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

Повышение производительности и качества работ на металлорежущих станках связано с механизацией и автоматизацией цикла обработки заготовки.
Под управляющей программой понимают совокупность команд на языке программирования, соответствующую заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной заготовки.
В зависимости от способа задания размерной информации все системы управления станками разделяют на аналоговые (нечисловые) и числовые. Аналоговые системы управления преобразуют исходную информацию, заложенную в программоноситель в процессе подготовки производства. Программоносителями могут быть: упоры, расположенные определенным образом на станке, копиры, кулачки и распределительные валы. Исполнительные органы станка, по исходной информации, представленной в виде аналога программы перемещений, воспроизводят данную программу обработки заготовки.
Аналоговые системы управления классифицируют на следующие типы: замкнутые, незамкнутые, копировальные со следящим приводом.
Системы управления замкнутого типа осуществляют контроль исполнительного органа станка по пути (путевые), времени (временные), скорости, мощности, давлению и другим параметрам.
Системы управления с приводом от копира, кулачка, храпового механизма и другие, осуществляющие дозированное перемещение исполнительных органов станка, а также системы без усилителя мощности (копировальные прямого действия) относят к незамкнутым.
Широкое применение в станках различных типов нашли копировальные системы со следящим приводом (гидравлическим, электрогидравлическим или электрическим). Эти системы имеют обратную механическую или электрическую связь.
В качестве примера рассмотрим работу копировальной системы управления с гидравлическим следящим приводом, имеющим механическую обратную связь (рис. 1), используемую на токарном станке для изготовления из заготовки 4 фасонной детали 5 по копиру 8. Гидронасос, при работе системы, подает масло под давлением Рн в правую полость гидроцилиндра 1, а левая полость его соединена со сливным трубопроводом Рс. В результате разности давлений поршень гидроцилиндра 1 со штоком начнет движение по оси Z, увлекая за собой шток следящего гидропривода 2. Дросселирующий гидрораспределитель 7 соединен с напорным Рн и сливным Рс трубопроводами. Продольное движение (по оси Z) щупа 9 по копиру 8 вызывает перемещение гидрораспределителя 7 относительно корпуса, в котором он размещен. Отрыв щупа 9 от рабочей поверхности копира 8 исключает пружина 6 гидрораспределителя. В результате перемещения гидрораспределителя относительно корпуса следящего гидропривода 2 открываются дросселирующие щели, образованные корпусом и гидрораспределителем. Полости А и Б гидроцилиндра соединяются соответственно с напорным и сливным трубопроводами. Перепад давления на поршне следящего гидропривода 2 вызывает перемещение корпуса привода за дросселирующим гидрораспределителем 7, т.е. происходит слежение за перемещением щупа по копиру. Перемещение корпуса гидропривода 2 передается резцу 3, жестко связанному с корпусом.
Таким образом, резец 3 получает продольное перемещение (по оси Z) от гидроцилиндра 1, а поперечное перемещение (по оси X) - от корпуса гидропривода 2.
Копировальные системы широко применяют для управления обработкой детали по одной, двум и трем координатам. Возможность быстрой смены программоносителя (копира) позволяет использовать их в условиях серийного производства.
Аналоговые системы управления позволяют повысить производительность механической обработки, но не обладают достаточной гибкостью. Это обусловливает высокую стоимость переналадки оборудования.

Цикловое программное управление станками

Частично или полностью программировать цикл работы станка, режим обработки и смену инструмента, задавать путем предварительно налаживаемых упоров величину перемещений его исполнительных органов можно с помощью системы циклового программного управления (ЦПУ). Будучи аналоговой системой управления замкнутого типа, она обладает высокой гибкостью, обеспечивает легкое изменение последовательности включения аппаратов (электрических, гидравлических, пневматических и т. д.), управляющих элементами цикла. Преимущество системы ЦПУ: простота конструкции и обслуживания, а также низкая стоимость; недостаток - трудоемкость размерной наладки упоров и кулачков.
Станки с ЦПУ применяют в условиях серийного, крупносерийного и массового производства деталей простых геометрических форм. Этими системами оснащают токарно-револьверные, токарно-копировальные, лоботокарные, вертикально-фрезерные, копировально-фрезерные, вертикально-сверлильные, агрегатные станки, промышленные роботы (ПР) и др.

В систему ЦПУ (рис. 2) входит программатор циклов, схема автоматики, исполнительное устройство и устройство обратной связи. Само устройство ЦПУ состоит из программатора циклов и схемы автоматики. Программатор циклов состоит из блока 1 задания программы и блока 7 поэтапного ее ввода. Часть программы, одновременно вводимую в систему управления, называют этапом. Из блока 1 информация поступает в схему автоматики, состоящую из блока 2 управления циклом работы станка и блока 6 преобразования сигналов контроля.
Действия программатора циклов с исполнительными органами станка и датчиком обратной связи согласует схема автоматики, которая усиливает и размножает команды и может выполнять ряд логических функций, в том числе реализацию стандартных циклов. Сигнал из блока 1 через блок 2 поступает в исполнительное устройство, которое обеспечивает отработку заданных программой команд: включает исполнительные элементы 3 (приводы исполнительных органов станка, электромагниты, муфты и т.д.) и исполнительные органы 4 станка (суппорты, револьверные головки, столы и т. д.).
Окончание обработки контролирует датчик 5, который через блок 6 дает команду блоку 7 на включение следующего этапа программы.

В качестве примера (на рис. 3, а) приведена система ЦПУ станком, исполнительные органы которого (продольные 1 и поперечные 2 салазки) приводятся в движение от электродвигателей 4 и 3 соответственно.
Перемещение салазок 1 ограничивают переключатели К.1В и К1Н, а салазок 2 - переключатели К2В и К.2Н. Величину хода салазок задают упорами.
Широко распространенным электрическим программатором является штекерная панель, она вместе с шаговым искателем составляет командоаппарат (рис. 3, в). Шаговый искатель состоит из контактного поля и ротора.
Контактное поле представляет собой совокупность неподвижных контактных пластин, расположенных по окружности и изолированных друг от друга. Ротор изготавливают в виде щетки с электромагнитным приводом. Он состоит из электромагнита и храпового механизма. При поступлении на вход электромагнита импульсного сигнала ротор поворачивается на один шаг и коммутирует очередную пластину контактного поля. На штекерной панели монтируют горизонтальные 2 и вертикальные 4 шины, соединяя их соответственно с пластинами шагового искателя и с обмотками реле. Количество горизонтальных шин равно числу ходов цикла, а вертикальных шин - числу команд. В местах пересечения горизонтальных и вертикальных шин располагают штекерные гнезда 3. Они состоят из двух полуколец, одно из которых соединяют с горизонтальной шиной, а другое - с вертикальной. При установке штекера в гнездо, соответствующие шины соединяются, и срабатывает реле. При отсутствии штекера шины разомкнуты, и реле не срабатывает. Так, для программирования цикла (см. рис. 3, а), содержащего четыре последовательных хода салазок 7 и 2 (К1В и К1Н - соответственно ход салазок 1 вперед и назад, К2В и К2Н - соответственно ход салазок 2 вперед и назад (рис. 1.17, б), необходимо установить в гнезда штекерной панели штекеры 5, 6, 7 и 8 (см. рис. 3, в). От шагового искателя, при включении станка, напряжение поступает на верхнюю горизонтальную шину штекерной панели. Срабатывает реле К2В (рис. 3, г) и подает команду «Вперед» приводу поперечных салазок. Последние перемещаются вперед до срабатывания переключателя К2В. Контакты К2В замыкаются, что вызывает срабатывание электромагнита шагового искателя. Ротор искателя поворачивается на один шаг, верхняя шина и реле К2В обесточиваются и движение прекращается. Затем напряжение поступает на вторую горизонтальную шину: срабатывает реле К1В и подает команду «Вперед» приводу продольной подачи. Продольные салазки перемещаются справа налево до срабатывания переключателя К1В и, следовательно, шагового искателя; возникает сигнал К2Н (поперечные салазки перемещаются в начальное положение), а затем сигнал К1Н (продольные салазки перемещаются в начальное положение). Ротор шагового искателя на вспомогательном ходу возвращается в исходное положение, после этого цикл повторяется.
Штекеры в отверстия панели вставляет оператор непосредственно на станке. Для избегания ошибок программирования и его ускорения на штекерную панель накладывают бумажные шаблоны, на которых в соответствии с программой пробиты отверстия, через них штекеры вводят в гнезда панели. Для многократного использования исполнительных органов в цикле число конечных переключателей должно быть увеличено. В таких случаях для управления движением по каждой координатной оси целесообразно применять кулачковую панель (рис. 4), представляющую собой плиту 1 с Т-образными пазами 3, в которых устанавливают кулачки, 2, взаимодействующие с блоком 4 путевых переключателей.
Для задания команд существуют различные по конструкции программаторы. Например, кулачковый командоаппарат является программатором механического типа с кинематическим заданием программы. Его выполняют в виде барабана 1 с приводом 2 от электродвигателя со встроенным редуктором (рис. 5, б). Барабан периодически поворачивается на определенный угол и фиксируется в заданном положении. На его цилиндрической поверхности, выполняющей роль панели, предусмотрены гнезда 3, в которые устанавливают штекеры (шарики или штифты). Количество гнезд по окружности барабана равно числу этапов программы, а вдоль образующей барабана - числу программируемых параметров. Информация считывается блоком 4 путевых переключателей; при наличии штекера переключатель срабатывает и выдает команду. Конструктивно кулачковый командоаппарат часто выполняют дисковым (рис. 5, б). На торце диска 1, имеющего дискретный привод 2, сделаны гнезда. Информацию считывает блок 3 путевых переключателей. Командоаппарат со сменным алюминиевым диском 3 показан на рис. 4, в. На диске записывают (путем пробивки в определенных местах отверстий 4) требуемую информацию, считывание которой осуществляет фотоэлектрический прибор. Диск можно использовать многократно. Дискретный привод командоаппарата состоит из электромагнита 1 и храпового механизма 2.

