Классификация и виды СЧПУ

Электронные элементы с высокой степенью интеграции позво­ляют унифицировать аппаратные решения УЧПУ для различных групп станков. Это ведет к сокращению числа модификаций СЧПУ, времени их проектирования, изготовления и освоения. Гамма СЧПУ на базе микроЭВМ «Электроника-60» включает три модификации:

2С85, 2СЧ2, 2Р22. Специализированные микроЭВМ «Электроника НЦ-31» и «Электроника НЦ80-31» также дали возможность развития другой гаммы СЧПУ, при этом последняя обладает модульной струк­турой и позволяет увеличивать число управляемых координат нара­щиванием модулей, в том числе модуля программируемого командоаппарата.

Микропроцессорные УЧПУ для различных станков, имея оди­наковую аппаратную часть, различаются составом программно-математического обеспечения (ПМО) при создании для различных станков базовой его части. К базовому ПО относятся программные блоки операционной системы, блок управления дисплеем, язык высо­кого уровня для программирования электроавтоматики. СЧПУ имеют устройства для хранения и редактирования программ.

Устройства ЧПУ каждой группы имеет свои особенности, опре­деляемые конструкцией МРС и технологией обработки, внутри групп проводится деление по различным признакам: числу управляемых координат, виду программоносителя, приводу подач, типу электрон­ных элементов и т.д.

Все многообразие видов структур СЧПУ подразделяют на две большие группы:

1. ЧПУ с постоянной структурой (NC, HNC, SNC), имеющие схемную реализацию алгоритмов' работы (интерполяции, типовых циклов и т.д.). К ним относятся «Контур 2ПТ», «Н22» для токарных;

«Контур ЗМТ», «НЗЗ» для фрезерных; «Размер 2М», «ПЗЗ» для координатно-расточных; «Ш-111М», «П-111» для шлифовальных; «Контур 2П-67» для электроэрозионных станков.

2. СЧПУ с программной реализацией (CNC, DNC), большинства алгоритмов работы. Управление осуществляется от микропроцессора или встроенной микроЭВМ. В устройствах имеется возможность фор­мировать типовые циклы обработки применительно к различным тех­нологическим задачам. Как правило, эта часть ПМО хранится в ПЗУ и может быть видоизменена при заказе УЧПУ на заводе-изготовителе станка. Системы CNC позволяют программировать логику работы электроавтоматики силового оборудования станка, т.е. выполняют функции программируемого командоаппарата (ПК).

По степени конструктивного совершенства и функциональным возможностям СЧПУ различаются:

ЧПУ (NC - Numerical control) – числовое программное управле­ние обработкой на станке по программе, заданной в алфавитно-цифровом или унитарном коде. Ввод программы производится с внешней памяти. Пример: системы Н221М, Н331М для токарных и фрезерных с инструментальными магазинами.

ОСУ (HNC - Hand NC) – оперативная система ЧПУ с ручным заданием программы с пульта управления (на клавишах или другой аппаратуре), например устройства на базе микроЭВМ «Электроника НЦ-31» для токарных станков и др. Развитием HNC являются TCN (Total NC), имеющие в своем составе внешнюю память на гибких дисках и дисплеи, а также СЧПУ типа VNC (Voice NC), где управ­ляющая информация вводится непосредственно с голоса и контроли­руется изображением на дисплее.

SNC (Speicher или Memory NC) – разновидность СЧПУ, имею­щая память для хранения всей управляющей программы, например система Н331М с модулями памяти для фрезерных станков с инстру­ментальными магазинами.

Компьютерное ЧПУ (CNC - Computer NC) – автономная СЧПУ, содержащая ЭВМ или процессор с программой реализации алгорит­мов, например система 2СЧ2 для многооперационных станков.

DNC (Direct NC) – система управления группой станков от об­щей ЭВМ, при этом у станков устанавливаются различные рассмот­ренные выше типы, например автоматизированный участок типа АСК-10 из многооперационных станков.

По виду движения исполнительных механизмов станка, опреде­ляемого геометрической информацией в программе, СЧПУ подразде­ляется на следующие типы:

1. Позиционные – обеспечивают установку рабочего органа стан­ка в позицию, заданную ПУ станком, без обработки в процессе пере­мещения рабочего органа. Перемещение инструмента от одной коор­динаты обработки к другой выполняется на ускоренных ходах при произвольных траекториях и минимальных затратах времени. Приво­ды подач отличаются быстродействием и значительными скоростями перемещения при малой дискретности, а также имеют повышенные требования к точности позиционирования.

