

Покадровая работа — функционирование устройства ЧПУ, при котором отработка каждого кадра УП происходит после воздействия оператора.

Работа устройства ЧПУ с ручным вводом данных — функционирование устройства ЧПУ, при котором набор данных, ограниченный форматом кадра, выполняется вручную оператором на пульте станка.

Работа устройства ЧПУ с ручным управлением — функционирование устройства ЧПУ, при котором оператор управляет станком с пульта без использования числовых данных.

Зеркальная обработка — функционирование устройства ЧПУ, при котором рабочие органы перемещаются по траектории, представляющей собой зеркальное отображение траектории, записанной в УП.

Ввод УП — ввод данных в память устройства ЧПУ с программоносителя от ЭВМ верхнего ранга или с пульта оператора.

Групповое ЧПУ станками — числовое управление группой станков от ЭВМ, имеющей общую память для хранения программ, распределяемых по запросам от станков.

Нулевая тонка станка — точка на узле станка, принятая за начало отсчета системы координат станка.

Координата — величина, определяющая положение точки в пространстве по отношению к заданной базе или началу отсчета.

Исходная точка станка — точка на узле станка, определенная относительно нулевой точки станка и используемая для начала работы по УП.

Фиксированная точка станка — точка, определенная относительно нулевой точки станка и используемая для определения положения рабочего органа.

Точка начала обработки — точка, определяющая начало обработки конкретной заготовки.

Плавающий нуль — возможность перемещения посредством устройства ЧПУ начала отсчета перемещения рабочего органа в любое положение относительно нулевой точки.

Дискретность задания перемещения — минимальное перемещение рабочего органа (линейное или на угол поворота), которое может быть задано в УП.

Дискретность отработки перемещения — минимальное перемещение или минимальный угол поворота рабочего органа, контролируемые в процессе управления.

Максимальное программируемое перемещение — наибольшее перемещение рабочего органа, которое может быть задано в одном кадре УП.

Контурная скорость — результирующая скорость подачи рабочего органа, направление которой совпадает с направлением касательной в каждой точке заданного контура обработки.

Коррекция положения инструмента — изменение с пульта управления запрограммированных координат рабочего органа станка.

Коррекция скорости подачи — изменение с пульта оператора запрограммированного значения скорости подачи.

Коррекция скорости главного движения — изменение с пульта оператора запрограммированной частоты вращения главного привода.

Отказ устройства ЧПУ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности устройства ЧПУ.

Сбой устройства ЧПУ — событие, заключающееся в кратковременном самоустраняющемся нарушении работоспособности устройства ЧПУ.

Индикатируемый сбой устройства ЧПУ — сбой, фиксирующийся на пульте в момент его возникновения, приводящий к останову станка, т.е. к прекращению обработки детали, информация о котором высвечивается на пульте оператора.

Неиндикатируемый сбой устройства ЧПУ — сбой, не обнаруживаемый на пульте в момент его возникновения.

Станочная система ЧПУ — комплекс узлов и агрегатов, взаимодействующих между собой.

Типовой элемент замены устройства ЧПУ (ТЭЗ УЧПУ) — типовая минимальная составляющая часть устройства ЧПУ, которая при потере работоспособности может быть заменена аналогичной. Каждое устройство ЧПУ выдает управляющее воздействие на исполнительные органы в соответствии с УП и информацией о положении управляемого объекта.

Классификация систем ЧПУ

Отечественная классификация систем ЧПУ

Классификацию систем ЧПУ, применяемых в отечественном машиностроении, проводят по виду рабочих движений. Различают позиционные и контурные устройства ЧПУ.

Позиционные устройства ЧПУ — устройства, в которых рабочие органы могут перемещаться в заданные точки, а траектория перемещения от точки до точки задается только прямолинейным движением. Позиционные устройства ЧПУ составляют группу устройств, имеющих один общий признак — позиционирование, т.е. обеспечение точности останова перемещаемых рабочих органов в точке с заданными координатами. Скорость перемещения в позиционных устройствах не программируется и обусловлена только динамикой приводов станка. Позиционными устройствами ЧПУ оснащают сверлильные, координатно-расточные, токарные, фрезерные, шлифовальные и другие станки, работающие по прямоугольному циклу.

Контурные прямоугольные (коллинеарные) устройства ЧПУ — устройства, которые обеспечивают движение по одной координате. Так как в большинстве станков применяют прямоугольную систему координат, такие устройства получили название прямоугольных. В этих устройствах, так же, как и в позиционных, программируются конечные координаты перемещения, однако в УП задается скорость движения рабочего органа в соответствии с заданным режимом резания, и перемещение выполняется поочередно по каждой из координатных осей. Прямоугольные устройства ЧПУ применяют в станках фрезерной, токарной и шлифовальной групп.

Контурные (непрерывные) устройства ЧПУ — устройства, обеспечивающие перемещение рабочих органов из данной точки пространства по траектории, форма и конечные координаты которой заданы в УП. Контурными устройствами ЧПУ оснащают станки фрезерной и токарной групп, осуществляющих формообразование деталей сложной формы.

Устройства адаптивного (самоприспосабливающегося) управления ЧПУ — устройства, в которых обеспечивается автоматическое приспособление процесса обработки к изменяющимся условиям обработки по определенным критериям (скорость резания, подача, сила резания). Самоприспосабливающиеся устройства ЧПУ имеют систему контроля и регулирования, позволяющую осуществлять защиту от перегрузок двигателей главного движения и приводов подач, что обеспечивает высокое качество обработки и защищает станочную систему от поломок. Адаптивными устройствами ЧПУ оснащают фрезерные, расточные и многоцелевые станки.

Оперативная система управления (ОСУ) — устройство ЧПУ на базе микроЭВМ с подготовкой УП у станка в режиме диалога оператора с устройством ЧПУ. Оператор с помощью клавиатуры пульта устройства ЧПУ вводит данные с чертежа детали в программу управления. Оперативными устройствами ЧПУ оснащают токарные и фрезерные станки.

Другим признаком, по которому устройства ЧПУ могут быть классифицированы, является число потоков информации, циркулирующих в системе станок—устройство ЧПУ.

Система с разомкнутым контуром — устройство ЧПУ, в котором имеется только один поток информации. В таких системах отсутствуют измерительные устройства (датчики обратной связи), контролирующие перемещение рабочих органов. Точность воспроизведения движения рабочих органов с такой системой невысока и определяется точностью отработки команд двигателем привода подач и точностью кинематической цепи, передающей движение рабочему органу.

Система с замкнутым контуром — устройство ЧПУ, в котором существуют два потока информации: один вводится в устройство управления через вводное устройство от программоносителя, а другой — в устройство ЧПУ от датчиков обратной связи, определяющих действительное положение рабочих органов. При наличии рассогласования между этими потоками устройство управления воздействует на приводы подач, последние перемещают рабочие органы в нужном направлении, изменяя рассогласование до величины, близкой к нулю.

Международная классификация систем ЧПУ

В соответствии с международной классификацией все ЧПУ по уровню технических возможностей делятся на следующие классы: Различают устройства ЧПУ с постоянной (класс NC) и переменной (класс CNC) структурой.

Устройство ЧПУ класса NC (Numerical Control) основано на принципе вычислительного устройства, где все операции, составляющие алгоритм работы, выполняются параллельно с помощью отдельных цепей или устройств, реализующих ту или иную функцию (агрегатно-блочное построение). Эти устройства называют также устройствами ЧПУ с жесткой структурой. Базовые модели таких устройств (Н22 и НЗЗ) содержат микроэлектронику и при их использовании вмешательство оператора в процесс обработки весьма ограничено.

Системы ЧПУ класса NC осуществляют покадровое чтение перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки

Системы класса NC наиболее распространены. Они работают в следующем режиме. После включения станка система ЧПУ читает первый и второй кадры программы. Как только закончилось их чтение, станок начинает выполнять команды первого кадра. В это время информация второго кадра программы находится в запоминающем устройстве системы ЧПУ. После выполнения первого кадра станок начинает отрабатывать второй кадр, который выводится из запоминающего устройства. В процессе отработки станком второго кадра система читает третий кадр программы, который вводится в освободившееся от информации второго кадра запоминающее устройство

Основным недостатком рассмотренного режима работы является то, что для обработки каждой следующей заготовки из партии системе ЧПУ приходится вновь читать все кадры перфоленты. В то же время в процессе чтения перфоленты нередко возникают сбои из-за недостаточно надежной работы считывающих устройств УЧПУ. В результате отдельные детали из партии могут оказаться бракованными. Повышенная вероятность сбоев в системах класса NC объясняется также очень большим числом кадров перфоленты, поскольку для работы таких систем в программе должно быть записано каждое элементарное действие станка. Кроме того, при таком режиме работы перфолента быстро изнашивается и загрязняется, что еще более увеличивает вероятность сбоев при чтении. Наконец, если в кадре записаны действия, которые станок выполняет очень быстро, то ЧПУ за это время может не успеть прочитать следующий кадр, что также ведет к сбоям.

Устройство ЧПУ класса CNC (Computer Numerical Control (с переменной структурой) соответствует структуре управляющей ЭВМ, включающей в себя вычислительное устройство (процессор), блоки памяти и блоки ввода-вывода информации. При этом объем функций, характер проводимых операций и их последовательность определяются программами функционирования, которые введены в блок памяти.

Системы класса CNC имеют большие возможности из-за наличия в них мини-ЭВМ на основе микропроцессоров. В запоминающее устройство системы программа может быть введена не только полностью с подготовленной перфоленты, но и отдельными кадрами вручную с пульта УЧПУ. В кадрах программы могут записываться как команды на отдельные движения рабочих органов, так и команды, задающие целые группы движений, называемые постоянными циклами, которые хранятся в запоминающем устройстве СЧПУ. Это приводит к резкому уменьшению числа кадров программы и к соответствующему повышению надежности работы станка. Системы класса CNC позволяют достаточно просто в режиме диалога при отладке программ осуществлять редактирование с ручным вводом информации и с выводом ее на дисплей, а также получать откорректированную и отработанную программу на перфоленте.

Ряд систем класса CNC (или близких к нему) делают возможной работу по одной программе в различных масштабах, в режиме «матрица — пуансон», в режиме зеркального отображения и т. д. Системы допускают введение в процессе работы самых различных видов коррекций.

