Системы ЧПУ первого поколения

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:

По отношению к инструменту

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

Для характеристики станков с ЧПУ используют следующие показатели:

  1. Класс точности станка
  2. Технологические операции, выполняемые на станке: фрезерование, шлифование и т.п.;
  3. Основные параметры станка:
  4. Величины перемещений рабочих органов станка — суппорта по двум координатам, стола по двум координатам, шпиндельного узла по линейной и угловой координатам и т.д.;
  5. Величина дискретности (цена деления) — минимальное задание перемещения по программе (шаг);
  6. Точность и повторяемость позиционирования по управляемым координатам;
  7. Привод главного движения — тип, номинальное и максимальное значения мощности, пределы скоростей вращения шпинделя (ступенчатое или бесступенчатое), число рабочих скоростей, число автоматически переключаемых скоростей;
  8. Привод подачи станка — координата, тип, номинальный и максимальный моменты, пределы скоростей рабочих подач и число скоростей рабочих подач, скорость быстрого перемещения;
  9. Число инструментов — в резцедержателе, револьверной головке, инструментальном магазине;
  10. Вид смены инструмента — автоматический, ручной;
  11. Габаритные размеры станка и его масса.

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

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

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

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

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

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

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


Системы ЧПУ. Термины и понятия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Классификация систем ЧПУ

Отечественная классификация систем ЧПУ

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

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

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

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

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

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


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

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

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


Международная классификация систем ЧПУ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Кроме того существуют системы ЧПУ других классов:

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

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

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

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

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

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


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



Продукция   О компании   Новости   Контакты   Статьи   Прайс-лист   Станки по металлу   Станки по дереву   Скачать паспорт, книгу   Учебное Видео