2. Контурные прямоугольные (коллинеарные) – обеспечивают рабочее движение по одной координате, обрабатываемая поверхность параллельна (коллинеарная) направляющим данной координаты, которая, как в позиционных, программируется по циклу «начало-конец». Отличие в том, что в программе задается скорость движения в соот­ветствии с требуемым режимом резания и перемещение выполняется поочередно по каждой из координатных осей. Применяются для оснащения станков фрезерной, токарной и шлифовальной групп.

3. Контурные криволинейные – обеспечивают формообразование при обработке в результате одновременного согласованного движения по нескольким управляемым координатам, которых может быть более трех. Эти системы являются наиболее сложными как с точки зрения алгоритма работы УЧПУ, так и с точки зрения требований, предъяв­ляемых к приводу подач. Программу движения привода подач по от­дельным координатам рассчитывают исходя из данной формы детали и результирующей скорости движения, определяемой режимом реза­ния.

Разновидностью контурных СЧПУ являются синхронные (или синфазные) системы, применяемые в основном в зубообрабатывающих станках. Система ЧПУ задает постоянное соотношение скоростей по двум или большому числу координат осей станка, а формообразова­ние обеспечивается благодаря конфигурации инструмента. Соотноше­ние скоростей движения по осям задается программой.

В большинстве случаев требуется не только обеспечить опре­деленное соотношение средних скоростей движения по координатам, но также сохранить определенное рассогласование (синфазность) в приводах координат. Одна из координат станка (обычно главный при­вод) служит задающей и на ней устанавливают измерительный пре­образователь (датчик). Синфазная система входит как составной эле­мент в УЧПУ токарно-винторезных станков для обеспечения режимов нарезания резьбы.

4. Комбинированные – включают в себя контурные и позицион­ные, применяются, в основном, для управления многооперационными станками с ГПМ; их создание позволило сократить номенклатуру УЧПУ.

5. Автоматизированная система централизованного управления – комплекс металлорежущего оборудования с ЧПУ, связанный единой автоматизированной транспортно-накопительной системой и управ­ляемый от ЭВМ. В ней можно выделить несколько более простых систем, в том числе и DNC – для управления группой МРС.

По числу потоков информации СЧПУ подразделяются на сле­дующие типы:

1. Разомкнутые (импульсно-шаговые) – характеризуются только одним потоком информации от СЧПУ к исполнительному органу станка, отсутствием цепей обратной связи, наличием надежных и бы­строходных шаговых двигателей и передач «винт-гайка качения», обеспечивающих достаточно высокую точность позиционирования; применяются в основном для управления малых и средних МПС.

2. Замкнутые СЧПУ – характеризуются двумя потоками ин­формации: один от СЧПУ, второй – от датчика обратной связи. Об­ратная связь позволяет сопоставить фактическую обработку про­граммы с заданной и устранить возникающее рассогласование, при этом обеспечивается более высокая точность обработки по сравнению заданной, но она более сложна и дорогостояща. Замкнутые СЧПУ применяются для управления МРС средних и крупных размеров.

3. Самонастраивающиеся (адаптивные) СЧПУ характеризуются возможностью приспосабливаться к изменению внешних условий. По­мимо основного они имеют дополнительные потоки информации, позволяющие корректировать процесс обработки с учетом деформации системы СПИД и ряда случайных факторов, таких как затупление режущего инструмента, колебания припуска и твердости заготовки и др.

На станкостроительных и машиностроительных заводах экс­плуатируются станки, оснащенные СЧПУ различных типов, моделей, годов выпуска и выполненные на различной элементной электронной базе. Можно выделить четыре основных этапа в развитии станков и систем ЧПУ:

1. Создание первых промышленных образцов отечественных станков с ЧПУ в ЭНИМСев 1956-1957 гг. В этот период используются устройства ЧПУ на дискретной полупроводниковой технике (ПРС1-58, ПРС-ЗК, КЧМИ). Подготовка УП осуществлялась вручную. С 1959 г. начат серийный выпуск станков с ЧПУ.

2. Применение СЧПУ на интегральных элементах (Н22, НЗЗ, Н55, УП с автоматическим расчетом траектории движения на ЭВМ. Расширяются типаж станков с ЧПУ и области применения их в про­мышленности.