Обладая сравнительно низкой стоимостью, малыми габаритными размерами и высокой надежностью, системы ЧПУ на микропроцессорах позволяют заложить в систему управления новые свойства, которые раньше не могли быть реализованы. Так, например, устройство ЧПУ «Электроника НЦ-31» имеет математическое обеспечение, позволяющее учитывать и автоматически корректировать постоянные погрешности станка и тем самым влиять на совокупность причин, определяющих точность обработки. Простейшим видом этих функций системы является компенсация люфта или зоны нечувствительности приводов в направлении перемещения по координатам. Надежность и работоспособность станков с устройствами ЧПУ на микропроцессорах повышает использование систем контроля и диагностики. Функции этих систем можно разделить на контроль состояния внешних по отношению к УЧПУ устройств, проверку внутренних блоков и контроль собственно УЧПУ. Так, например, то же устройство «Электроника НЦ-31» для токарных станков имеет специальные тест-программы для проверки работоспособности всех структурных частей системы. Эти тест-программы отрабатываются при каждом включении устройства, и в случае исправности всех частей возникает сигнал готовности системы к работе. В процессе работы станка и УЧПУ тест-программы частями отрабатываются в так называемом фоновом режиме, не мешая отработке основной управляющей программы. В случае появления неисправности на табло световой индикации возникает ее код, с помощью которого по таблице устанавливают место и причину неисправности. Кроме того, система определяет ошибки, связанные с неправильной эксплуатацией устройства, с превышением параметров теплового режима, дает величину напряжения для питания и другие параметры.

Устройства класса CNC расширяют функциональные возможности программного управления: появляются функции, которые раньше не могли быть реализованы: хранение УП и ее редактирование на рабочем месте, расширение возможности индикации на дисплее, диалоговое общение с оператором, широкие возможности коррекции, в том числе и погрешностей станка, система диагностики неисправностей, возможность изменения программным способом функций системы управления при ее эксплуатации, реализация функций электроавтоматики и др.

Кроме того существуют системы ЧПУ других классов:

SNC (Stored Numerical Control) — системы ЧПУ с однократным чтением всей перфоленты перед обработкой партии одинаковых заготовок;

ЧПУ класса SNC лишены недостатков систем класса NC, они последовательно, кадр за кадром, считывают всю программу и размещают информацию в своем запоминающем устройстве большой емкости (16 килобайт и более). Перфолента читается только один раз, перед обработкой всей партии одинаковых деталей, и поэтому мало изнашивается. Управление обработкой всех заготовок осуществляется по сигналам из запоминающего устройства, что резко уменьшает вероятность сбоев, а следовательно, и брак деталей. Системы SNC позволяют осуществлять однократный ввод управляющих программ при длине перфоленты от 40 до 310 м.

DNC (Direct Numerical Control) — системы прямого числового управления группами станков от одной ЭВМ;

Создание и применение систем класса DNC связана с общей тенденцией развития современных комплексно-автоматизированных производств. В таких производствах управление работой участков, состоящих из станков с ЧПУ, транспортно-складирующих, загрузочных средств, осуществляется от центральной вычислительной машины. Однако наличие центральной ЭВМ не означает, что необходимость в устройствах ЧПУ у станков при этом полностью отпадает. В одном из наиболее распространенное вариантов построения систем DNC каждый вид оборудования на участке сохраняет свои системы ЧПУ классов NC, SNC, CNC. Нормальным для такого участка является режим работы, при котором управляющие команды на УЧПУ всех видов оборудования подаются по проводам непосредственно от ЭВМ, минуя считывающие устройства. Это приводит к повышению надежности работы каждой единицы оборудования и всего участка в целом. Одновременно автоматизируется процесс подготовки УП с помощью ЭВМ. Вместе с тем в условиях временного выхода из строя вычислительной машины такой участок сохраняет работоспособность, поскольку каждый вид оборудования может paботать от перфоленты, подготовленной заранее на случай аварийной ситуации.

HNC (Handled Numerical Control) — оперативные системы ЧПУ с ручным набором программ на пульте управления.

Подготовка и отладка управляющих программ — процесс длительный и трудоемкий. При изготовлении простых по конфигурации деталей целесообразно было бы исключить этот процесс. Такая возможность на современных станках в принципе имеется. Она реализуется при использовании режима ручного ввода данных. Однако у большинства станков в этом режиме возможен ввод с пульта только одного кадра программы с последующей его отработкой на станке. Это слишком непроизводительно. Поэтому в последнее время разработаны так называемые оперативные системы числового программного управления класса HNC с ручным вводом программ с пульта УЧПУ. Программа из достаточно большого числа кадров легко набирается и исправляется с помощью клавиш или переключателей на пульте УЧПУ. После отладки программа фиксируется до окончания обработки партии одинаковых заготовок. Системы класса HNC обеспечивают как позиционное, так и контурное управление станками.

  1. ГОСТ Р 50369—92. Электроприводы. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1993. — 16 с.
  2. Завгороднев П. И. Работа оператора на станках с программным управлением : учеб. пособие для техн. училищ / П. И. Завгороднев. — М. : Высш. шк., 1981. — 136 с.
  3. Программное управление станками и промышленными роботами : учебник / [В.Л.Косовский, Ю.Г.Козырев, А.Н.Ковшов и др.]. — М. : Высш. шк., 1989. — 272 с.
  4. Сергиевский Л. В. Пособие наладчика станков с ЧПУ / Л. В. Сергиевский, В.В.Русланов. — М.: Машиностроение, 1991. — 176 с.
  5. Соломенцев Ю. Н. Управление гибкими производственными система ми / Ю. Н. Соломенцев, В.Л.Сосонкин. — М.: Машиностроение, 1988. — 552 с.
  6. Сосонкин В. Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками / В.Л. Сосонкин. — М. : Машиностроение, 1985. — 288 с.
  7. Черпаков Б. И. Металлорежущие станки : Учебник для нач. проф. образования / Б. И. Черпаков, Т. А. Альперович. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 368 с.
  8. Числовое программное управление станками / [В.Л. Сосонкин, О. П. Михайлев, Ю. А Павлов и др.]; под ред. В. Л. Сосонкина. — М.: Машиностроение, 1981. — 398 с.
  9. Чудаков АЛ. Проектирование систем управления станками и ста ночными комплексами : гл. 1.8 // Машиностроение : энциклопедия. Т. FV-7. Металлорежущие станки и деревообрабатывающее оборудование. — М.: Машиностроение, 19

Босинзон М.А. Современные системы ЧПУ и их эксплуатация : учебник для нач. проф. образования / М. А. Босинзон ; под ред. Б. И.Черпакова. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 192 с. ISBN 978-5-7695-5184-0

Функциональные составляющие (подсистемы) ЧПУ

Сообщения 3

1 Тема от cnc-master 2014-12-17 14:37:13

  • cnc-master
  • Администратор

  • Неактивен
  • Откуда: МОСКВА
  • Зарегистрирован: 2014-12-08
  • Сообщений: 777,777,816

Тема: Функциональные составляющие (подсистемы) ЧПУ

Для того чтобы сделать из обычного станка с ручным управлением станок с ЧПУ необходимо внедрить определенные компоненты в его конструкцию. Не достаточно просто подключить станок к компьютеру, чтобы он работал по программе — необходимо модернизировать механическую и электронную «начинку» станка. Давайте посмотрим, как устроена система чпу (СЧПУ) на большинстве современных станков

Условно счпу можно разделить на три подсистемы:

подсистему обратной связи

Подсистема управления
Центральной частью всей ЧПУ является подсистема управления. с одной стороны она читает управляющую программу и отдает команды различным агрегатам станка на выполнение тех или иных операций. С другой стороны взаимодействует с человеком, позволяя оператору станка контролировать процесс обработки.
Сердцем подсистемы управления является контроллер (процессор), который обычно расположен в корпусе стойки чпу. Сама стойка имеет набор кнопок и экран (все вместе называется пользовательским интерфейсом) для ввода и вывода необходимой информации.
Системы управления могут быть как закрытыми, так и открытыми, пк — совместимыми. Закрытые системы управления имеют собственные алгоритмы и циклы работы, собственную логику. Производители таких систем, как правило, не распространяют информацию об их архитектуре. Скорее всего, вы не сможете самостоятельно обновить программное обеспечение и редактировать настройки такой системы. У систем закрытого типа есть важное преимущество — они, как правило, имеют высокую надежность, так как все компоненты системы прошли тестирование на совместимость.
В последнее время стало появляться все больше открытых. ПК — совместимых систем управления. их аппаратная начинка практически такая же, как и у вашего домашнего персонального компьютера. Преимущество такого метода — в доступности и дешевизне электронных компонентов, большинство из которых можно приобрести в обычном компьютерном магазине. однако есть и недостаток. пока считается, что надежность таких систем ниже, чем у закрытых систем управления.

рис. 1.5.
Подсистема приводов

Подсистема приводов включает в себя различные двигатели и винтовые передачи для окончательного выполнения команд подсистемы управления — для реализации перемещения исполнительных органов станка.

Высокоточные ходовые винты
Важными компонентами подсистемы приводов являются высокоточные ходовые винты. Вы наверное, знаете, что на станке с ручным управлением рабочий, вращая рукоятку, соединенную с ходовым винтом, перемещает рабочий стол. На днище стола укреплена гайка таким образом, что при повороте винта происходит линейное перемещение стола.
Усовершенствованный ходовой винт станка с чпу позволяет выполнять перемещение исполнительного органа с минимальным трением и практически без люфтов. Устранение люфта очень важно по двум причинам.
Во-первых, это необходимо для обеспечения сверхточного позиционирования.
Во-вторых, только при соблюдении этого условия возможно нормальное попутное фрезерование.

Двигатели

Второй составляющей подсистемы является двигатель (а точнее — несколько двигателей). Вращение вала двигателя приводит к повороту высокоточного ходового винта и линейному перемещению рабочего стола или колонны. В конструкции станков используются шаговые электродвигатели и серводвигатели.
Шаговый электродвигатель — это электромеханическое устройство, преобразующее электрический сигнал управления в дискретное механическое перемещение. Существует несколько основных видов шаговых двигателей, отличающихся конструктивным исполнением:

шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

шаговые двигатели с постоянным магнитным сопротивлением.

Принцип работы у всех этих двигателей примерно одинаков и достаточно прост.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлениемимеет несколько полюсов на статоре и ротор из магнитно-мягкого материала(реактивный ротор). На рисунке 1.6 показан двигатель, имеющий шесть полюсов на статоре, ротор с четырьмя зубьями и три независимые обмотки, каждая из которых приходит на противоположные полюса статора.
При подаче электрического тока в одну из обмоток, ротор стремиться занять положение, при котором возникший магнитный поток будет замкнут.
То есть зубья ротора будут находиться прямо напротив тех полюсов статора, на обмотки которого подан ток. Если выключить ток в этой обмотке и подать его в следующую обмотку, то ротор повернется, чтобы в очередной раз замкнуть магнитный поток своими зубьями. для непрерывного вращения ротора необходимо попеременно подавать электрический ток в 1. 2 и 3 обмотки, при этом шаг вращения для представленного двигателя составит 30 градусов.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами состоит из статора с обмотками и ротора с постоянными магнитами. На рисунке 1.7 показан двигатель. имеющий две пары полюсов статора и три пары полюсов ротора. При подаче электрического тока в одну из обмоток, ротор займет положение, при котором разноименные полюса статора и ротора буду находиться напротив друг друга. Для непрерывного вращения ротора необходимо попеременно подавать электрический ток в 1 и 2 обмотки, при этом шаг вращения составит 30 градусов.

