4.7 Числовое программное управление (чпу)

4.7.1  Устройства ЧПУ (УЧПУ) могут классифицироваться по различным признакам, и в частности, по технологическому назначению (рис. 4.8).

ЧПУ станком, при котором перемещение его рабочих органов происходит в заданные программой точки, причём траектории перемещения не задаются, называют позиционным.

ЧПУ станком, при котором перемещение его рабочих органов происходит по заданной траектории и с заданной скоростью для получения необходимого контура обрабатываемой детали, называют контурным.

Универсальные (контурно-позиционные) системы управления позволяют вести и позиционную и контурную обработку.

Суть числового способа задания программы, например, движения инструмента относительно обрабатываемой заготовки, состоит в том, что траектория этого движения представляется в виде ряда последовательных положений инструмента и каждое из этих положений, так называемых опорных точек траектории, определяется числами – координатами точек. Сочетание таких чисел и представляет программу работы, выраженную в числовом виде.

4.7.2  На входном блоке УЧПУ в определённом коде записываются так называемые задающие величины, например, перемещения инструмента и детали по координатам обработки, скорости этих перемещений, частота вращения шпинделя, и технологические команды – команды направления вращения шпинделя, глубины резания, смены инструмента и т.д.

УЧПУ обеспечивает восприятие этой информации с программоносителя, передачу и преобразование её, управление приводами рабочих органов и станочной автоматикой.

В качестве программоносителя в УЧПУ может использоваться восьмидорожечная перфолента, информация на которую заносится в коде ИСО-7бит (ISO-7bit).

Каждый символ кода располагается в виде комбинаций пробивок на одной строке ленты (рис. 4.9 и 4.10). Для кодирования информации используются семь дорожек, из которых дорожкам №1, 2, 3, 4 приписаны веса двоичного кода 1-2-4-8, что позволяет представлять десятичные числа в двоичном коде ("0"-"1", при этом "1" – пробивка на ленте, "0" – отсутствие пробивки), т.е. для числовой информации применяется двоично-десятичная система.

Для различия числовой, буквенной и знаковой информации используются дорожки №5, 6, 7.

Для проверки правильности информации каждая строка ленты контролируется по модулю два, т.е. на чётность числа единиц (пробивок на ленте). Для контроля чётности используют дорожку №8.

4.7.3  Система ЧПУ может быть построена по разомкнутой и замкнутой схемам, или быть самоприспособляющейся.

В системе ЧПУ разомкнутого типа (см. рис. 4.1) узел программы состоит из считывающего и транспортирующего программоноситель устройств. Информация из узла программы поступает в узел управления, который выдает командные сигналы исполнительным механизмам, приводящим рабочие органы станка. В системе отсутствует контроль исполнения рабочим органом командных сигналов, что обуславливает, с одной стороны, относительную простоту системы, а с другой, недостаточно высокую точность обработки на станке.

В замкнутой системе ЧПУ кроме цепи управления имеется цепь обратной связи (см. рис. 4.2). Узел обратной связи производит непрерывное сравнение действительного перемещения с запрограммированным. Как только действительное перемещение становится равным запрограммированному, этот узел выдает командный сигнал (сигнал обратной связи) на отключение данного перехода и включение следующего.

Такие системы сложнее систем разомкнутого типа, но обеспечивают более высокую точность обработки. Наиболее точная обратная связь получается в том случае, если измерительный прибор – датчик обратной связи – производит измерение обрабатываемой детали непосредственно. Однако такие датчики либо не осуществимы, либо сложны и недостаточно надежны.

Используемые в системах датчики обычно соединяются с ходовым винтом либо с позиционируемым узлом (столом, суппортом), т.е. контролируют перемещение исполнительного либо рабочего органа. В результате сигнал, управляющий движением рабочего органа станка, не учитывает погрешностей, возникающих вследствие зазоров, силовых и температурных деформаций технологической системы (или системы СПИД – станок-приспособление-инструмент-деталь), износа инструмента.

4.7.4  Устройство ЧПУ можно разделить укрупнённо на три части:

- устройство ввода и индикации;

- вычислитель;

- блок связи с приводами и станочной автоматикой.

В рамках этого деления рассмотрим известные структурные варианты УЧПУ (рис. 4.11):

а) системы с постоянной структурой или класса NC (Numerical Control - числовое управление)

В системах класса NC (см. рис. 4.11,а) все операции выполняются специализированными электронными блоками, функции которых строго определены.