3. Переход на создание УЧПУ на элементах СИС, БИС, МП и на базе микроЭВМ. Расширяется номенклатура многоцелевых станков с инструментальными магазинами. Станочные модули объединяются в участки, управляемые от ЭВМ, отмечается создание компетентных банков данных для станков различных типов и моделей.

4. Создание гибких производственных систем (ГПС). Увеличива­ется объем математического обеспечения (МО) СЧПУ, выполненных на основе микроЭВМ, которые становятся составной частью более сложной структуры управления ГПС. Автоматизированные системы управления производством (АСУП) все больше связываются с систе­мой автоматизированного проектирования (САПР) изделий, изготов­ляемых на этом производстве. Совершенствуются конструкции стан­ков и УЧПУ. СЧПУ дополнительно классифицируют по элементной базе, типу программоносителя, исполнению приводов подачи главного Движения. Функции СЧПУ расширяются и все в большей степени оп­ределяются составом ПМО (табл.1).

Системы ЧПУ класса CNC можно разделить по числу управ­ляемых координат на три группы. К первой группе относятся УЧПУ с числом координат не более трех (модели 2У32, 2У22, 2Р22). Вторая группа с числом координат от четырех до шести (модели 2С42, micro "фирмы Boscth, Fanuc-6). Третья включает наиболее сложные УЧПУ с числом координат более шести (модели 2С85, УСУ99, НЦ80-31,ИЦО-П, ЗС100, Fanuc-9, Sunimeric).

Совершенствование аппаратных средств позволяет расширить технологические функции УЧПУ, они оснащаются дисплейно-диалоговыми системами задания УП с графическим отображением детали на черно-белом или цветном экране. Диалоговые системы за­дания УП различны для отдельных групп станков.

Важным показателем, определяющим технический уровень СЧПУ, является объем памяти. Объем памяти определяется количе­ством информации, запоминаемой в ней, и измеряется в тысячах еди­ниц двоичной информации (Кбит) или тысячах (Кбайт). Иногда объем памяти указывается в количестве слов, которые можно запомнить. Величина слова определяется разрядностью процессора ЭВМ в дво­ичном исчислении. В большинстве УЧПУ применяются 8- или 16-разрядные процессоры: слово равно одному или двум байтам. По мере увеличения объема памяти расширяются технологические функции оборудования, управляемого этой СЧПУ.

Интенсивно развивается класс систем ПУ – цикловые системы, на основе устройств бесконтактной автоматики – программируемые контроллеры, которые строятся по принципу специализированных ЭВМ.

Применение ПК оказывается целесообразным, если он может заменить 50-70 реле. Использование ПК особенно эффективно при Управлении агрегатными станками, автоматическими линиями и другим оборудованием с цикловым характером работы.

Таблица 1 - Расширение функций СЧПУ

В СНГ разработаны: ПК1024, КП-1, «Гранит-02», С100, С200 UIO ТОВАЗ) и др., ПК фирм TESLA (Чехословакия), VEMи SIEMENS (Германия), ALLEN-BRADLEY, ODICON(США), FESTO(Австрия), TOYOTA (Япония).

Система управления – один из важнейших компонентов технологического или контрольно-измерительного комплекса. Функциональные возможности СУ и ее технические характеристики опреде­ляют достигнутый уровень средств технологического оснащения про­изводства.

Системы управления, предназначенные для автоматизации станков высокоскоростной обработки, оснащаются унифицированными блоками адаптивной функции «опережающего просмотра», в принци­пиальную схему вводятся структурные дополнения, переводящие от­каз в работе СЧПУ и электроавтоматики в кратковременную приос­тановку работы отдельных узлов оборудования, не вызывающей бра­ка обрабатываемой детали и не создающей аварийной ситуации в ра­бочей зоне. Целесообразна замена фотосчитывателя введением УП напрямую через банк данных САПР либо посредством дискеты с маг­нитной записью.

Эксплуатационная надежность СЧПУ обеспечивается следую­щими блоками защиты:

- от выхода параметров окружающей среды (температура внутри логических узлов ЧПУ, влажность воздуха, колебания питающего | напряжения, импульсные помехи в сети питания и т.д.) за границы предварительно согласованных или регламентируемых государственными стандартами предельных значений;

- от отклонений параметров технологического процесса – (например, тягового усилия подачи и системы станок – приспособле­ние – инструмент – заготовка), от оговоренных числовых значений;

- от ошибок в каналах управления или нарушений нормальной работы функциональных устройств, составляющих систему управле­ния.