Программируемые командоаппараты (ПК), построенные на базе микроэлектроники, являются универсальными системами ЦПУ. Они представляют собой управляющие логические машины последовательного действия.
Программируемый командоаппарат состоит из центрального процессора (управляющего устройства) 1, постоянного запоминающего устройства 2, входного 3 и выходного 5, устройств сканатора (генератора импульсов) 4 (рис. 6).
Программную панель 6 (загрузчик программ), оснащенную декадными переключателями и клавишами с обозначением логических элементов можно подключать к ПК. Программирование осуществляют последовательным нажатием клавишей. Программа записывается и запоминается в устройстве 2. В режиме работы сканатор 4 поочередно подключает к процессору 1 устройства 3 и 5. В процессоре 7 согласно программе выполняются заданные логические операции, преобразующие состояния входов в состояния выходов.

Числовое программное управление для автоматизированного оборудования

Термины и определения основных понятий в области числового программного управления металлорежущим оборудованием устанавливает ГОСТ 20523-80.
Числовое программное управление станком (ЧПУ) - управление обработкой заготовки на станке по управляющей программе, в которой данные заданы в цифровой форме.
Устройство, выдающее управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии с управляющей программой и информацией о состоянии управляемого объекта, называют устройством числового программного управления (УЧПУ).
Различают аппаратное и программируемое УЧПУ. В аппаратном (NC) устройстве алгоритмы работы реализуются схемным путем и не могут быть изменены после изготовления устройства. Эти устройства выпускают для различных групп станков: токарных («Кон-тур-2ПТ», Н22), фрезерных («Контур-ЗП», НЗЗ), координатно-расточных («Размер-2М», ПЗЗ) и т.д. Такие УЧПУ изготовляют с вводом управляющей программы на перфоленте. В программируемых устройствах (CNC) алгоритмы реализуются с помощью программ, вводимых в память устройства, и могут быть изменены после изготовления устройства. Устройства УЧПУ типа CNC включает малую ЭВМ, оперативную память и внешний интерфейс.
Система числового программного управления (СЧПУ) представляет собой совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, обеспечивающих ЧПУ станком.
Основной функцией СЧПУ является управление приводами подач станков в соответствии с заданной программой, а дополнительными - смена инструмента и т. д. На рис. 7 представлена обобщенная структурная схема СЧПУ Схема работает следующим образом: устройство 1 ввода программы преобразовывает ее в электрические сигналы и направляет в устройство 7 отработки программы, которое через устройство 8 управления приводом воздействует на объект регулирования - привод 4 подач. Подвижную часть станка, связанную с приводом 4 подач, контролирует датчик 5, включенный в цепь главной обратной связи.
С датчика 5 через устройство 6 обратной связи информация поступает в устройство 7 отработки программы. Здесь происходит сравнение фактического перемещения с заданным по программе для внесения соответствующих коррективов в производимые перемещения. С устройства 1 электрические сигналы также поступают в устройство 2 для реализации дополнительных функций. Устройство 2 воздействует на исполнительные элементы 3 технологических команд (двигатели, электромагниты, электромагнитные муфты и др.), при этом исполнительные элементы включаются или выключаются. Достоинство станков с ЧПУ - быстрое переналаживание без смены или перестановки механических элементов. Нужно только изменить вводимую в станок информацию, и он начнет работать по другой программе, т. е. обрабатывать другую заготовку (деталь). Высокая универсальность станков с ЧПУ удобна в тех случаях, когда нужен быстрый переход на изготовление другой детали, обработка которой на обычных станках требует использования специальной оснастки.
Точность размеров и формы обрабатываемой детали, а также требуемый параметр шероховатости поверхности обеспечиваются жесткостью и точностью станка, дискретностью и стабильностью позиционирования и ввода коррекции, а также качеством СЧПУ.
Конструктивно системы ЧПУ бывают разомкнутыми, замкнутыми и самонастраивающимися; по виду управления движением - позиционными, прямоугольными, непрерывными (контурными).
Системы ЧПУ разомкнутого вида используют один поток информации. Программу считывает устройство, в результате чего на выходе последнего появляются командные сигналы, которые после преобразования направляют к механизму, осуществляющему перемещение исполнительных органов станка (например, суппортов). Контроль соответствия действительного перемещения заданному отсутствует.
В замкнутых СЧПУ для обратной связи используются два потока информации. Один поток поступает от считывающего устройства, а второй - от устройства, измеряющего действительные перемещения суппортов, кареток или других исполнительных органов станка.
У самонастраивающихся систем (CNC) информация, поступающая от считывающего устройства, корректируется с учетом поступающих из блока памяти сведений о результатах обработки предыдущей заготовки. За счет этого повышается точность обработки, так как изменения условий работы запоминаются и обобщаются в устройствах самонастройки памяти станка, а затем преобразуются в управляющий сигнал. От простых СЧПУ CNC отличается автоматической приспособляемостью процесса обработки заготовки к изменяющимся условиям обработки (по определенным критериям) для лучшего использования возможностей станка и инструмента. Станки с простой СЧПУ отрабатывают программу без учета действия случайных факторов, например припуска, твердости обрабатываемого материала и состояния режущих кромок инструмента. CNC, в зависимости от поставленной задачи и методов ее решения разделяют на системы регулирования какого-либо параметра (например, скорости резания и т.д.) и системы, обеспечивающие поддержание наибольшего значения одного или нескольких параметров.
Системы ЧПУ, обеспечивающие точную установку исполнительного механизма в заданное положение, называют позиционными. Исполнительный орган в этом случае в определенной последовательности обходит заданные координаты по осям X и Y (рис. 8). При этом сначала выполняется установка (позиционирование) исполнительного органа в точке с заданными координатами, а затем - обработка. Разновидностью позиционных СЧПУ являются прямоугольные СЧПУ, в которых программируются не точки, а отдельные отрезки, но при этом продольная и поперечная подачи разделены во времени.