Большинство современных шаговых электродвигателей являются гибридными, то есть сочетают достоинства двигателей с переменным магнитным полем и двигателей с постоянными магнитами, имеют гораздо большее число полюсов статора и зубьев ротора, что обеспечивает меньший шаг вращения.

Когда подсистема у правления посылает шаговому двигателю электрический импульс, то происходит поворот на определенный угол, который зависит от конструкции двигателя (например. 0.7 град). Если ходовой винт имеет шаг 1 мм, то один импульс заставит исполнительный орган станка линейно переместиться на 0.7/360 x 1=0.0019 мм. Эта величина называется разрешением системы или ценой импульса. Нельзя переместить исполнительный орган на величину меньшую, чем разрешение системы. Таким образом, вы видите, что существует прямая взаимосвязь между двигателем, ходовым винтом и точностью перемещений станка.
Простота конструкции и легкость у правления сделали шаговые электродвигатели очень популярными. Основным минусом двигателей этого типа является их толчковая или дискретная работа, которая может привести к ухудшению качества чистовой обработки поверхностей и эффекту «ступенек» при выполнении обработки по наклонной прямой или дуге. Однако шаговые двигатели могут работать без использования дорогостоящей и сложной обратной связи. это позволяет создавать недорогие, пускай и не высокоточные станки.
Самые современные станки с ЧПУ очень редко оснащаются шаговыми двигателями. На смену им пришли серводвигатели, которые имеют более сложную конструкцию. Серводвигатели, в отличие от шаговых двигателей, работают гладко, имеют лучшие характеристики, но ими тяжелее управлять.
Для работы с серводвигателем необходимо наличие специальных контроллеров и устройств обратной связи, что естественно приводит к увеличению стоимости станка.

Подсистема обратной связи

Подсистема обратной связи главным образом призвана обеспечивать подсистему управления информацией о реальной позиции исполнительного органа станка и о скорости двигателей. Подсистема обратной связи может быть открытого или замкнутого типа.

Системы открытого типа регистрируют наличие или отсутствие сигнала из подсистемы управления. к сожалению, они не могу т дать информации о реальной позиции исполнительного органа и скорости двигателей, поэтому в современных станках с чпу практически не используются.

Системы замкнутого типа используют внешние датчики для проверки необходимых параметров.

Обеспечение прямого управления станками с ЧПУ в системе ГеММа-3D

Владимир Вермель, Сергей Зарубин

Внедрение CAD/CAM-систем на машиностроительных предприятиях создает основу для существенного усложнения проектируемых изделий. По создаваемым математическим моделям изделий достаточно оперативно может быть разработана технологическая оснастка (пресс-формы, штампы, литейные формы и др.) для их производства и управляющие программы для обработки на станках с ЧПУ. Возможности современных CAD/CAM-систем позволяют получить программы на обработку изделий практически любой сложности с точностью и чистотой, ограниченной только возможностями станочного оборудования и применяемого инструмента. Наряду с этим, объем управляющих программ становится чрезвычайно большим и может достигать нескольких десятков килобайт. Использование бумажной перфоленты — традиционного носителя информации — для станков с ЧПУ, для размещения управляющих программ становится неприемлемым в связи с малой емкостью ленты, медленным вводом-выводом информации (что является особенно критичным), низкой надежностью. Последнее обусловлено низкими механическими характеристиками бумажной ленты (коробление при хранении, замасливание в процессе эксплуатации, обрывы), а также низкой надежностью используемых периферийных устройств (перфораторы, считывающие устройства).

В последние годы станки с ЧПУ оснащаются устройствами, обеспечивающими передачу информации на магнитных и электронных носителях — гибких дисках, кассетах внешней памяти, переносных ПК типа notebook. Эффективность их применения в интенсивно работающих производствах ограничена. Во-первых, хотя надежность данных устройств более высока, чем у перфоленты, но ниже, чем при использовании проводной связи. Сбои обусловливаются загрязнениями от масла и пыли, разбалтыванием (износом) штепсельных разъемов, порчей дополнительных движущихся элементов (дисководов), присоединяемых к станкам. Во-вторых, при передаче программ большого объема необходимо их деление на части в соответствии с располагаемым объемом памяти устройства управления станка с ЧПУ, что резко усложняет применение переносных устройств. В-третьих, затрудняется архивирование управляющих программ, проведение их изменений и т.д.

Другая проблема связана с тем, что возрастание объема управляющих программ, характерное для обработки с повышенной точностью и чистотой, приводит к существенному увеличению времени ввода управляющей программы в устройства управления станком с ЧПУ (УЧПУ) и ее «электронной» обработки, выполняемой УЧПУ при формировании управляющих воздействий на приводы станка. Так, для современной системы УЧПУ «Сименс-535» время обработки кадра составляет приблизительно 0,005 секунд. Объем программы для чистового фрезерования пуансона литьевой формы на изготовление кресла для стадиона составляет 4,9 Мбайт. Электронная обработка программы такого объема (без движения инструмента) составит 6-8 часов, то есть будет отставать от реальной физической обработки и затормозит ее.

Таким образом, повышение точности и производительности обработки сложных поверхностей, с одной стороны, требует радикального повышения надежности передачи подготовленных управляющих программ в устройства управления станков с ЧПУ, а с другой — максимально возможного сокращения объемов управляющих программ.

Рассмотрим последовательно основные компоненты программно-технического обеспечения прямого управления станками с ЧПУ.

Архитектура системы DNC

Разработанная система DNC представляет собой локальную цеховую сеть в схеме «звезда», в середине которой находится центральный компьютер типа IBM PC. К ней подключается устройство распределенного обмена информацией со станками (мультиплексор).

Мультиплексор связывается кабельной сетью с контроллерами приема-передачи данных, непосредственно подключаемых к УЧПУ станков.

Контроллеры могут быть подключены к устройствам управления станками по всем доступным каналам — параллельно фотосчитывающему устройству; к каналам синхронной передачи данных; параллельно накопителям на магнитных дисках и кассетам внешней памяти; параллельно клавиатуре. Коммуникация мультиплексора и контроллеров осуществляется по двум витым парам (четыре жилы на один контроллер) с сечением 0,3 мм. Расчетное удаление мультиплексора от станков составляет до 600 м. Помехозащищенность сети достаточна для работы в цеховых условиях, включая прокладку вблизи высокочастотных генераторов электроэрозионных станков.

Контроллеры разработаны на базе микро-ЭВМ, снабжены энергонезависимой ОЗУ, обеспечивающей хранение управляющих программ объемом до 4 тыс. кадров, индикатором и клавиатурой. Объем памяти определяется системой управления станка — при наличии собственной памяти у системы управления станком объем памяти контроллера может быть существенно уменьшен. Современная реализация обеспечивает работу со всеми известными системами управления станков с ЧПУ разных лет выпуска, отечественными и зарубежными (рис. 1).

Контроллер выполняет следующие функции:

  • запрос программы, выполняемый оператором станка с помощью клавиатуры;
  • контроль передачи данных;
  • хранение программ в энергонезависимой памяти;
  • ввод программ в устройство управления станка;
  • обратную передачу программ из устройства управления станка или из собственной памяти в управляющий компьютер.

По сравнению со средствами передачи данных на магнитных носителях (магнитные ленты и диски, кассеты внешней памяти, портативные ПК) реализация связи с использованием проводной сети является более дорогой. Однако она существенно превосходит их по характеристикам надежности, эргономичности (оператор станка в нашей реализации имеет непосредственный доступ к архивам управляющих программ на цеховом компьютере, сервере или компьютере технологов-программистов при их сопряжении в сеть), возможностям организации современного программного сервиса.

Технические средства DNC создали основу для разработки программного обеспечения, образующего совместно с ними современное эффективное инструментальное обеспечение управления оборудованием с ЧПУ.

Программное обеспечение DNC

Необходимость программирования для широкого парка станков и их систем управления привела к универсальной форме управляющих программ, формируемых в CAD/CAM-системах высокого уровня. Управляющие программы для станков с ЧПУ формируются в инвариантном коде, близком для различных CAD/CAM-систем. Данное обстоятельство позволило разработать программное обеспечение DNC, ориентированное на совместное использование со всеми наиболее известными CAD/CAM-системами высокого уровня.

ПО DNC включает в себя (рис. 2) графический редактор управляющих программ, позволяющий вывести изображение траектории движения инструмента и технологических параметров, а также текст программы на ПК типа IBM PC. Это может быть цеховой компьютер, в фоновом режиме управляющий станками с ЧПУ, или специализированный сервер (фронтальная ЭВМ), используемый для постпроцессирования (преобразование в коды конкретных систем управления) управляющих программ, или ПК технолога-программиста. Для визуального контроля управляющих программ в станочных кодах предназначен другой графический редактор, который позволяет оператору станка с ЧПУ ознакомиться с программой перед ее выполнением, провести имитацию обработки и внести определенные коррективы в текст программы: изменить технологические параметры обработки, отдельные участки траектории перемещения инструмента, точки начала и конца обработки, технологического останова. Пример работы редактора управляющих программ для программы гравировки клише памятного знака с гербом города Москвы, полученной в системе ГеММа-3D, показан на рис. 3. На рисунке видны главное меню редактора, графическое и текстовое окна, в которых выводится изображение траектории обработки, а также текст управляющей программы.

Генератор постпроцессоров позволяет пользователям самостоятельно создавать постпроцессоры для нового оборудования. Типичным режимом работы в этом случае является выбор наиболее подходящего постпроцессора из библиотеки с его последующей доработкой. Архив управляющих программ позволяет размещать программы в инвариантных кодах, подготовленные в известных CAD/CAM-системах, программы в кодах станков, а также программы, полученные непосредственно на станках с ЧПУ (например, в результате сканирования макетов детали или набора на пульте). Архив может целиком размещаться на диске управляющего компьютера или быть распределенным между цеховым ПК, ПК разработчиков управляющих программ, сервером локальной сети и др. Генератор и библиотека постпроцессоров также могут размещаться на цеховом компьютере, управляющем работой станков с ЧПУ, или распределяться по рабочим местам технологов-программистов. Они также могут быть сосредоточены на каком-либо фронтальном ПК, специализированном на постпроцессировании управляющих программ.