Применение 32-разрядных микропроцессорных УЧПУ значи­тельно расширило технологические возможности оборудования и станков. Важнейшими характеристиками УЧПУ являются открытая архитектура, модульная конструкция и использование принципа ми­ниатюризации. Для большинства современных УЧПУ время отработ­ки одного кадра УП составляет 4-8 м/с, а длительность такта регули­рования положения 1-2 м/с.

Некоторые УЧПУ имеют встроенные системы программирова­ния и могут быть связаны с ПЭВМ или ее периферийными устройст­вами.

Перспективным направлением является использование в УЧПУ не только гибких магнитных дисков, но и «жестких», что значительно повышает компактность УЧПУ, а применение жидкокристаллических дисплеев облегчает встройку УЧПУ в станки. К таким УЧПУ, имею­щим открытую архитектуру и цветной дисплей с размером экрана 10 дюймов, можно отнести Meldas-300-V фирмы Mitsubishi.

У этого УЧПУ часть программно-математического обеспечения изготовитель станка может изменять в соответствии со своими потребностями. Время отработки одного кадра равно 1,7 м/с, максимальная скорость подачи – 33 м/мм, максимальное число управляемых координат – 13. Адаптивное управление и прогнозирование – когда траектория рабочих перемещений рассчитывается на основании предварительного анализа большого числа кадров УП, а системы компенсации погрешности станка позволяют увеличить производительность и точность обработки.

При конструировании и изготовлении станочного оборудования НПО «Техномаш» обеспечивается изготовление деталей с соблюдением всех заданных параметров конфигурации, точности и шероховатости поверхностей, достижение требуемого уровня надежности, наи­более высоких технических характеристик, которые соответствуют мировым требованиям.

Высокие технические параметры этих станков обеспечиваются рядом факторов, в частности обоснованностью типа управляемой сис­темы ЧПУ и тщательностью конструкторской проработки систем управления оборудованием. Наработка на отказ систем управления – важнейший показатель надежности систем – колеблется в пределах 5-7 тыс.ч у систем электроавтоматики и 3-5 тыс.ч у систем ЧПУ в за­висимости от количества, качества и состава элементной базы, при­меняемой аппаратуры и условий эксплуатации. Созданы и успешно прошли приемочные испытания опытные образцы СЧПУ нового поко­ления, обеспечивающие наработку на отказ до 10-15 тыс.ч.

В соответствии с потребностями практики перспективные прин­ципиально-схемные и конструкторско-технологические особенности создаваемых систем должны соответствовать требованию потребите­лей. К числу важнейших требований относятся:

- новые потребительские свойства, побуждающие пользователей отдавать предпочтение новым системам ЧПУ взамен освоенных моде­лей;

- высокое качество как самой модели ЧПУ, так и ее выходных параметров.

При этом должны быть обеспечены возможно низкие затраты на эксплуатацию системы.

Микропроцессорные программируемые контроллеры являются по существу специализированными микроЭВМ, приспособленными для работы в реальном масштабе времени в промышленных условиях. С точки зрения МП ПК имеют ряд преимуществ:

- наличие развитой системы логических команд, что позволяет производить как облегченное программирование на языке релейно-контактных схем или логических выражений, так и программирова­ние на языках высокого уровня; программирование может осуществ­ляться непосредственно персоналом, не имеющим специальной подго­товки в области программирования;

- наглядная форма обработки технологической информации; со­временные, используемые в специальных СЧПУ ПК имеют не только дискретные, но и аналоговые входы-выходы, часть из которых снаб­жена и цифроаналоговыми преобразователями, что позволяет упро­стить обработку в СЧПУ, построенных на этой базе, не только дис­кретной, но и аналоговой информации;

- модульность построения. Входы-выходы в объеме памяти мо­гут наращиваться с определенным шагом, имеется возможность пере­наладки с помощью переносных программаторов, снабженных клавиа­турой для набора программы и экраном дисплея для ее индикации, который не трудно приспособить для индикации состояния памяти, входов и выходов, сообщений о неисправностях, редактирования программ и т.д.

ГЛАВА 2