Системы ЧПУ (рис. 8, 6) обеспечивающие последовательное включение продольной и поперечной подач станка при обработке поверхности ступенчатой формы, называют прямоугольными. Эти СЧПУ используют в токарных, карусельных, револьверных, фрезерных и других станках. Обработку ступенчатых валов и других деталей с прямоугольными контурами выполняют только по траекториям, параллельным направлению перемещений рабочих органов.
Системы ЧПУ (рис. 8, в), обеспечивающие непрерывное управление рабочими органами в соответствии с заданными законами изменения их пути и скорости перемещения для получения необходимого контура обработки, называют контурными. При этом инструмент движется относительно заготовки по криволинейной траектории, которая получается в результате сложения движений по двум (плоская криволинейная траектория) или трем (пространственная криволинейная траектория) прямолинейным координатам.
Такие СЧПУ применяют в токарных и фрезерных станках при изготовлении деталей с фасонными поверхностями. Подача S инструмента в каждый момент обработки складывается из поперечной Snon и продольной Sпp подач. Следовательно, перемещения инструмента по различным координатным осям функционально связаны друг с другом.

Подготовка управляющих программ для станков с числовым программным управлением

Подготовка управляющих программ (УП) обработки заготовки на станке с ЧПУ предусматривает нанесение на программоноситель необходимых команд, которые могут быть автоматически прочитаны и выполнены системой управления станка.
Предварительно собирают и упорядочивают информацию. Геометрическую информацию (размеры элементов детали, координаты отверстий, радиус дуги окружности обрабатываемого контура и др.) получают из чертежа детали. Технологическую информацию, индивидуальную для каждого технологического перехода (например, вид инструмента, частоту вращения, подачу и др.), формируют, пользуясь справочниками и инструкциями. На основе геометрической и технологической информации по каждому переходу составляют УП.
Существуют следующие методы подготовки УП: ручное программирование, при котором сбор, упорядочение информации и нанесение ее на программоноситель осуществляет технолог-программист; машинное программирование, при котором такие работы, как кодирование информации, определение перемещений инструмента, выбор режимов резания, оптимальной последовательности выполнения переходов, выполняет ЭВМ; машинное программирование непосредственно у станка, оснащенного микропроцессорным УЧПУ.
Методы кодирования УП, вид программоносителя и плотность записи на нем, способы считывания информации с УП являются основными показателями систем ЧПУ и зависят в основном от его элементной базы.
Код - условное обозначение цифр, чисел и букв, используемых для составления программы, нанесение ее на программоноситель и прочтения СЧПУ. Различают понятия «цифра» (0, 1, 2, …, 9) и «число», которое является последовательностью цифр с учетом их разрядности. Счислением называют совокупность приемов, наименования и записи чисел.
Для построения системы счисления в качестве основания можно использовать любое целое число В ≥ 1, т. е. Z=Z i B n-1 + Z j В n-2 + Z k В n-2 + ... + Z p B n-n , где Z - кодируемое число; Z i , Z j , Z k , Z p - цифры, из которых составлено число; n - разряд цифры; В>1 - основание счисления.
В системах ЧПУ применяют и единичный (унитарный) код, в котором любое число выражается количеством 1. Например, числа 1, 2, 3, ..., 9, 10 записывают в унитарном коде следующим образом: 1; 11; 111;...; 111111111; 111111111111.
Число в десятичной системе счисления пред¬ставляют как сумму произведений цифр (0, 1, 2, ..., 9), умноженное на 10 n , где n - разряд этой цифры. В этой системе основание В = 10. Например, число 1465,4 записывают следующим образом: 1465,4 = 1 · 10 3 + 4 · 10 2 + 6 · 10 1 + 5 · 10 0 + 4 · 10 -1 .
Такой вид записи, имеет большую наглядность при кодировании, но вызывает существенные трудности при реализации его в схемах вычислительной техники. Считывающее устройство не может в одной строке различать десять возможных цифр, поэтому каждый разряд цифр должен иметь десять строк с разделением от 0 до 9, т. е. для 5-разрядного числа нужно 50 строк.
В двоичной системе счисления основание В = 2. При этом цифры (0, 1, 2, …, 9) изображают как 4-разрядные двоичные числа (табл. 1.).

Записи всех цифр от 0 до 9 при двоичной системе счисления выполняют на четыре дорожки, а не 10, как при десятичной системе. Однако при переходе к числам, которые имеют несколько десятичных разрядов, чтение их в двоичной системе практически невозможно, так как необходимо делать довольно длительные вычисления. Например, число 7943,95 в двоичном коде будет иметь следующий вид: 7943,95 = 0111 1001 0100 0011 1001 0101 (см. табл. 1.).
Двоичную систему счисления для изображения чисел в управляющей программе используют при реализации в схемах и на перфоленте. Поскольку в этой системе для изображения любых чисел применяют всего две цифры 0 и 1, то при построении блоков вычислительной техники можно использовать элементы, имеющие два устойчивых состояния (например, наличие или отсутствие напряжения в цепи и т.д.).
Десятично-двоичная система счисления обладает преимуществами двоичной. Например, запись числа 7516 в десятично-двоичной системе имеет вид:

7 = 0 · 2 3 + 1 · 2 2 + 1 · 2 1 + 1 · 2 0 = 0 + 4 + 2 + 1 = 0111;

5 = 0 · 2 3 + 1 · 2 2 + 0 · 2 1 + 1 · 2 0 = 0 + 4 + 0 + 1 = 0101;

1 = 0 · 2 3 + 0 · 2 2 + 0 · 2 1 + 1 · 2 0 = 0 + 0 + 0 + 1 =0001;

6 = 0 · 2 3 + 1 · 2 2 + 1 · 2 1 + 0 · 2 0 = 0 + 4 + 2 + 0 = 0110.

Окончательная форма записи 7516 = 0111/0101/0001/0110. При таком способе записи сохраняются десятичные разряды (единицы, десятки, сотни и т.д.), но цифры в каждом из разрядов записываются в двоичном коде (см. табл. 1.). Для записи любой из десяти цифр достаточно четырех знаков, а количество строк соответствует количеству разрядов числа, т.е. для пятиразрядного числа нужно пять строк.
Для станков с ЧПУ запись программы осуществляют на программоносителях: перфолентах, перфокартах, магнитных лентах.
Единые для всех видов станков правила кодирования информации УП на носителе данных регламентированы Международным стандартом ИСО. Управляющую программу записывают в виде последовательных кадров. Перед кодированием информации выполняют условную запись кадра, используя для этого буквенные, графические и цифровые символы, приведенные в табл. 2.
При записи кадров под словом программы подразумевают последовательность символов, рассматриваемых в определенной связи как единое целое. Оно состоит из адреса, обозначенного буквой, и числа, отображающего или величину перемещения, или скорость подачи, либо код какой-то другой функции. Например, слово Y + 013345 означает следующее: перемещение суппорта станка в положительном направлении оси Y на величину 13345 дискрет (импульсов), что при дискретности 0,01 мм/имп означает перемещение на 133,45 мм. Часть слова управляющей программы, определяющая назначение следующих за ним данных, содержащихся в этом слове, называют адресом. Фразу составляют несколько слов, описывающих обработку определенного участка заготовки. Она содержит информацию о геометрических и технологических параметрах, необходимых для обработки определенного участка или для выполнения вспомогательных функций (начало программы, подвод инструмента и т.д.). В программе последовательность фраз определяет последовательность обработки отдельных участков заготовки (детали). Программа может быть записана двумя способами: с фразами постоянной и переменной длины. Фразы постоянной длины называют кадрами. Последовательность слов, расположенных в определенном порядке и несущих информацию о технологической операции называют кадром программы. Каждому слову при записи программы кадрами отведено определенное число строк.
Записи фразами с переменной длиной могут выполняться тремя способами: адресным, табуляционным и универсальным. При записи адресным способом каждое слово начинается с буквы, которая указывает назначение последующей числовой информации. При этом длина фраз оказывается переменной; одну фразу от другой отделяют буквой Н (знак окончания фразы). Если применяют табуляционный способ записи, то все слова фразы следуют друг за другом в определенной последовательности, их разделяют буквой Я (знак табуляции, условно обозначаемый TAB). В универсальном способе записи используют отдельные элементы адресного и табуляционного способов.
Условная запись формата УП показывает, как следует формировать его при конкретном программировании для данного станка.
В руководстве к станку с ЧПУ приводят следующие сведения: перечень и назначение всех реализуемых подготовительных и вспомогательных функций; таблицы кодов скоростей подач и главного движения; таблицы кодовых номеров позиций инструмента; перечень номеров корректоров с указанием их назначения и особенностей применения; пределы размерных перемещений по всем осям координат; перечень всех воспринимаемых и реализуемых символов кодового набора; перечень и кодовые номера всех подпрограмм, хранящихся в памяти УЧПУ.