Особое значение для эффективного управления станком с ЧПУ имеет отработка исходной траектории движения инструмента. Традиционная траектория инструмента, формируемая в известных CAD/CAM-системах, представляет собой кусочно-ломаную линию, фрагмент которой показан на рис. 4а. Существенное повышение за последние годы характеристик точности станков с ЧПУ обусловливает необходимость повышения точности воспроизведения обрабатываемой поверхности в управляющих программах. Эта цель достигается за счет загущения отрезков в траектории движения инструмента. Наряду с этим наличие изломов траектории при обработке с повышенными подачами требует введения торможения при их прохождении для исключения возможных динамических ошибок. В результате эффективная подача может заметно снижаться по сравнению с расчетной. Соответственно возрастает и время обработки.

В определенной мере решением данных проблем становится гладкая аппроксимация исходной траектории обработки при ее постпроцессировании кривыми, движение по которым заложено в конкретных УЧПУ. Реализованная в модуле, включаемом в программное обеспечение DNC, гладкая аппроксимация траектории обработки, используя заложенные в устройствах управления станков возможности интерполяции, позволяет заменить ломаную на гладкую совокупность дуг окружностей (рис. 4б; для плоских траекторий), пространственных отрезков винтовых линий (рис. 4в), сплайнов различного типа (рис. 4г).

Для некоторых типов систем управления станками, которые принципиально не позволяют осуществлять передачу больших программ в режиме подкачки, в базовое программное обеспечение введены средства деления управляющих программ. С помощью нескольких определенных макропараметров конечные пользователи в состоянии настроить модуль деления программ на любую конкретную систему управления.

Разработанное сетевое программное обеспечение DNC осуществляет диспетчеризацию обменов с контроллерами станков, связь с сетевым программным обеспечением предприятия, обеспечение доступа операторов станков с ЧПУ к архиву управляющих программ, расположенному на цеховом ПК или распределенному по сети. Сетевое программное обеспечение также контролирует правильность передачи информации к контроллерам станков. При необходимости осуществляется повторная передача блоков, в которых были обнаружены сбои. Также ведется протокол взаимодействий со станками с фиксацией замеченных сбоев и отказов.

Сетевое программное обеспечение DNC может работать как в среде MS-DOS, так и Windows 95/98/NT.

Передача управляющих программ в УЧПУ станков осуществляется в двух основных режимах.

Для УЧПУ, обеспечивающих покадровое или поблочное исполнение управляющих программ, используется динамическая загрузка («подкачка»). В ней по мере исполнения загруженного сегмента управляющей программы формируется запрос и загружается следующий сегмент и т.д.

Для УЧПУ, ориентированных на выполнение только загруженных завершенных программ, осуществляется загрузка всей управляющей программы в память УЧПУ.

Для управляющих программ с объемом, превышающим объем памяти УЧПУ, может быть выполнено автоматическое деление на сегменты — ряд программ с общей точкой технологического останова. Деление выполняется по заданному объему или по времени обработки, указанному пользователем. Для того чтобы на рабочей поверхности не оставалось следов отхода, деление может быть осуществлено в точках излома траектории.

Опыт применения программно-технических средств DNC

Опыт эксплуатации рассмотренного варианта программно-технических средств DNC подтверждает их высокую эффективность. Радикально возрастает надежность управления станками с ЧПУ при исключении бумажной перфоленты. По оценкам специалистов, за счет исключения сбоев в перфорации и последующем считывании информации на перфоленте программ большого объема, а также за счет скорости обмена — для трех фрезерных действующих станков достигается экономия рабочего времени, эквивалентная применению четвертого станка. Данная оценка подтверждается специалистами Раменского приборостроительного завода. Чрезвычайно важными оказываются сервисные программные средства, размещаемые на управляющем ПК в непосредственной близости от рабочих мест операторов станков с ЧПУ. Прежде всего, графический редактор, позволяющий наглядно представить программу обработки (особенно для программ, хранящихся продолжительное время в архиве) и внести в них необходимые коррективы. Архив управляющих программ обеспечивает упорядоченное хранение информации, ее модификацию и замену. Работа с архивом, заполнение его подготовленными программами и их передача на станок могут осуществляться как в сетевом, так и в изолированном цеховом варианте использования. Наличие энергонезависимой памяти в контроллерах повышает надежность работы и создает дополнительные удобства оператору станков с ЧПУ. С одной стороны, минимизируется обращение к управляющему компьютеру, с другой — достигается автономность работы станков с программами, размещенными в памяти контроллеров, включая возможность их остановки в перерывах на обед, между сменами и др.

К настоящему времени данная разработка внедрена более чем на 100 предприятиях стран СНГ различного профиля. Достигнутая надежность работы программного обеспечения и оборудования составляет 1,5-3 года наработки на отказ.

Глава 4. Станки с адаптивным программным управлением

4.1. Эволюция принципов и систем управления станками

Принципы цифрового программного и адаптивного управления все шире применяются для расширения функциональных возможностей, улучшения качества работы и увеличения производительности многих видов технологического оборудования. Среди этого оборудования важную роль играют станки и обрабатывающие центры, служащие для механической обработки. На каждый такой станок или обрабатывающий центр возлагается функция формообразования изделия путем управляемого изменения взаимного положения заготовки и обрабатывающего инструмента. Эта функция реализуется либо за счет перемещения заготовки при неподвижном инструменте (как это принято в токарных станках), либо за счет движения инструмента при неподвижной заготовке (как в сверлильных станках), либо за счет одновременного перемещения инструмента и заготовки (как это бывает при фрезерной обработке). В станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и с адаптивным программным управлением (АПУ) требуемые движения инструмента или заготовки обычно обеспечивается прецизионной системой сервоприводов, обрабатывающих заданную программу обработки.

Терминология в области систем ЧПУ станков устанавливается ГОСТ 20523-80. Согласно этому стандарту, управляющей программой называется совокупность команд, реализующая алгоритм обработки детали на языке программирования. Устройством ЧПУ называется автоматическое устройство, формирующее управляющие воздействия на исполнительные приводы в соответствии с заданной управляющей программой и сигналами обратной связи о состоянии станка. Наконец, системой ЧПУ называется устройство ЧПУ вместе с необходимым программным обеспечением, обеспечивающим автоматическое управление станком в соответствии с заданной программой.

Современные системы ЧПУ принято делить на два класса: системы с жесткой (постоянной) структурой и системы с гибкой (программируемой) структурой.

В системах ЧПУ с жесткой структурой все функции управления (алгоритмы интерполяции, типовые циклы и т. п.) реализуются аппаратно. Примерами таких систем могут служить отечественные системы ЧПУ «Контур-2ПТ» и Н-22 (для токарных станков), «Контур-ЗП» и Н-33 (для фрезерных станков), «Размерам» и П-33 (для координатно-расточных станков). В этих системах управляющая программа обычно кодируется на перфоленте и вводится в устройство ЧПУ.

Системы ЧПУ с постоянной структурой в обозначениях международного стандарта ISO относятся к типу NC (Numerical Control). Они обладают рядом недостатков. Так, хранение управляющей программы на перфоленте и ее ввод по частям (кадрам) существенно снижает надежность систем ЧПУ: около 70 % сбоев в NC-системах приходится на работу с перфолентой. Кроме того, затруднено «переобучение» станка новым технологическим операциям из-за необходимости всякий раз заново перебивать перфоленту.

В связи с появлением в 1970-х годах микропроцессоров и микроЭВМ системы ЧПУ стали строить на их основе. При этом программирование алгоритмов управления станком свелось к составлению и отладке управляющей программы на языке программирования микроЭВМ. Изменение алгоритмов управления приводит к простому перепрограммированию системы ЧПУ на базе микроЭВМ. Тем самым обеспечивается высокая гибкость и универсальность систем ЧПУ.

Системы ЧПУ на базе микроЭВМ относятся к классу систем ЧПУ с гибкой (программируемой) структурой. В международной классификации ISO эти системы получили название CNC (Computerised Numerical Control). CNC-системы являются многоцелевыми, поэтому они позволяют унифицировать функции автоматического управления станками и уменьшить число различных модификаций систем ЧПУ.

Гибкость компьютерных систем ЧПУ делает их эффективным средством управления не только станками, но и другим оборудованием РТК (роботами, складами и т. п.), поэтому CNC-системы широко используются в системах управления РТК и ГАП. Отечественная промышленность освоила серийный выпуск различных систем ЧПУ типа CNC. К ним, в частности, относятся системы 2У-32, 2С-42, 2Р-22, НЦ-80-31 и «Размер-4». В ближайшие годы производство CNC-систем резко возрастет.

Системы ЧПУ типа CNC имеют несколько разновидностей: HNC (Hand NC) — системы с ручным заданием управляющей программы с пульта программирования; SNC (Speicher NC) — системы с хранением управляющей программы в ОЗУ; VNC (Voice NC) — системы с речевым управлением и т. д.

Следующий этап развития систем управления станками связан с желанием исключить перфоленту как программоноситель и объединить функции программирования и управления в единой системе. В связи с этим появились универсальные цифровые системы управления на базе микро- и мини-ЭВМ, которые связывают станок непосредственно с ЭВМ без промежуточного программоносителя. За такими системами утвердился международный шифр DNC (Direct NC). Они так же, как и CNC-системы, относятся к классу систем с гибкой (программируемой) структурой. Основными достоинствами DNC-систем являются:

  1. увеличение производительности станков (за счет более совершенных алгоритмов управления и ускорения ввода программы обработки);
  2. повышение надежности и упрощение обслуживания (за счет устранения устройств ввода перфолент);
  3. увеличение гибкости, упрощение программирования и расширение функциональных возможностей (за счет программирования на языках высокого уровня и возможности замены или коррекции отдельных программных модулей;
  4. возможность самоконтроля и самодиагностики (за счет использования специальных контрольных и диагностических программ);
  5. возможность адаптации (за счет самоорганизации структуры I и самонастройки параметров управляющих программ);
  6. возможность определения и хранения в базе данных таких параметров процесса обработки, как количество брака, время простоев, степень износа инструмента й т. п.;
  7. возможность простой стыковки с системой управления РТК или ГАП.

Недостатком DNC-систем на базе мини-ЭВМ является сравнительно высокая стоимость и большие габариты. В связи с этим сначала считалось, что индивидуальное использование мини-ЭВМ для ЧПУ станком слишком дорого и можно обойтись более простыми системами ЧПУ типа NC и CNC. Что же касается DNC-систем, то их предполагалось использовать для ЧПУ группой станков. Согласно стандарту США EIA DNC-система трактуется как «система, содержащая некоторое число станков с ЧПУ, объединенных общим запоминающим устройством для хранения программ, запрашиваемых для управления станками».

