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.

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

 

      2. От ДОС по пути.

 

    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.