Журнал «Главный механик», № 11, 2008 г.

Системы ЧПУ для станков: просто о сложном

Многое из того, что мы видим в окружающем нас материальном мире, изготовлено при помощи станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Использование возможностей электроники и вычислительной техники для эффективного и оптимального управления промышленным оборудованием позволило повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции. А при массовом производстве - значительно снизить затраты на ее изготовление.

О том, как избавиться от однообразной и монотонной работы, и поручить ее каким-либо «умным» механизмам, человечество задумалось давно. Задолго до появления кибернетики и электронно-вычислительных машин. Еще в начале XVIII века прообраз станка с ЧПУ создал изобретательный француз Жозеф Жаккар. Изготовленный им механизм ткацкого станка управлялся куском картона, в котором в нужных местах были сделаны отверстия. Чем не перфокарта с программой?

Немного истории

Однако современный этап истории станков с числовым программным управлением начался лишь спустя полтора столетия после изобретения Жаккара, в Соединенных Штатах Америки. После окончания второй мировой войны, в конце 40-х годов, Джон Пэрсонс - сын владельца компании Parsons Incorporated, попытался управлять станком при помощи специальной программы, которая вводилась с перфокарт. Какого-либо положительного результата Пэрсонс не достиг, поэтому обратился за помощью к специалистам в Массачусетский технологический институт.

Улучшать представленную их вниманию конструкцию сотрудники институтской лаборатории сервомеханики не стали, и про Пэрсонса быстро забыли. А про его идеи - нет. Создав собственную конструкцию, они инициировали покупку институтом компании, которая выпускала фрезерные станки. После чего руководство Массачусетского технологического института заключило контракт с Военно-воздушными силами США. В контракте шла речь о создании высокопроизводительных станков нового типа для обработки пропеллеров фрезерованием.

Управление работой фрезерного станка, который собрали сотрудники лаборатории в 1952 году, производилось по программе, считываемой с перфоленты. Эта конструкция оказалась слишком сложной, и желаемый результат достигнут не был. Однако история получила огласку, сведения о новой разработке попали в печать и вызвали большой интерес конкурентов. Свои разработки в данном направлении одновременно начали несколько известных фирм.

Наибольшего успеха добились конструкторы компании Bendi x Corporation . Выпущенное компанией Bendix NC-устройство c 1955 года пошло в серию и уже реально применялось для управления работой фрезерных станков. Новинка приживалась трудно, но благодаря заинтересованности и финансовой помощи военного ведомства, за два года было выпущено более 120 станков, которые существенно повысили производительность труда и точность выполнения станочных работ.

Уже тогда были отмечены бесспорные преимущества NC-системы числового управления станками: существенный прирост производительности труда и значительно более высокая точность обработки поверхностей. Но по-настоящему революционные изменения в области станков с ЧПУ состоялись, когда в качестве «умного» модуля, управляющего работой станков, были использованы специально разработанные микропроцессоры и микроконтроллеры. Технический термин «CNC», которым стали обозначать эти системы за рубежом, является аббревиатурой английских слов Computer Numerical Control .

NC - это не Norton Commander

Изучая историю совершенствования «умных» станков, которые за рубежом когда-то обозначались аббревиатурой латинских букв «NC», студенты прошлых лет часто путали это понятие с популярной в те годы компьютерной программой-оболочкой. На самом деле сокращение NC произошло от английских слов Numeric Control . Числовое управление было тогда весьма примитивным, и программа действий станка могла выглядеть как множество специальных штекеров, расположенных на контактном наборном поле.

Кстати, одна из первых советских транзисторных вычислительных машин для инженерных расчетов «Проминь», появившаяся в начале 60-х годов прошлого века, программировалась подобным образом. В то время управляющий модуль станка не мог должным образом реагировать на отклонения процесса обработки от расчетного, если такая ситуация происходила. Управляющие адаптивные микропроцессорные системы появились значительно позднее.

Со временем, по мере того, как совершенствовались электроника и вычислительная техника, в помощь новому поколению станков были приданы «думающие» управляющие модули на микропроцессорах и микроконтроллерах. Вот они-то и смогли обеспечить гибкое многовариантное управление процессом резания. И не только это. Такие системы получили более звучный титул «CNC», что по-английски звучит как Computer Numerical Control . Наш термин ЧПУ оказался более универсальным, и его менять не пришлось.

Классификация современных систем ЧПУ

Системы управления и станки с числовым программным обеспечением настолько сложны, что их невозможно классифицировать по какому-то одному признаку. Основные характеристики систем ЧПУ позволяют систематизировать их следующим образом:

1.В зависимости от способа управления исполнительными механизмами станка:

● Позиционные . Здесь инструмент в соответствии с программой движется от одной точки, в которой производится необходимая операция с заготовкой, к другой, где также выполняется обработка, Во время перемещения инструмента никакие другие операции не выполняются.

● Контурные, в которых обработка может производиться по всей траектории движения инструмента.

● Универсальные - системы, в которых могут применяться оба принципа управления.

2.По возможностям и способу позиционирования:

● Абсолютный отсчет - местоположение подвижного механизма станка всегда определяется по расстоянию от начала координат.

● Относительный отсчет при позиционировании осуществляется приращением дополнительного пути к координатам предыдущей точки, которая временно принимается за начало координат. Затем началом координат считается следующая достигнутая точка.

3. По наличию или отсутствию обратной связи в контуре управления:

● Разомкнутые - («открытого» типа). Перемещение исполнительных элементов производится по командам, содержащимся в программе. Информация о фактически достигнутых координатах отсутствует.

● Замкнутого типа (закрытые). В системах этого типа координаты положения исполнительных механизмов постоянно контролируется.

● Самонастраивающиеся («закрытые» повышенной точности). Более совершенная система, которая запоминает поступающие сведения о расхождении заданных и фактических координат исполнительного элемента, отрабатывает их, и корректирует новые команды с учетом изменившихся условий.

4.Поколение. В зависимости от технического уровня используемых микропроцессоров, микроконтроллеров или управляющих ПК, различают системы 1-го, 2-го и 3-го поколения.

5. Количество координатных осей . Различные станки, оборудованные ЧПУ, могут поддерживать режимы работы с различным количеством координатных осей - от двух до пяти. Например, если при движении заготовки на фрезерном станке (3 координаты - X, Y , Z ), она одновременно может поворачиваться вокруг своей оси, такой станок называют 4-координатным. Простейшие сверлильные и односуппортные токарные станки имеют две координатные оси.

Его величество компьютер нуждается в программе

В отличие от стандартного персонального компьютера, который является универсальным устройством для обработки информации и способен работать с любыми данными, представленными в цифровом виде, микропроцессор, используемый в конструкции многих станков с ЧПУ, - устройство специализированное. Он не содержит ничего лишнего, и весь набор его функций предназначен для выполнения главной задачи - контроля состояния всех исполнительных органов станка и управления их работой по специальной программе. Чтобы управлять особо сложными современными станками, применяют более производительные и многозадачные устройства - промышленные компьютеры.

Одной из самых важных характеристик, которая позволяет судить о производительности и технических возможностях станка и управляющей его работой системы, является количество «осей». Иначе говоря, - каналов взаимодействия с объектом, управляемых параметров. Однако в любом случает, независимо от того, микропроцессор какого уровня сложности и архитектуры установлен в данном управляющем контроллере, для его работы нужна предварительно подготовленная программа. В которой должны быть точно и последовательно описаны все действия механизмов станка, необходимые для изготовления или обработки требуемой детали.