Обычно станки с ЧПУ специализируются на выполнении какой-либо одной группы технологических операций: фрезеровании, сверлении и т. п. Вследствие этого значительная доля рабочего времени затрачивается на передачу детали с одного станка на другой, а доля времени работы системы ЧПУ очень мала (менее 20 % полного цикла обработки). Для устранения этих потерь были разработаны много операционные станки с ЧПУ, получившие название «обрабатывающих центров». Основная идея, реализуемая в таких станках, заключается в том, чтобы осуществлять всю обработку изделия с одной установки в рабочей зоне — центре обработки. Для этого станок снабжается несколькими шпинделями, магазином инструментов и устройством автоматической смены инструмента при переходе с одних операций на другие. В результате получается универсальный комбинированный станок, объединяющий возможности нескольких различных специализированных станков с ЧПУ. Для управления такими сложными обрабатывающими центрами обычные NC- и CNC-системы зачастую непригодны. Наиболее адекватным средством ЧПУ или АПУ такими много операционными станками являются DNC-системы, обладающие необходимыми быстродействием и памятью.

Современные системы ЧПУ типа CNC и DNC обычно ориентированы на определенный вид обработки и соответствующий ряд станков. В этом проявляется их универсальность по отношению к определенному классу технологических задач и используемого оборудования. Однако отсутствие точного адреса станка, для которого предназначена данная система ЧПУ, вызывает необходимость согласования их характеристик в каждом конкретном случае. Информационной основой такого согласования могут служить априорные сведения о специфических особенностях станка и системы ЧПУ, данные предварительных измерений и исследований, а также сигналы обратной связи от станка в процессе его эксплуатации.

На практике задача согласования решается посредством адаптации системы ЧПУ к данному станку. Для этого в системах ЧПУ типа CNC и DNC, использующих в своем составе микро- или мини-ЭВМ, выделяются две специальные области памяти, которые закрепляются за станочными параметрами и параметрами системы ЧПУ. Присваивая определенные значения этим параметрам, можно уточнить или ограничить функции ЧПУ, скорректировать управляющие программы, скомпенсировать неопределенности и возмущения, настроить подсистемы контроля и диагностики и т. п.

Полный набор параметров станка и системы ЧПУ, нуждающихся в согласовании, достигает нескольких десятков или сотен, поэтому согласование «вручную» чрезвычайно трудоемко и далеко не оптимально. Трудности усугубляются тем, что согласуемые параметры разнородны (функциональные переменные, константы, двоичные признаки) и сильно различаются по назначению (условный или безусловный переход, блокировка, задание границ изменения переменной и т. д.), по характеру ввода (однократный при стыковке системы ЧПУ с данным станком и непрерывный при самонастройке параметров системы ЧПУ в процессе эксплуатации) и по доступности (доступны наладчику, требуют дополнительных измерений и испытаний). Для преодоления возможных трудностей необходимы дальнейшие исследования по классификации и систематизации согласуемых параметров, организации банков данных и созданию программных средств автоматического приспособления (адаптации) системы управления к конкретному станку и условиям его эксплуатации в составе РТК или ГАП.

Главными достоинствами адаптивных систем DNC являются возможность составления и корректирования программ движения непосредственно в процессе работы станка, способность автоматической компенсации погрешностей и возмущений, а также возможность автоматической диагностики неисправностей. Алгоритмы программирования движений, самонастройки законов управления и диагностики неисправностей реализуются в виде прикладного программного обеспечения для мини-ЭВМ.

Создание DNC-систем на базе мини-ЭВМ открывает новые перспективы и широкие возможности для реализации адаптивного и даже интеллектуального управления станками. Необходимость перехода к адаптивному управлению на практике диктуется тем, что многие параметры и условия, определяющие режим обработки, могут непредсказуемо изменяться. Эта изменчивость условий и вариативность параметров приводит к потере точности обработки, к автоколебаниям и, как следствие, к быстрому изнашиванию или даже поломке инструмента. Для компенсации указанных неблагоприятных явлений и служит адаптация. Она заключается либо в автоматической коррекции программы обработки (например, с учетом износа инструмента), либо в самонастройке структуры или параметров закона управления приводами станка с целью обеспечения заданного характера затухания переходных процессов при реализации требуемой программы обработки.

Важную роль при разработке систем АПУ станков и обрабатывающих центров играет активный контроль размеров обрабатываемой детали и инструмента. Наряду с выносным контролем (на базе координатно-измерительных машин и роботов) все шире применяется и оперативный встроенный контроль. Для его организации используются различные средства контроля и измерения: ультразвуковые, тактильные, телевизионные, оптические (в том числе лазерные и голографические) и другие виды датчиков. Организация обратных связей по сигналам, снимаемым с этих датчиков, и адаптивная коррекция коэффициентов усиления в каналах обратной связи позволяет существенно повысить эффективность управления станком в изменяющихся производственных условиях. Такие условия особенно характерны для ГАП.

Дальнейшее совершенствование станков с адаптивным управлением связано с введением в DNC-системы элементов искусственного интеллекта. Сегодня уже ведутся интенсивные исследования в области интеллектуального управления станками. При этом значительное внимание уделяется визуальному контролю качества обработки, распознаванию ситуаций (например, аварийных ситуаций типа поломки инструмента), планированию технологических операций и оптимизации режимов обработки в не детерминированной рабочей обстановке.

Комплексирование станков и роботов с общим программным, адаптивным или интеллектуальным управлением от ЭВМ позволяет создавать РТК новых типов и поколений. Эти адаптивные РТК представляют собой основное технологическое оборудование как для некоторых современных, так и для многих перспективных ГАП.

В общем случае система автоматизации программирования (САП) станков состоит из двух основных элементов: станочно-ориентированного языка программирования и собственно системы программирования на ЭВМ.

Язык программирования включает словарь исходных данных и понятий, связанных с конструкцией станков и технологией обработки, и правила написания текстов программ обработки. Идеальный язык программирования должен быть достаточно универсальным и вместе с тем простым в применении. Он должен, по возможности, учитывать разнообразие технологий обработки и функций управления, которые постоянно расширяются. Современные языки программирования должны иметь средства для описания и использования информации от датчиков (например, от датчиков моментов и средств технического зрения) для адаптивной коррекции программы обработки или управляющих воздействий.

Система программирования состоит из комплекса системных (сервисных) и прикладных программ для ЭВМ, представляющих собой программное обеспечение. В процессе работы САП станка эти программы заносятся в оперативную память компьютера и осуществляется ввод и интерпретация (расшифровка содержания) текста программы обработки. После необходимых вычислений результаты кодируются в виде управляющей программы, ориентированной на конкретный станок.

Появление в последние годы DNC-систем на базе мини-ЭВМ открыло принципиально новые возможности для построения систем АПУ станками. Такие DNC-системы позволяют программно реализовать алгоритмы адаптивного управления практически любой сложности. Для изменения алгоритмов управления достаточно изменить соответствующие программы мини- ЭВМ.

Системы АПУ типа DNC относятся к классу систем с гибкой (перепрограммируемой) структурой. Они настраиваются на обработку определенной детали выбором соответствующих программ адаптивного управления, хранящихся в ПЗУ. При этом широко используются программные средства автоматизации программирования и диагностики неисправностей, которые органически сочетаются со средствами адаптивного управления приводами. Благодаря наличию всех этих средств на одной и той же мини-ЭВМ резко сокращается время программирования и увеличивается эффективность и надежность DNC-системы АПУ, что особенно важно в условиях ГАП с большой номенклатурой изделий.

Автоматическое программирование систем АПУ обычно производится непосредственно перед началом обработки. В ряде случаев процесс программирования упрощается, так как вместо полного задания технологии обработки детали достаточно задать лишь основные параметры технологических операций. Так, например, для сверления отверстий радиуса r, центры которых расположены на окружности радиуса R (R>2r), достаточно задать величины r и R, а также угловые координаты расположения отверстий относительно координатной оси. Для сравнения заметим, что при изготовлении программы на перфоленте для обычной NC-системы программист должен предварительно рассчитать координаты всех точек сверления и соответствующим образом их закодировать. Мини-ЭВМ в DNC-системах выполняет подобные вспомогательные операции автоматически.

Программирование систем АПУ типа DNC обычно производится на языках типа ФОРТРАН и БЕЙСИК. Программное обеспечение (ПО) мини-ЭВМ состоит из общесистемного и прикладного. Общесистемное ПО включает также сервисные программы, как программу загрузки, программу-диспетчер, программу распечатки листингов данных для их кодирования на перфоленты и т. п. Эти программы неизменны для данного станка с АПУ на базе мини-ЭВМ.

В отличие от них прикладные программы существенно зависят от изготовляемой детали и используемых инструментов. Эти программы часто формируются в виде программных модулей, реализующих типовые операции, или их комбинаций. Основными модулями систем АПУ являются: модуль построения и оптимизации программы обработки, модуль адаптивного управления, модуль контроля качества обработки, модуль диагностики и вы-дачи предупреждающих (в том числе и аварийных) сигналов, модуль контроля за износом инструмента. Все эти программы и модули обычно хранятся в энерго-защищенном ПЗУ, что исключает возможность их стирания при отключении энергопитания.

Важным преимуществом DNC-систем является наличие развитых средств диалогового общения оператора с системой АПУ. Это позволяет корректировать и редактировать управляющие программы непосредственно на станке без использования специальных средств кодирования и языков программирования посредством введения в программу необходимых изменений в натуральных величинах (например, изменение скорости шпинделя в об/мин или подачи в мм/об). В недалеком будущем диалоговые средства общения превратятся в интеллектуальный интерфейс на базе видеотерминалов или систем речевого управления.

Наличие микроЭВМ в системе АПУ позволяет необычайно расширить ее функциональные возможности. Например, можно оптимизировать последовательность обхода позиций сверления (при позиционном управлении), интерполировать траектории фрезерования (при контурном управлении), компенсировать люфты в редукторах посредством вычисления необходимых программных коррекций и т. п.

DNC-системы позволяют программно реализовать адаптивные законы управления приводами станка. Для этого нужно разомкнуть обычные локальные обратные связи в приводах и завести их через интерфейс ввода в мини-ЭВМ, которая на основе получаемой информации синтезирует тот или иной закон адаптивного управления всеми приводами одновременно. Эти законы позволяют обеспечить высокое качество (по точности, быстродействию, отсутствию колебаний и т. п.) переходных процессов в ходе отработки заданной программы при наличии непредсказуемых возмущений и помех, замедлить или ускорить подачи в зависимости от режима обработки или физико-механических свойств детали и т. д.