При работе станков с ЧПУ используется два вида программ:

● Системные (служебные) программы, которые хранятся в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве системы). Они обеспечивают начальный этап работы контроллера после включения, отвечают за настройку станка и всей системы, ее способность понимать команды оператора и взаимодействовать с внешними устройствами.

● Управляющие - внешние программы. Содержат набор команд и инструкций для исполнительных органов станка. Управляющие программы (УП) в контроллер может пошагово вводить оператор, возможен ввод с внешних носителей информации, а в современных системах программы могут поступать прямо с компьютеров разработчиков ПО через компьютерную сеть предприятия.

Заменив человека, который до наступления эры станков с ЧПУ сам успешно справлялся с изготовлением нужных деталей, программируемый блок управления, он же - контроллер, должен обеспечить требуемый результат, пошагово включая и выключая механизмы передвижения стола, заготовки и инструментального магазина, меняя режимы вращения или скорость поступательного движения заготовки. В результате выполнения программы должна быть получена деталь, полностью соответствующая заданию по размерам и чистоте обработки поверхностей.

Компании, которые стояли у истоков разработки и производства систем CNC, на первом этапе программировали свои станки при помощи собственных, специально разработанных команд. Если бы при таком подходе на производство попали станки с ЧПУ от разных производителей, подготовка программ для их работы была бы трудно выполнимой задачей. Чтобы попытаться обеспечить программную и техническую совместимость оборудования различных брендов, язык создания программ для станков с ЧПУ был унифицирован.

Базовым управляющим кодом для подготовки программ стал набор команд, разработанный специалистами компании Electronic Industries Alliance в 60-е годы прошлого столетия. Это так называемый язык «G» и «M» кодов, который чаще называют просто G-кодом (G - code ). Принятые в этом языке обозначения подготовительных и основных функций начинаются с латинской буквы «G», а обозначение дополнительных - технологических команд - с буквы « M ».

«G»« и «M» коды в программах для станков с ЧПУ

По стандарту все команды, код которых начинается с буквы « G », предназначены для линейного или кругового передвижения рабочих органов станка, выполнения определенных последовательностей действий, функций управления инструментами, сменой параметров координат и базовой плоскости. Синтаксис команды обычно состоит из наименования G-кода, координат или адресов перемещений (X, Y, Z) и заданной скорости движения рабочего органа, обозначаемой буквой « F ».

В команду может быть включен параметр, описывающий продолжительность паузы, так называемую выдержку - «P», указание о параметрах вращения шпинделя - « S », значение радиуса - « R », функцию коррекции инструмента - « D », а также параметры дуги « I », « J » и « K ».

Например: G01 X0 Y0 Z110 F180; G02 X20 Y20 R5 F 200; G04 P1000 .

В первом примере код G01 обозначает «линейную интерполяцию» - прямолинейное перемещение с указанной скоростью (F) к заданной точке с координатами (X , Y , Z ). Во втором примере указан код G02, который описывает дугообразное перемещение (круговая интерполяция). При этом код G02 соответствует перемещению в направлении вращения часовой стрелки, а его антипод G03 - против. В третьем примере содержится код команды, описывающий время задержки в миллисекундах.

Технологические команды, обозначаемые буквой « M », отвечают за включение или отключение определенных систем станка, смену инструмента, начало или окончание какой-либо специальной подпрограммы, другие вспомогательные действия.

Например: M3 S2000; M98 P101; M4 S2000 M8.

Здесь в первом примере указана команда о начале вращения шпинделя со скоростью « S ». Во втором - распоряжение о вызове указанной подпрограммы « P ». Третий пример описывает команду о включении основного охлаждения (M 8) при вращении шпинделя со скоростью (S) в направлении против часовой стрелки (M4).

Методы создания и структура управляющих программ

Современное оборудование позволяет создавать программы для работы станков с ЧПУ несколькими способами:

● Написание программы вручную или в текстовом редакторе ПК. Необходимый этап в подготовке специалистов для работы на станках с ЧПУ. Подходит также как основной способ программирования на производствах, где в течение длительного времени выпускают несколько простых деталей, не прибегая к перестройке оборудования.

● Составление и ввод программы на стойке ЧПУ. Пульт управления большинства современных систем управления содержит клавиатуру и дисплей, что позволяет программировать и просматривать виртуальную имитацию процесса обработки непосредственно на рабочем месте. Многие системы позволяют производить ввод программ в «фоновом» режиме, когда станок занят обработкой заданной детали.

● Использование возможностей CAD - CAM систем компьютеризированной подготовки производства. Специальное программное обеспечение позволяет создать трехмерную модель детали, рассчитать и подготовить программу для ее производства. А также виртуально «изготовить» требуемую деталь, используя реальные данные о кинематике конкретного станка. Этот метод позволяет создавать управляющие программы быстро и точно, практически исключить ошибки программирования и связанную с этим порчу заготовок. Особенно высока эффективность данного способа при создании УП для изготовления особо сложных деталей.

Структурно программа в G-кодах состоит из кадров. Так называют группы команд, которые предназначены для совершения какого-либо завершенного действия. Кадры могут состоять и из одной команды. Об окончании каждого «кадра» сообщает знак перевода строки (ПС/LF). Каждая программа начинается с пустого «кадра», который состоит их знака «%», а заканчивается кодами М02 или М30, обозначающими соответственно финиш программы или окончание имевшегося в памяти информационного блока.

Указанная структура и язык подготовки программ для оборудования с ЧПУ закреплены в международных стандартах RS 2740, ISO-6983-1.82, а также ГОСТ СССР 20999-83. Отечественные профильные специалисты часто используют обозначение «ИСО-7 бит», которое закрепилось за программами в G-кодах еще со времен СССР. Программисты компаний, которые разрабатывают и производят станки с ЧПУ, при подготовке программного обеспечения обязаны придерживаться требований мировых стандартов.

В некоторых случаях, когда разработчики наделяют свои системы дополнительными возможностями и некоторыми специальными функциями, могут иметь место определенные отклонения программного обеспечения от стандарта создания программ в G и M кодах. В таких случаях следует внимательно изучить документацию, которая должна быть предоставлена производителем оборудования.

Системы ЧПУ всемирно признанных лидеров отрасли

Программное обеспечение для цифровой управляющей системы SINUMERIK , которую выпускает всемирно известная корпорация SIEMENS AG , также базируется на G и M кодах, но содержит и некоторые дополнительные команды, не включенные в стандарт. Современные полностью цифровые системы на базе платформы Sinumerik 840D используются на самых ответственных процессах металлообработки , требующих высокой точности и быстродействия.

Многовариантность и гибкость программирования в G и M кодах учтена создателями программных станций и передовых систем ЧПУ HEIDENHAIN . Эта немецкая компания успешно работает в направлении модернизации устаревших станков NC за счет установки новых управляющих систем. Универсальные программные станции от компании Heidenhaih позволяют не только создавать необходимые программы обработки на персональных компьютерах, но и тестировать ПО, подготовленное при помощи CAD-CAM систем.

Системы управления, которые производит японская компания FANUC, известны во всем мире и используются на многих предприятиях. Очень популярны стойки ЧПУ от FANUK LTD и в России. Специалисты этой корпорации одними из первых адаптировали работу своих систем под программы в G и M кодах, и сумели организовать работу самых сложных систем строго в рамках стандарта программирования. Распространенные стойки FANUK серии 0i рассчитаны на работу с 6-8 управляемыми осями (одновременное управление - 4 оси). Стойки серий 30 i -35 i позволяют производить высокоточную обработку на наивысших скоростях, и являются пока недостижимым ориентиром для многих конкурентов.

Успешно работает в России и странах СНГ испанская компания FAGOR AUTOMATION . Ее последние разработки, к которым относится ЧПУ FAGOR CNC 8070, полностью совместимы с персональным компьютером, имеют феноменальные возможности и могут управлять самыми сложными станками. Возможно управление по 28 (!) интерполируемым осям (4 канала одновременно), может поддерживать по 4 шпинделя и инструментальных магазина. Создатели системы гарантируют скоростную обработку, нанометрическую точность и высочайшую чистоту обработки поверхности.