Использование мини-ЭВМ позволяет программно реализовать алгоритмы автоматического контроля и диагностики. Диагностическая программа служит для обнаружения неисправностей в системе АПУ, а также в станке и периферийном оборудовании. С этой целью текущая информация о состоянии всей аппаратуры постоянно сравнивается с информацией о ее нормальном состоянии, которая хранится в памяти мини-ЭВМ. Получаемая при этом информация о характере и месте неисправности выводится на видеотерминал или устройства печати. Оперативное исправление обнаруженных неполадок способствует сокращению простоев в станке и, следовательно, увеличивает его производительность.

Одна из первых систем диагностики на базе мини-ЭВМ была разработана в 1974 г. фирмой «Керни энд Трекер» (Кету and Treker, США) [24]. Она обеспечивала обнаружение неисправностей и профилактическое обслуживание много операционных станков. В этой системе индивидуальные мини-ЭВМ станков подключены к центральной ЭВМ диагностического центра, обслуживающего 60 станков. Использование такой системы диагностики в производственных условиях позволило сократить время простоев станков на 95 %.

Другая система диагностики была программно реализована на мини-ЭВМ PDP-11, служащей для управления одним или несколькими станками по шести координатам. Эта DNC-система была разработана в 1973 г. исследовательским центром МТИРА (MTIRA, США) [24].

Неисправности, обнаруживаемые диагностической программой, делятся на два класса: катастрофические и ординарные. К катастрофическим неисправностям относятся отказ приводов подач или шпинделей, обесточивание ограничивающих путевых выключателей и т. п. При обнаружении таких отказов DNC-система автоматически переводится в аварийный режим вплоть до устранения неисправности. К ординарным неисправностям относятся ошибки управления, ведущие к потере точности. Одним из эффективных средств устранения таких ошибок является адаптивная настройка коэффициентов усиления сервоприводов по сигналам обратной связи. В системе предусмотрена возможность отображения обнаруженных ошибок на видеотерминале.


САП делятся на универсальные и специализированные. Универсальные САП предназначены для подготовки управляющих программ применительно к широкому классу станков, имеющих одинаковое или различное технологическое назначение. Специализированные САП ориентированы на небольшую группу станков с вполне определенной системой ЧПУ.

Отличительной чертой универсальных САП является двухуровневая структура, включающая подсистему инвариантного программирования (называемую иногда процессором) и подсистему адаптации к станку (называемую пост-процессором). Подсистема инвариантного программирования осуществляет необходимые геометрические и технологические вычисления без учета специфики конкретного станка и его системы управления. Результаты работы (траектория инструмента, технологические команды и т. п.) в соответствии с указаниями Международной организации по стандартизации ISO рекомендуется представлять на языке CLDATA. Далее промежуточная программа адаптируется к специфическим | (особенностям конкретного станка и его системы управления.

Современные САП должны удовлетворять следующим требованиям. Первое требование — это высокое быстродействие САП, ) связанное с существенным ускорением процесса программирования. Поскольку САП применяются непосредственно на производстве, вторым важным требованием является и снижение себестоимости программного продукта в виде управляющих программ, которая в значительной мере определяется стоимостью машинного времени, затрачиваемого САП. Третье требование связано с возможностью наращивания математического обеспечения САП с учетом совершенствования систем управления станков (например, при переходе от систем ЧПУ к системам АПУ). Наконец, четвертым важным требованием к САП является доступность и простота эксплуатации, обеспечивающая технологу возможность на соответствующем проблемно-ориентированном языке программировать процесс обработки.

В перспективе САП должны обеспечить прямой контакт технолога с ЭВМ на языке, близком к естественному, вплоть до речевого диалога с САП. Для этого нужно разработать соответствующий интеллектуальный интерфейс с технологической базой знаний. Первые шаги в этом направлении уже сделаны: созданы первые системы АПУ, программируемые голосовыми командами [24]. Обычно устройства речевого программирования и управления выпускаются в виде портативной приставки к САП серийной системы ЧПУ или АПУ. Речевые команды поступают с микрофона в микропроцессор, где они анализируются, распознаются и высвечиваются на экране дисплея для контроля. Словарный запас оперативного языка САП станков в простейших случаях ограничивается 30-50 словами и фразами. Для обеспечения надежного распознавания речевых команд САП предварительно обучается. В процессе обучения технолог произносит каждую команду несколько раз. По этим данным автоматически строится машинное описание всех команд, которое представляет собой по существу банк знаний, существенно используемый в процессе программирования для распознавания поступающих команд, произносимых технологом. Для устранения ошибок распознавания (вызванных, например, изменением тембра голоса при смене технологов) или для расширения списка команд САП автоматически дообучается и банк знаний пополняется новой информацией.

В настоящее время разработано и применяется большое число различных САП. Среди отечественных САП отметим СПС-Т для токарных станков, СПС-К для сверлильно-расточных станков, САРПО и СПС-2,5 для программирования обработки по контуру на фрезерных станках и универсальную САП «Технолог» [24].

Много различных САП создано за рубежом. Примером может служить САП «Модапт-5Д» (MODAPT-5D), разработанная фирмой «Элсаг» (Elsag, Италия). Эта САП имеет гибкую модульную структуру и использует язык программирования APT. Исходной информацией для нее являются либо данные, снимаемые с чертежа детали, либо образ детали, формируемый на этапе автоматизированного проектирования. По этим данным САП «МОДАПТ-5Д» формирует управляющую программу для станков с ЧПУ типа CNC.

В САП имеется программный модуль «Драфт» (Draft), который служит для контроля правильности (верификации) путем вывода на графический терминал запрограммированной траектории инструмента или ее проекций на три ортогональные плоскости. Другой программный модуль, называемый пост-процессором, производит адаптацию синтезированной управляющей программы к конкретному станку и особенностям его DNC-системы управления.

САП «МОДАПТ-5Д» нашла применение в составе интегрированного комплекса для производства турбинных лопаток. Она осуществляет автоматическое программирование DNC-систем станков, фрезерование лопаток и контроль их качества с помощью измерительной головки координатно-измерительного робота.

Простая и эффективная САП РЕГ (REG) разработана фирмой «Бош» (Bosch, ФРГ). Эта система предназначена для автоматического программирования тел вращения непосредственно на языке технолога в режиме диалога. Она не требует предварительного изучения специального языка программирования, поэтому ею может пользоваться оператор, не знающий языков программирования.

Технология программирования токарной обработки тел вращения с помощью САП РЕГ заключается в следующем. При включении САП на экране дисплея изображается меню рабочих режимов и функций.

Программирование начинается с режима, в котором запрашиваются и вводятся в запоминающее устройство геометрические характеристики детали и заготовки, а также автоматически выполняются некоторые вспомогательные функции (автоматическое определение масштаба изображения детали на экране дисплея и т. п.). Оператор с алфавитно-цифрового пульта вводит все необходимые элементы детали (цилиндр, корпус, шар, бочку, канавку, выточку, закругление, фаску) и вид резьбы (коническая или цилиндрическая).

На втором этапе составляется рабочий план обработки детали, включающий разложение на зоны резания, выбор способа и технологии резания в каждой зоне (определение припуска на чистовую обработку, задание глубины и скорости резания, выбор инструментов и т. п.). Далее в режиме диалога вводятся необходимые данные и параметры относительно инструмента (номер инструмента, установочные размеры, коррекция на износ, предельные параметры подачи, скорость и глубина резания), зажимных устройств (основные параметры зажимного патрона и кулачков) и важнейшие параметры станка (рабочие диапазоны и конструктивные ограничения, направление перемещения шпинделя и т. д.).

На третьем этапе осуществляется по мере необходимости редактирование любых данных из числа ранее упомянутых. После этого производится генерация кадров управляющей программы либо непосредственно на ЧПУ «Альфа-2» (Alpha-2) типа CNC, либо в запоминающее устройство на магнитную или перфоленту.

Описанная диалоговая САП требует разработки достаточно мощного математического обеспечения. Аппаратно-программная реализация всех функций САП при современном уровне развития схемотехники позволяет создать весьма компактное устройство. Общий вид САП РЕГ представлен на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Панель системы автоматизации программирования обработки тел вращения

На практике программирование тесно переплетается с проектированием и конструированием на базе ЭВМ. Это проявляется в том, что управляющая программа обработки включает не только информацию о геометрии детали, но и все необходимые данные о технологии ее изготовления. Поэтому системы автоматизации проектирования изделий зачастую развиваются на основе и в рамках САП станков.

Примером такой интеграции может служить система «Кадам» (Cadam), разработанная и внедренная в 1974 г. фирмой «Локхид» (Lockheed, США) для автоматизации проектирования деталей самолетов и автоматизации программирования станков для изготовления этих деталей. Ряд подобных интегрированных систем создан и в СССР. Так, в Ленинграде создана система автоматизированного проектирования деталей и технологической подготовки производства в рамках интегрированного производственного комплекса для токарной обработки тел вращения [34].

Исходной информацией для системы служит образ детали, интезированной из элементарных поверхностей (цилиндра, сферы,конуса, фаски, канавки и т. п.). Поэтому образу САПР, построенная по модульному принципу, формирует выносные виды и сечения детали, осуществляет расчеты на прочность, отыскивает в базе данных образы, аналогичные детали, формирует графическое изображение детали и ее компоновку. Далее автоматизированная система технологической подготовки производства, в состав которой входит и САП, производит выбор заготовки, оценку припусков, определение маршрутной и операционной технологии, выбор инструмента и режимов резания, формирование траектории движения инструмента и расчет управляющих программ, которые подаются непосредственно на токарные станки с ЧГ1У. Диалоговая система позволяет синтезировать на экране графического дисплея изображение детали по ее образу, получать его твердую копию с помощью чертежно-графического автомата и выдавать управляющие программы в системы ЧПУ станков. Такая сквозная автоматизация позволяет существенно сократить цикл от проектирования детали и программирования системы ЧПУ до изготовления детали на РТК механической обработки, в состав которого входят 12 токарных станков с ЧПУ и встроенными манипуляционными роботами и транспортный робот с бортовым манипулятором.

Подсистема управления и подсистема приводов станка с ЧПУ. Структура подсистем. Что такое контроллер? Принципы работы закрытых и открытых систем управления.

Что такое ЧПУ? Принцип работы. Основные исполнительные органы станка с ЧПУ. Плюсы и минусы использования в производственном цикле. Группы станков с ЧПУ.

Числовое программное управление — это автоматическое управление станком при помощи компьютера (который находится внутри станка) и программы обработки (управляющей программы).

Осевыми перемещениями станка с ЧПУ руководит компьютер, который читает управляющую программу (УП) и выдает команды соответствующим двигателям. Двигатели заставляют перемещаться исполнительные органы станка — рабочий стол или колонну со шпинделем. В результате производится механическая обработка детали. Датчики, установленные на направляющих, посылают информацию о фактической позиции исполнительного органа обратно в компьютер. Это называется обратной связью. Как только компьютер узнает о том, что исполнительный орган станка находится в требуемой позиции, он выполняет следующее перемещение. Такой процесс продолжается пока чтение управляющей программы не подойдет к концу.