Приятно отметить, что наряду с иностранными компаниями на рынке разработки и производства систем управления для станков с ЧПУ с 1998 года успешно работает российская компания «БАЛТ-СИСТЕМ» . Специалисты считают, что при модернизации устаревшего оборудования выгоднее всего устанавливать системы от «Балт-Систем», так как они в несколько раз дешевле импортных, вполне надежны и функциональны. На российских предприятиях успешно работают и отлично себя зарекомендовали устройства ЧПУ NC-210, NC-220, NC-230. Самые сложные обрабатывающие центры и высокоскоростные многосуппортные станки могут работать под управлением стойки NC-110, которая на сегодня является лучшей в соотношении цена-качество.

Станки с ЧПУ прочно вошли в нашу жизнь и стали незаменимыми помощниками человека в производственной деятельности. Без этих систем было бы невозможно изготавливать многие, успевшие стать привычными и обыденными вещи. Причем все необходимые детали станки под управлением ЧПУ обрабатывают быстро и качественно, с недостижимой ранее точностью, а при массовом производстве - невероятно низкой себестоимостью. Дальнейшее развитие систем ЧПУ идет по пути объединения отдельных станков в производственные комплексы, удешевления процесса подготовки производства и снижения стоимости управляющих систем. Пожелаем разработчикам успеха!

Системы ЧПУ по своему назначению подразделяют на позиционные, прямоугольные, контурные и комбинированные.

В позиционных -рабочие органы автомати­чески устанавливаются в позицию, определенную программой управ­ления, без обработки в процессе их перемещения. Так как траекто­рия обработки при перемещении с одной позиции на другую не зада­ется, время перемещения должно быть минимальным. Такие системы применяют в основном при управлении сверлильными и расточными станками.

В прямоугольных -рабочие органы переме­щаются по программе поочередно вдоль осей координат на заданные расстояния. В большинстве станков применяют прямоугольные коор­динаты, поэтому она и носит название прямоугольной. Эти сис­темы применяют в фрезерных, токарных и шлифовальных станках.

В контурных -для получения необходимого контура обработки рабочий орган автоматически перемещается по произвольной траектории со скоростью, заданной программой управ­ления. Эти системы также применяют в токарных и фрезерных станках.

Для удобства распознавания систем программного управления были приняты обозначения станков с ЧПУ с добавлением следующих индексов: Ф1 - станки которые имеют цифровую индикацию положения рабочих органов, а также ручной ввод данных; Ф2 - позиционные системы ЧПУ, ФЗ - контурные; Ф4 -смешанные системы про­граммного управления.

В зависимости от числа потоков информации, системы ЧПУ подразделяются на незамкнутые, замкнутые и адаптивные.

Незамкнутые — характеризуются одним пото­ком информации, направленным от блока управления к исполнитель­ному механизму. В них отсутствует информация о факти­ческом положении механизма, что снижает точность управления, станком.

Замкнутые- работают по двум потокам инфор­мации - задающей и информации обратной связи, содержащей дан­ные о фактической скорости перемещения узлов, их положения и другие сведения о протекании процесса обработки.

Наиболее сложной и точной системой числового управления стан­ками является адаптивная, при которой процесс обработки автоматически приспосабливается к изменяющимся условиям. Такие системы часто называют самонастраивающимися, или само­приспосабливающимися. В них так же, как и в замкнутых, используются два потока информации плюс еще один поток о воз­можных изменениях, возникающих в процессе обработки; к числу такой информации относятся износ инструмента, изменение сил ре­зания, трения и т. д.

Устройство ЧПУ состоит из электронного блока и электрического канала связи с механизмами управляемого станка. Оно имеет панель управления, с которой осуществляются выбор режима управления, корректировка и отладка программы, контроль и другие операции. Устройство пульта зависит от системы программирования. В соответ­ствии с международной классификацией системы ЧПУ по уровню своих технических возможностей делятся на следующие классы:

NС - обладает покадровым чтением программоносителя на про­тяжении цикла обработки заготовки;

SNС -производит однократное чтение с программоносителя перед началом обработки партии одинаковых деталей;

CNС -с встроенной мини-ЭВМ (в том числе и микропро­цессором) ;

DNС -прямо управляющая группами станков от одной ЭВМ;

HNС -имеющая ручной набор данных с пульта управления.

В настоящее время наиболее широко распространены станки, оснащенные системами ЧПУ классов NC и SNC, имеющие ограниченное число информационных каналов.

В группе NС после включения станка читается первый и второй кадры программы. Затем станок начинает выполнять команды пер­вого кадра, а информация второго остается в запоминающем уст­ройстве. После выполнения команд первого кадра станок выполняет команды второго кадра, а третий кадр в этот момент считывается и запоминается и т. д. Недостатком такой системы является необходи­мость для обработки каждой заготовки читать все кадры программы, что в условиях частых сбоев при считывании сможет привести к браку продукции.

Устройство SNС отличается от предыдущей увеличенным объемом памяти. В ней прочитываются и запоминаются все кадры программы и информация считывается только один раз перед обра­боткой партии заготовок. В результате резко снижается вероятность сбоев, а следовательно, сокращается и брак. К числу систем классов NС и SNС принадлежат отечественные устройства ЧПУ «Контур-2ПТ» и Н-22, применяемые для токарных станков, НЗЗ - для фрезерных станков, «Размер 2М», H-ЗЗ - для координатно-расточных станков.

Устройства числового управления классов СNС, DNС и HNС с встроенными мини- и микроЭВМ обладают большими возможнос­тями, в частности в них сочетаются функции управления станком и решение задач подготовки управляющих программ; они могут из­менять и корректировать не только управляющие программы на изде­лия, но и программы функционирования самих систем с учетом осо­бенностей данного станка. На рис. 1.1 показана схема системы ЧПУ

класса СNС. С помощью такой си­стемы можно в режиме диалога редактировать программы и выводить нужную информацию на экран дис­плея. Устройства ЧПУ с мини-ЭВМ «Электроника НЦ-31» («Электрони­ка НЦ-80») (рис. 1.2) применяются для управления различными метал­лорежущими станками. На базе вы­числительной машины «Электроника- 60» созданы устройства ЧПУ типа 2М43, 2С85, 2С42, 2Р22, 2Р32.

В функции систем класса Б1ЧС входит управление от центральной ЭВМ гибкой производственной си­стемой, включающей автоматизиро­ванный склад, транспорт, промыш­ленные роботы и станки.

В ЧПУ класса НNС с ручным вводом программ в элек­тронную память программа легко и быстро набирается с помощью клавиш на пульте. В такой системе отсутствует ряд блоков, на­пример вводное устройство передачи данных с перфоленты и др., что снижает ее стоимость по сравнению с системами класса CNС в 2-3 раза.

Рис. 1.2. Общий вид дисплейного блока УЧПУ «Электроника НЦ-80»

(исполнение I), где: 1 - кассета внешней памяти, 2 - экран дисплея, 3 - кнопки «меню», 4 - кноп­ка режимов, 5 - цифровая клавиатура

На сегодняшний день средства ЧПУ стали более развитыми, чем несколько лет назад. Появились ЧПУ, представляющие гибкую систему, которая может быть запрограммирована на обработку деталей на разном оборудовании: от простого трехкоординатного фрезерного станка до сложного многокоординатного станка или управлять несколькими видами обработки. В связи с этим поменялся и подход к выбору системы ЧПУ. На основании главного требования – повышение эффективности производства появляются новые специализированные модели ЧПУ, ориентированные не только на вид и сложность обработки, но и тип производства, типы задач (величину предприятия).

Иногда с целью снижения себестоимости набор функций аппаратных и программных средств СЧПУ уменьшают до минимального объема. Такая усеченная система управления существенно снижает возможности станка при модернизации и требует полной замены системы ЧПУ. Чем шире набор функций, предусмотренных в базовом ЧПУ, тем больше возможности оборудования после модернизации. Для сложного дорогостоящего оборудования появляются дополнительные опции, расширяющие функциональные возможности ЧПУ.