Основные исполнительные органы станка — рабочий стол и колонна со шпинделем.

Первым очевидным плюсом от использования станков с ЧПУ является более высокий уровень автоматизации производства. Случаи вмешательства оператора станка в процессе изготовления детали сведены к минимуму.

Вторым преимуществом является производственная гибкость. Это значит, что для обработки разных деталей нужно всего лишь заменить программу.

Третьим плюсом является высокая точность и повторяемость обработки. По одной и той же программе вы сможете изготовить с требуемым качеством тысячи практически идентичных деталей. Числовое программное управление позволяет обрабатывать такие детали, которые не возможно изготовить на обычном оборудовании. Это детали со сложной пространственной формой, например, штампы и пресс — формы.

Методика работы по программе позволяет более точно предсказывать время обработки некоторой партии деталей и соответственно более полно загружать оборудование.

Станки с ЧПУ стоят достаточно дорого и требуют больших затрат на установку и обслуживание, чем обычные станки.

Подсистема управления и подсистема приводов станка с ЧПУ. Структура подсистем. Что такое контроллер? Принципы работы закрытых и открытых систем управления.

Центральной частью всей системы ЧПУ является подсистема управления. С одной стороны она читает управляющую программу и отдает команды различным агрегатам станка на выполнение тех или иных операций. С другой стороны взаимодействует с человеком, позволяя оператору станка контролировать процесс обработки.

Подсистема приводов включает в себя различные двигатели и винтовые передачи для окончательного выполнения команд подсистемы и управления — для реализации перемещения исполнительных органов станка.

Сердцем подсистемы управления является контроллер (процессор), который обычно расположен в корпусе стойки ЧПУ.

Важными компонентами подсистемы приводов являются высокоточные ходовые винты.

Второй составляющей подсистемы является двигатель (а точнее несколько двигателей). Вращение вала двигателя приводит к повороту высокоточного ходового винта и линейному перемещению рабочего стола или колонны. В конструкции станков используются шаговые электродвигатели и серводвигатели.

Шаговый электродвигатель — это электромеханическое устройство, преобразующее электрический сигнал управления в дискретное механическое перемещение. Существует несколько основных видов шаговых двигателей, отличающихся конструктивным исполнением:

· Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением

· Шаговые двигатели с постоянным магнитным сопротивлением

Системы управления могут быть как закрытыми, так и открытыми, ПК — совместимыми. Закрытые системы управления имеют собственные алгоритмы и циклы работы, собственную логику. У систем закрытого типа есть важное преимущество — они, как правило, имеют высокую надежность, так как все компоненты системы прошли тестирование на совместимость. Минусом является то, что вы не сможете самостоятельно обновить программное обеспечение и редактировать настройки такой системы.

У открытых систем управления аппаратная начинка практически такая же, как и у домашнего ПК. Преимуществом такого метода — в доступности и дешевизне электронных компонентов, большинство из которых можно приобрести в обычном компьютерном магазине. Однако есть и недостаток. Пока считается, что надежность таких систем ниже, чем у закрытых систем управления.

Состав системы ЧПУ

Все устройства ЧПУ имеют развитую цикловую автоматику с большим числом входов-выходов, а также связь с ЭВМ высшего уровня, необходимую при создании гибких производственных систем.

Вместе с тем наблюдается разделение устройств ЧПУ по числу управляемых координат, связанное с их назначением: для токар­ных станков обычно требуется две координаты; для обычных фре­зерных – три; для фрезерных станков, предназначенных для объемной обработки, – пять; для многооперационных станков – от четырех до восьми. В настоящее время созданы устройства ЧПУ на 10–12 координат для управления ГПМ. Число координат весьма существенно влияет на конструкцию и стоимость устрой­ства ЧПУ.

Функциональная схема типовой универсальной системы ЧПУ (рис. 7.2) состоит из двух основных устройств: устройства число­вого программного управления, конструктивно оформленного в виде отдельного шкафа или пульта и исполнитель­ных устройств с приводами и датчиками обратной связи, разме­щенными на станке. Основные блоки системы ЧПУ описаны ниже.

Рис. 7.1. Упрощенная схема станка с ЧПУ

Устройство ввода информациивводит числовую информацию с программоносителя.

Блок запоминания считанной информации.Помимо запоминания входной информации в этом блоке выполняются ее контроль и формирова­ние соответствующего сигнала в момент обнаружения ошибки. Этот блок, как правило, имеет возможность получать информацию от ЭВМ верхнего уровня, что необходимо при объединении стан­ков в ГПС.

Пульт управления и индикациислужит для связи человека-оператора с системой ЧПУ. С помощью этого пульта проводится пуск системы и ее останов, переключение режимов работы с авто­матического на ручной и т.д., а также коррекция скорости подачи и размеров инструментов и изменение начального положения инструмента по всем или некоторым координатам. На этом пульте находится световая сигнализация и цифровая индикация о со­стоянии системы.

В современных ЧПУ индикация обычно осуществляется с помощью встроенного дисплея, позволяющего выводить значительно большее число параметров, а также проводить отработку про­грамм непосредственно на станке.

Блок интерполяцииформирует частичную траекторию движе­ния инструмента между двумя или более заданными в программе точками. В большинстве случаев используют линейную и круговую интерполяцию, хотя иногда применяют винтовую или цилиндри­ческую интерполяцию.

Приводы подач,чаще всего следящие, служат для обеспече­ния перемещения управляемых элементов станка (столов, суппор­тов, кареток и т.п.) с необходимой скоростью и точностью при заданном моменте. Под следящим приводом будем понимать систему, состоящую из двигателя (электрического, гидравличе­ского), усилителя мощности, снабжающего этот двигатель не­обходимой энергией, которая регулируется в широких пределах, датчика обратной связи по положению, служащего для измерения фактического перемещения (или положения) управляемого объ­екта, и сравнивающего устройства, сравнивающего фактическое положение объекта с заданным и выдающего сигнал ошибки, по­ступающий на вход усилителя мощности, в результате чего угло­вая скорость вала двигателя оказывается пропорциональной ошибке системы. В процессе работы эта система перемещает управ­ляемый объект таким образом, чтобы поддерживать минимальное значение ошибки. Если ошибка по каким-либо причинам превы­шает заранее установленный допустимый предел, то система ЧПУ автоматически отключается с помощью специальных устройств защиты.

Блоки управления приводами подачслужат для преобразования информации, получаемой с выхода интерполятора, в форму, пригодную для управления приводами подач, так, чтобы при поступлении каждого импульса управляемый объект перемещался на определенное расстояние, называемое ценой импульса, кото­рая обычно составляет 0,01 или 0,001 мм. В зависимости от типа приводов (замкнутые или разомкнутые, фазовые или амплитуд­ные), применяемых на станках, блоки управления существенно различаются.

В разомкнутых приводах, использующих шаговые двигатели, блоки управления представляют собой специальные кольцевые коммутаторы, на выходе которых включены мощные усилители, питающие обмотки шаговых двигателей, которые служат для циклического переключения обмоток ШД, что заставляет вра­щаться его ротор. В замкнутых приводах фазового типа, исполь­зующих датчики обратной связи в виде вращающихся трансфор­маторов (ВТ) или индуктосинов в режиме фазовращателей, блоки управления представляют собой преобразователи импульсов в фазу переменного тока и фазовые дискриминаторы, которые сравни­вают фазу сигнала на выходе фазового преобразователя с фазой датчика обратной связи и выдают разностный сигнал ошибки на усилитель мощности привода.

В этом же блоке обычно расположены усилители для питания датчиков обратной связи, а также устройства защиты, отключаю­щие приводы при превышении допустимой ошибки слежения.

Датчики обратной связиДОС являются измерительными устройствами, служащими для определения фактического поло­жения (абсолютного значения координаты) или перемещения (от­носительного значения координаты) управляемого объекта в пре­делах шага системы. При этом суммирование шагов производит система ЧПУ. Перемещения объекта определяют как непосредственно с помощью каких-либо линейных измерительных устройств, например, индуктосинов, так и косвенно, измеряя, например, угол поворота вала двигателя подач с помощью какого-либо углового измерительного устройства, например, обычного ВТ или резольвера (точный ВТ синусно-косинусного типа, применяемый в счетно-решающих устройствах).

Помимо индуктосинов, для непосредственного измерения ли­нейных перемещений иногда используют и другие измерительные устройства, например, прецизионные зубчатые рейки с много­полюсными ВТ, или для достижения особо высокой точности – оптические штриховые измерительные шкалы с соответствующими импульсными датчиками. Обычно одно и то же устройство ЧПУ может работать с раз­личными типами ДОС.

Рис. 7.2. Функциональная схема системы ЧПУ

Блок скоростей подачобеспечивает заданную скорость подачи, а также разгон и торможение в начале и конце участков обработки по заданному закону, чаще всего – линейному. Скорость подачи задается либо номером скорости соответствующего ряда скоростей, составляющих геометрическую прогрессию со знаменателем по­рядка 1,25, либо непосредственно в миллиметрах в минуту через 1 или даже через 0,1 мм/мин. Помимо рабочих скоростей подач, составляющих обычно 5–2000 мм/мин, этот блок выполняет, как правило, и установочное движение с повышенной скоростью, на которой производится установка координат при позиционной обработке или переход инструмента из одного участка заготовки в другой при контурной обработке. Эта скорость в современных системах ЧПУ составляет 10–15 м/мин.

Блок коррекции программывместе с пультом управления слу­жит для изменения запрограммированных параметров обработки, т.е. скорости подачи и размеров инструмента (длины и диаметра). Изменение скорости движения (обычно 5–120 %) сводится к руч­ному изменению частоты задающего генератора в блоке подач. Изменение длины инструмента (обычно от 0 до 100 мм) сводится к изменению заданного значения перемещения вдоль оси инстру­мента, без изменения его начального поло­жения.

Блок технологических командпредназначен для управления цикловой автоматикой станка, включающего поиск и смену до­статочно большого числа инструментов (до 100), смену частоты вращения шпинделя, зажим направляющих при позиционирова­нии и разжим их при движении, различные блокировки, обеспе­чивающие сохранность станка. Цикловая автоматика станка со­стоит в основном из исполнительных элементов типа пускателей, электромагнитных муфт, соленоидов и других электромагнитных механизмов, а также дискретных элементов обратной связи типа концевых и путевых выключателей, реле тока, реле давления и других элементов, контактных или бесконтактных, сигнализи­рующих о состоянии исполнительных органов. Часто эти элементы с дополнительными устройствами типа реле реализуют местные циклы (например, цикл поиска и смены инструмента), команды, на исполнение которых подаются из устройства программного управления. Современные устройства ЧПУ, как правило, осу­ществляют эти циклы внутри, выдавая сигналы на исполнитель­ные элементы станка через согласующе-усилительные устройства, которые могут находиться как в станке, так и в устройстве ЧПУ. Для этого часто используют программируемые контроллеры в виде отдельного блока, размещаемого внутри или вне устройства ЧПУ.