В настоящее время для систем ЧПУ высокого класса актуальны следующие требования:

открытая аппаратная и программная архитектура;

возможность аналогового и цифрового управления приводами;

возможность подключения различных типов датчиков;

возможность многоканального управления;

наличие большого объема памяти под технологические программы;

наличие расширенного диалога с оператором;

наличие постпроцессоров для наиболее распространенных систем САМ;

оптимизация режимов обработки;

контроль результатов обработки, самодиагностика и устранение погрешностей с помощью интеллектуальных средств;

возможность обслуживания станков в режиме удаленного доступа;

оперативная и надежная поддержка сервиса при эксплуатации.

Для развития архитектуры систем ЧПУ существует два направления – двухкомпьютерные архитектурные модели и однокомпьютерный вариант, требующий большей вычислительной мощности. Архитектурные варианты отражают общие принципы: разграничение системных, прикладных и коммуникационных возможностей, возможность независимого их развития на основе оригинальных разработок, стандартизация интерфейсов и транзакций. Для открытых систем характерны поддержка SERСOS интерфейса, Profibus, стандартная PC платформа, поддержка языков электроавтоматики согласно стандарту IEC – 61131 – 3.

Программная архитектура ЧПУ обеспечивается во многом через функ-ционирование ядра ЧПУ, которое называют также геометрической задачей, подсистемой формообразования, SoftCNC, SoftMotion, MotionControl. Ранее подсистему формообразования строили путем установки на шину компьютера платы с проблемно-ориентированным процессором, отдельной оперативной системой. Такое решение обеспечивало полностью закрытую систему.

Привлекательны открытые системы, полностью реализованные (включая интерфейс оператора (Motion Control) и контролер электроавтоматики) на единой Windows платформе. Подсистема Motion Control допускает неограниченное расширение путем создания новых функций и приложений, а также интерфейс оператора. Открытые системы позволяют использовать Web доступ на основе унифицированных средств: языка XML, OMAC (Open modular architecture for controllers) – схемы и протокола SOAP (Simple Object Access Protocol). При этом реализуется концепция взаимодействия оборудования в рамках жизненного цикла производст-ва изделий от проектирования через весь технологический процесс.

Несколько лет назад фирма Boeing предприняла инициативу «проектирование и производство в любом месте ». Согласно этому принципу с использованием выше названных инст-рументов разработана архитектура системы ЧПУ типа GNC (Generative Numerical Control, интеллектуальная система ЧПУ ) для операционной системы Windows. В этой системе технологии XML, OMAC встроены в традиционную закрытую систему ЧПУ для интеграции оборудования в единое производственное информационное пространство. Также с использованием этих технологий возможно создать гомогенную информационную структуру над системами ЧПУ разных производителей.

Для получения открытой системы и превращения станка с ЧПУ в узел корпоративной сети, использующий XML, OMAC схемы, распространяющий, получающий, разделяющий информацию по всему предприятию и за его пределами, многие пользователи устанавливают дополнительное оборудование, например, внешний компьютер.

Развитие программного управления станками привело к созданию интеллектуальных цифровых приводов, обеспечивающих высокую скорость и точность при минимальных затратах. Для их использования необходим быстродействующий цифровой открытый и стандартный интерфейс, который обеспечивает возможность подключения вводов от любых производителей. Всем этим требованиям отвечает SERСOS интерфейс (Serial realtime communication system) для цифровых следящих приводов; он стал для систем ЧПУ мировым стандартом IEC 61491.

Каждая координатная ось управляется циклическими командами, генерируемыми интерполятором системы управления. При этом обеспечивается совокупная точность интерполируемого движения. Сигналы цифрового привода обрабатываются микроконтроллером, при помощи которого осуществляется управление подачей и вращением шпинделя, а также выполняется тонкая интерполяция и позиционное управление с исключительно коротким циклом. От обычного привода его отличает большая точность, что особенно важно при высоких скоростях подачи – т.е. для высокоскоростной обработки. Циклом для цифровых приводов служит цикл системы ЧПУ.

При производстве СЧПУ ведущую роль играют микросхемы, в последнее время укоренилась тенденция к унификации, увеличению быстродействия, уменьшению размеров при увеличении надежности. Доступность основных микросхем и блоков на рынке позволяет небольшим компаниям собирать собственные системы и конкурировать в сегментах рынка, где существуют специальные условия с тройкой признанных лидеров: Siemens, Heidenhain, GE Fanuc Automation.

Однако применение таких систем на больших предприятиях малоперспективно, т.к. чем больше на предприятии станков, оборудованных системами ЧПУ одного производителя, тем проще их обслуживать. Не требуется специальных знаний по каждой системе, что позволяет проще обучать персонал и обеспечивает возможность быстрой адаптации и обучения новых работников. При этом стоит учитывать, что современные устройства ЧПУ способны эффективно применяться как в крупносерийном производстве, так и при изготовлении мелкосерийной продукции, используя стандартные циклы обработки или режим обучения, повторения действий, выполненных оператором вручную. В силу не-большого объема вычислений по сравнению с персональными ЭВМ для процессоров систем ЧПУ важна не производительность, а тактовая частота, т.к. она определяет частоту выдачи приводам управляющих команд, а это определяет дискретность перемещений, качество и точность получаемых поверхностей.

Весьма важным представляется факт приемо-сдаточных испытаний новых или модернизированных станков с ЧПУ. Как правило, ограничиваются обработкой тестовой детали, однако такие испытания не всегда дают правильное представление о повторяемости размеров обрабатываемых деталей и точности Кроме того, необходимо проверить правильность работы функций, отвечающих за вывод информации о неисправностях в процессе эксплуатации.

Информация о широкораспространенных моделях ЧПУ представлена в таблице 1 (см. стр. 36).

Компания HEIDENHAIN разработала новое поколение систем ЧПУ, для которого была создана новая платформа и новая операционная система, названная NC-Kernel . На этой базе в настоящее время актуальны несколько систем управления.

Во-первых, компактная система ЧПУ ТNC 320 . Она обладает возможностью управления фрезерными, сверлильными или расточными станками с аналоговыми приводами подач и шпинделем. Количество управляемых осей - до 5. Модель призвана занять сегменты модернизации универсальных станков и обработки простых деталей с маленькой партионностью, где большие станки со сложными системами ЧПУ не рентабельны. Станок, оборудованный такой системой, может использоваться и в ручном режиме с управлением перемещениями по координатам при помощи электронных маховичков.

– цифровая система ЧПУ на базе NC-Kernel, она позволяет управлять станками с числом координат до 5. Модель характеризуется новым интерфейсом управления HSCI (HEIDENHAIN Serial Controller Interface), который имеет сходные с интерфейсом Ethernet коммуникационные возможности.

Токарный вариант ЧПУ на базе NC-Kernel носит название MANUALPlus 4110 . Система позволяет управлять 2-мя координатами и шпинделем, также возможно активизировать ось С и приводной инструмент. Для упрощения программирования включен новый режим Smart Turn, предназначенный для более «дружественного» программирования, даже в условиях мастерской.

Также остается актуальной и самая мощная цифровая система HEIDENHAIN iTNC 530 , которая применяется ведущими производителями станков. Данная система обладает всеми преимуществами систем управления на базе NC-Kernel и интерфейса HSCI.

Корпорация Fanuc создала высокоуровневую систему серии 30 , ориентированную на повышенную производительность. Системы этой серии предназначены для 5 координатной обработки. В отличии от предыдущих серий 16, 18, 21, использовавших процессоры Intel, обеспечивавших низкое энергопотребление, высокую надежность, в 30 серии используется RISK процессор компании IBM, т.е. процессор с сокращенным набором команд, за счет чего повышается производительность процессора. В 15 серии использовался процессор серии G фирмы Motorola. Система использовала источник на 200 В и выделяла много тепла, по этой и другим причинам 15 серия не получила широкого распространения, однако программное и аппаратное обеспечение 15 и 16 серий использовано в 30 серии . В результате ЧПУ 30 серии должны обрабатывать больше координат и процессов, например, система может управлять 32 сервоприводами и 8 шпинделями. По некоторым утверждениям эти системы могут производить расчеты для интерполяции с нанометрической точностью.