Блок стандартных цикловслужит для облегчения программи­рования и сокращения длины программы при позиционной обра­ботке повторяющихся элементов заготовки, например, при свер­лении и растачивании отверстий, нарезании резьбы и других операций.

Помимо этих блоков, применяют блоки адаптации, которые служат для увеличения точности и производительности обработки при изменяющихся по случайному закону внешних условиях (например, припуск на обработку, твердость обрабатываемого материала, затупление инструмента). Это объясняется тем, что любая система ЧПУ является разомкнутой системой управления, так как она не «знает» результата своей работы. В системе ЧПУ с обычной обратной связью заготовка ею не охвачена; задается только перемещение инструмента относительно заготовки. В то же время на точности размеров детали сказывается, например, де­формация инструмента, которая в обычных системах ЧПУ может учитываться при программировании только тогда, когда она по­стоянна или изменяется по заранее известному закону, чего на практике нет.

Контрольные вопросы

1. Расскажите про работу станка с ЧПУ по упрощенной схеме.

2. Назначение пульта управления и индикации.

3. Назовите структуру привода подачи станка с ЧПУ.

4. Назначение блоков управления приводами подач.

5. Назовите виды датчиков обратной связи.

6. Назначение блока технологических команд.

7. Для чего предназначен блок стандартных циклов?

8. В связи с чем наблюдается разделение УЧПУ по числу управляемых координат?

Принцип системы ЧПУ (числового программного управления)

Системы числового программного управления (СЧПУ) предназначены для автоматизации работы станочного оборудования и осуществления обработки по заданной программе.

Современные обрабатывающие комплексы обладают значительной технологической гибкостью и универсальностью во многом благодаря наличию СЧПУ. Намечается тенденция использовать универсальное оборудование (вместо узкоспециализированной станочной оснастки и роботов-автоматов) даже при крупносерийном производстве, т. к. возможность лёгкой переналадки оказывается более весомым плюсом, чем повышение стоимости оборудования. Кроме того, изготовление сложных профилированных деталей без использования многокоординатной программной обработки порой оказывается невозможным в принципе.

Наиболее яркими преимуществами систем ЧПУ являются:

  • более высокая производительность оборудования;
  • сочетание универсальности и точности обработки;
  • упрощение производственного процесса (связанная, однако, с некоторым усложнением подготовительного этапа — разработки управляющих программ);
  • малый разброс качества изделий в пределах одной партии выпуска;
  • быстрота переналадки оборудования и перехода к выпуску других изделий;
  • простота оснастки станков;
  • лёгкость облуживания и эксплуатации и т. д.

Архитектура систем ЧПУ

Принцип работы систем ЧПУ заключается в выдаче микроконтроллером управляющего воздействия (электрических импульсов строго определённой продолжительности) на исполнительные механизмы станка, а также контроля их перемещения («обратная связь») для реализации движения режущего инструмента согласно заданной программе обработки.

Исполнительными механизмами фрезерных станков являются электродвигатели привода инструментального портала, а также электромотор шпинделя и ряд вспомогательных систем.

При использовании шаговых двигателей «обратная связь» изначально заложена в их конструкцию — двигатель однозначно «знает» на сколько шагов повернётся ротор при определённой длине управляющего импульса. Для более мощных станков применяются серводвигатели, контроль перемещения которых осуществляется специальными датчиками положения. Говоря упрощённо, для реализации принципа числового программного обеспечения система ЧПУ должна «знать», куда перемещать режущий инструмент, и «чувствовать» где он в каждый момент времени находится. За первое отвечает программа обработки, а за второе — датчики положения инструмента.

Следовательно, электронная система ЧПУ должны должна включать следующие компоненты:

  • микропроцессор — для преобразования кодов программы в управляющие импульсы (а также контроля всех основных и промежуточных процессов станка);
  • оперативную память — для хранения текущей информации в процессе обработки;
  • постоянную память — для хранения файлов управляющих программ, настроек оборудования и прочей вспомогательной информации;
  • устройство загрузки программ (например, через USB-интерфейс);
  • устройство управления (собственное и/или внешнее — плата подключения ПК).

Конструктивные исполнения систем ЧПУ отличаются широким разнообразием. В процессе развития системы претерпевали значительные изменения — как по способу загрузки программ (перфокарты для ранних систем и трёхмерные твердотельные модели для современных), так и по алгоритму управления (замкнутые, разомкнутые и т. п.). Для современных станков характерно наличие ЧПУ, ориентированного на максимальную интеграцию с ПК.

Особенности современных систем ЧПУ

В настоящее время совершенствование систем ЧПУ, как и любых других продуктов в IT-сфере, идёт стремительными темпами. Производитель, не представивший вовремя свою разработку, ориентированную на требования рынка, рискует навсегда «выпасть из обоймы». При этом основными тенденциями развития ЧПУ являются:

  • упрощение аппаратной и программной части систем;
  • полная совместимость с предыдущими «эволюциями» (для запуска ранее наработанных программ);
  • упор на разработку и совершенствования программного обеспечения (и т. о. расширения функционала существующих систем ЧПУ);
  • плавная «эволюция» технических решений (взамен «революционным» изменениям) аппаратной части систем;
  • открытость систем — для производителей станочного оборудования это означает широкие возможности для самостоятельной доработки;
  • многоканальность — для реализации одновременного запуска нескольких управляющих программ на одной системе ЧПУ;
  • поддержка алгоритмов высокоскоростной обработки.

Практически все современные ЧПУ поддерживают интерполяцию с малой дискретностью вычислений («наноинтерполяцию») и алгоритмы «предпросмотра», т. е. возможность просчитывать траекторию инструмента и заранее снижать скорость перед её резкими изменениями (что особенно актуально для обработки на больших скоростях).

Также перспективные системы ЧПУ строятся в расчёте на удалённое (сетевое) управление, в том числе при объединении отдельных станков в группы — в рамках технологической цепочки производства изделий. Большое внимание уделяется функциям моделирования процесса обработки, когда система не просто визуализирует на экране маршрут движения инструмента, а представляет модель фактического результата обработки.

К системам ЧПУ также предъявляются требования расширенной диагностики оборудования и возможность «понимания» языков программирования высокого уровня. И кончено же, современные системы всё более унифицируются в рамках принятых стандартов. В то же время производители стремятся выпускать на рынок системные продукты (а не отдельные разрозненные компоненты) позволяющие решать «под ключ» комплексные технологические задачи.

Следует отметить, что развитие систем ЧПУ неотделимо от повышения квалификации персонала — программистов, операторов станков, наладчиков. Однако до сих пор совершенствование систем значительно опережало способности их использовать — особенно в новейших технологических областях (например, высокоскоростной обработки). Поэтому вопрос раскрытия возможностей перспективных систем ЧПУ, обучения новым методам их использования, непременно должен выдвигаться на первый план.

В гостях у нашего постоянного клиента компании «Пластфактория», которые занимаются изготовлением POS-материалов и сотрудничают с крупными косметическими брендами.

Видеоотчет с посещения производства наших клиентов — компания «АЛЬТАИР». О работе на производстве, изготавливаемых изделиях и станках от компании Wattsan.

Типовая структурная схема системы ЧПУ

На рисунке показана общая укрупненная структурная схема системы ЧПУ. Она включает следующие основные элементы: устройство ЧПУ; приводы подач рабочих органов станка и датчики обратной связи (ДОС), установленные по каждой управляемой координате. Устройство ЧПУ предназначено для выдачи управляющих воздействий рабочим органом станка в соответствии с программой управления, вводимой на перфоленте. Программа управления считывается последовательно в пределах одного кадра с запоминанием в блоке памяти, откуда она подается в блоки технологических команд, интерполяции и скоростей подач. Блок интерполяции – специализированное вычислительное устройство (интерполятор) – формулирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Выходная информация с этого блока поступает в блок управления приводами подач, обычно представлена в виде последовательности импульсов по каждой координате, частота которых определяет скорость подачи, а число – величину перемещения.

Блок ввода и считывания информации предназначен для ввода и считывания программы управления. Считывание производится последовательно строка за строкой в пределах одного кадра.

Блок памяти. Так как информация считывается последовательно, а используется вся сразу в пределах одного кадра, при считывании она запоминается в блоке памяти. Здесь же производится ее контроль и формирование сигнала при обнаружении ошибки в перфоленте. Так как обработка информации идет последовательно по кадрам, а время считывания информации одного кадра равно примерно 0,1 – 0,2 с, получается разрыв в передачи информации, что недопустимо. Поэтому применяют два блока памяти. Пока обрабатывается информация одного кадра из первого блока памяти, производится считывание второго кадра и ее запоминание во втором блоке. Время же введения информации из блока памяти в блок интерполяции ничтожно мало. Во многих системах ЧПУ блок памяти может принимать информацию, минуя блок ввода и считывание непосредственно от ЭВМ.

Блок интерполяции. Это специализированное вычислительное устройство, которое формирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Это важнейший блок в контурных системах ЧПУ. Основой блока является интерполятор, который по заданным программой управления числовым параметрам участка контура восстанавливает функцию f(x,y). В интервалах значений координат Х и У интерполятор вычисляет значения координат промежуточных точек этой функции.

На выходах интерполятора формируется строго синхронизированные во времени управляющие импульсы для перемещения рабочего органа станка по соответствующим осям координат.

Применяют линейные и линейно – круговые интерполяторы. В соответствии с этим первые производят линейную интерполяцию, а вторые линейную и круговую.

Линейный интерполятор обеспечивает, например, перемещение рабочего органа с фрезой диаметром между двумя опорными точками по прямой линии с отклонением от заданного контура на величину .

В этом случае исходной информацией для интерполятора являются величины приращений по координатам и и время обработки перемещения по прямой , т.е. , где S – установленная скорость подачи инструмента.

Работа линейно – кругового интерполятора может осуществляться по методу оценочной функции F. Метод заключается в том, что при выработке очередного управляющего импульса логическая схема производит оценку, по какой координате следует выдавать этот импульс, чтобы суммарное перемещение рабочего органа станка максимально приближало его к заданному контуру.

Интерполируемая прямая (см. рис. а) делит плоскость, в которой она расположена, на две области: над прямой, где оценочная функция F>0, и под прямой, где F 0, то следующий шаг делается по оси Х. Если же промежуточная точка находится в области F

Каждый электрик должен знать:  Подключение светильника и выключателя от распределительной коробки
Добавить комментарий