Компания Siemens для систем управления Sinumerik для повышения эффективности работы использует усовершенствованные пакеты программ ShopMill, ShopTurn, SinuTrain. Программа SinuTrain дает возможность изучать систему управления ЧПУ и отлаживать программы обработки деталей на ПК. Программа может использоваться и для обучения, и на производстве.

Система 8070 компании Fagor ориентирована, прежде всего, на управление высокоскоростной обработкой. Одна из особенностей этой системы – максимальная синхронизация сервоприводов станка для обеспечения максимальной точности, особенно важной при большом количестве оборотов инструмента или детали. Большая роль в достижении необходимых характеристик принадлежит интерфейсу SERCOS. Позволяет управлять 28 осями и 4 шпинделями. При этом система позволяет объединять до 4-х станков в производственные узлы или управлять 4-я станками.

Компания Bosch Rexroth выпустила новую версию системы ЧПУ
IdraMotion MTX на основе процессора Intel. Система двухканальная, при этом традиционно по одному каналу можно управлять фрезерованием, по другому точением, в этой системе по одному каналу происходит движение информации по технологии обработки, по другому информация по управлению. Система включает компактную версию, стандартную и высокопроизводительную. Предполагается многокоординатная обработка системой – 64 – 144 координат.

По мнению разработчиков система может быть применена в сегменте газопламенного и газоструйного резания, где традиционно имелось ограничение из-за типов используемых контроллеров. В ней реализована ключевая функция, необходимая для применения в технологиях раскроя – retrace. При перемещении по заданной траектории резания в случае возникновения какой-либо проблемы, например, прекращения подачи абразива в водонапорную струю или прекращении подачи газа, образуется необработанный участок.

Если траектория движения рабочего органа сложная, то повторить движение в обратном порядке обычном способом практически невозможно. Функция Retrace позволяет просто передвинуть джойстик или нажать кнопку возврата, и ЧПУ отработает возвращение назад, пока оператор не решит, что достигнуто место, где прервался процесс обработки, и перезапустит машину.

Модель C64 корпорации Mitsubishi реализует нетрадиционный подход. Система предназначена для контурной обработки, имеет исполнения для работы на фрезерном и токарном оборудовании и максимально способна управлять
14-ю осями и двумя шпинделями, система многоканальная (от 2 до 7 каналов в разных исполнениях). При этом не используется операционная система Windows и реализован упрощенный интерфейс оператора, исключающий большое количество информации на экране, ввод и редактирование программ происходит в кодах ISO.

Отечественные производители продолжают разработки собственных систем с учетом мирового опыта. Безусловно, отечественным системам весьма сложно конкурировать с зарубежными, однако, у них находятся свои преимущества – возможность модернизации ранее поставленных систем отечественных производителей, близость разработчиков к объектам модернизации или поставки, оперативность, отсутствие языковых барьеров и т.д. Далее приводится обзор некоторых производителей.

Предприятие Модмаш – софт выпускает универсальные СЧПУ FMS – 3000 , FMS – 3100 с открытой архитектурой системы управления. Их адаптация к конкретному типу станка осуществляется с помощью программы электроавтоматики и разветвленной системы параметров. Основа этих систем – персональный компьютер промышленного исполнения. Программное обеспечение реализовано с использованием библиотеки RT-Kernel, гарантирующей высокое качество выполнения таймерных задач управления сервоприводами и циклами электроавтоматики. Открытая структура также позволяет включать в состав системы программные модули пользователя. Способна управлять до 32 осей, контролер Ethenet.

ЧСПУ модели 3000 предназначена для установки на различные типы технологического оборудования: фрезерные, расточные и копировальные станки, а также обрабатывающие центры и машины термической резки. Система 3100 разработана для управления намоточными, токарными и токарно-карусельными станками.

Существуют модификации этих систем STANDART И CОMFORT. Исполнение CОMFORT имеет большую FLASH память и большее число входов выходов.

Компания Ижпрэст представляет универсальные устройства ЧПУ Маяк 400, 500, 600 (Е), 610 (Е), 621 (Е) для управления различными видами технологического оборудования: фрезерным, токарным, расточным, шлифовальным, для электронно-лучевой сварки, лазерного и плазменного раскроя. Блок ЧПУ и пульт оператора соединены последовательным интерфейсом. ЧПУ встраивается в электрошкаф, а пульт оператора в пульт станка. «Маяк 600» в базовой комплектации позволяет управлять не более чем 10 координатами. К измерительным контурам можно подключать фотоэлектрические и индуктивные датчики обратной связи. Ввод и вывод управляющих программ и параметров – через FDD, Ethernet, Flash накопители. Предусмотрены постоянные циклы сверления, расточки, нарезания резьбы. Возможно программирование циклов пользователя с добавлением дополнительных G функций, кадры управляющей программы готовятся в формате ИСО. Число входов/выходов 512 и более, такт управления приводами 1с. Поддер-жка интерфейсов RS 485 и CAN.

Балт-Систем

производит системы УЧПУ NC–201, 202, 210, 220, 230, 310 . NC310 – одна из наиболее современных систем ЧПУ на базе высокоскоростной шины SSB. Спроектирована на основе принципа открытой архитектуры, может управлять до 8 осей, такт управления приводами 1 мс. Предназначена для комплектации фрезерно-сверлильно-расточной группы, токарно-карусельно-револьверной групп, а также газопламенного и лазерного оборудования. Система с индексом 110 может управлять числом осей до 17.

Компания Микрос разработалаУЧПУ «Микрос-12» с использованием принципов архитектуры промышленного компьютера с собственной операционной системой. Управление осуществляется в диалоговом режиме с использованием меню. Встроенный имитатор входных и выходных сигналов станка позволяет проводить предварительную отладку программы управления электроавтоматикой без включения станка. ЧПУ Микрос имеют систему самодиагностики. Число управляемых осей 4 и более, используемые интерфейсы Ethernet, RS 232, USB. Существуют модели системы, предназначенные для управления токарными (5 координат), фрезерными (12 координат), шлифовальными (5 координат), электроэрозионными станками. В название системы добавляется соответствующие обозначения – Т, Ф, Ш, Э. Системы ТС1 предназначены для управления сверхточными токарными станками. Позволяет производить обработку с субмикронной точностью. Дискретность программируемых перемещений 1 нанометр по линейным осям и 2*10 -5 o по круговой оси В. Такт управления приводами 1 мс.

К. Л. Разумов-Раздолов
ООО «Русэлпром - Оснастка»
e-mail: [email protected]

Системы ЧПУ первого поколения имели элементную базу на дискретных полупроводниковых элементах (транзисторах). 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).

Системы ЧПУ второго поколения

Системы ЧПУ второго поколения имели элементную базу малой (серия 155) и средней (серия 176) степени интеграции, 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).

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.

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», ЗС100, ЗС200. В устройствах ЧПУ четвертого поколения ввод программы осуществлялся электронной кассетой или кассетой на цифровых магнитных доменах.

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)

Технологические операции, выполняемые на станке: фрезерование, шлифование и т.п.;

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.;

Величины перемещений рабочих органов станка - суппорта по двум координатам, стола по двум координатам, шпиндельного узла по линейной и угловой координатам и т.д.;

Величина дискретности (цена деления) - минимальное задание перемещения по программе (шаг);

Точность и повторяемость позиционирования по управляемым координатам;

Привод главного движения - тип, номинальное и максимальное значения мощности, пределы скоростей вращения шпинделя (ступенчатое или бесступенчатое), число рабочих скоростей, число автоматически переключаемых скоростей;

Привод подачи станка - координата, тип, номинальный и максимальный моменты, пределы скоростей рабочих подач и число скоростей рабочих подач, скорость быстрого перемещения;

Число инструментов - в резцедержателе, револьверной головке, инструментальном магазине;

Вид смены инструмента - автоматический, ручной;

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.

Список литературы

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