В устройстве ввода и индикации таких систем последовательно строка за строкой в пределах одного кадра считывается информация, закодированная на перфоленте, контролируется правильность её нанесения на перфоленту, производится сигнализация (о наличии ошибок в программе, конце программы и пр.) и цифровая индикация (номер отрабатываемого кадра, величина перемещения по той или иной координате и т.д.).

Вычислитель:

- производит разделение информации на адресную и числовую (блок декодирования);

- рассчитывает координаты всех промежуточных между опорными точек траектории инструмента и преобразовывает исходную информацию в последовательность импульсов, управляющих приводами подач (интерполятор);

- содержит в памяти информацию отрабатываемого и следующего кадров (блок памяти);

- обеспечивает заданную скорость подачи, а также процессы разгона и торможения (блок скоростей подач);

- обеспечивает смену скорости шпинделя, разжим-зажим координат, смену инструмента (блок технологических команд);

- изменяет по командам с пульта управления запрограммированные параметры обработки (блок коррекции);

- организует общий цикл взаимодействия агрегатов (устройство управления);

- обеспечивает выполнение стандартных циклов (обработку стандартных канавок, фасок; циклы сверления; многопроходную обработку с автоматическим распределением припуска и т.д. – блок стандартных циклов).

Устройства класса NC обладают чрезвычайно высоким быстродействием, обусловленным параллельной работой специальных блоков; низкой стоимостью для простых задач управления. К числу недостатков могут быть отнесены: низкая степень унификации между устройствами ЧПУ для различных групп станков, а также использование в устройствах большого количества схем низкой и средней степени интеграции, удорожающее производство и отладку;

б) системы с памятью для хранения управляющих программ или класса SNC (Storey Numerical Control или Memory Numerical Control – числовое управление с памятью)

по данным статистических исследований, 70 % неисправностей, возникавших при программном управлении, объяснялись дефектами в работе устройств для считывания с перфоленты. Поэтому в УЧПУ класса NC была введена память для хранения управляющей программы (УП).

В системах класса SNC (см. рис. 4.11,б)с помощью фотосчитывающего устройства (ФСУ) непрерывно, а не покадрово, как в NC, вводится программа, затем ФСУ отключается. Память позволяет накапливать несколько УП (100-150 м перфоленты). При отработке программы информация идет из памяти. Процессор решает задачи распределения больших массивов управляющей информации и первичной переработки её, а также позволяет оператору редактировать УП. В некоторых системах возможен вывод откорректированной программы на перфоратор, ЭВМ, магнитную ленту, а также прием программы с внешних устройств;

в) системы с переменной структурой или класса CNC (Computerised Numerical Control – компьютерное числовое управление)

В системах класса СNС преобразование информации в управляющие приводами сигналы производится процессорами. Т.е. системы имеют в своем составе мини-ЭВМ или микро-ЭВМ (MCNC), или микропроцессор (MPNC) для выполнения основных функций управления. Основные алгоритмы работы этих систем задаются программно и могут изменяться для различных применений устройства.

УП может считываться с перфоленты в агрегате ввода, или программы для обработки различных деталей могут храниться в памяти внешней ЭВМ и передаваться по мере надобности в УЧПУ.

Процессор вычислителя реализует функции декодирования, накопления информации, интерполирования, расчета эквидистант^* и т.д. по алгоритмам, находящимся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). При этом ПЗУ могут быть программируемыми и непрограммируемыми – с "жестко зашитой" памятью, т.е. все управляющие алгоритмы поставляются вместе с системой. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) находятся величины коррекции, программа обработки, текущие значения параметров.

Устройства СNС могут также иметь память для хранения управляющих программ;

г) системы оперативные или класса HNC (Hand Numerical Control - ручное числовое управление)

Системы класса HNC (или МDI - manual date input - ручной ввод данных) – разновидность процессорного устройства ЧПУ с ручным заданием программы с пульта (с помощью клавиш, переключателей).

В этих устройствах перфолента не используется. Режим ввода информации – диалоговый: система подсказывает оператору правильный режим процедуры ввода.

Системы HNC имеют более развитую, чем системы СNС, панель управления. математическое обеспечение процессов ввода информации в них является более сложным.

Входной агрегат системы содержит (см. рис. 4.11,г)микропроцессоры, которые обеспечивают размещение и хранение в памяти информации, вводимой с клавиатуры панели оператора, подготовку данных для интерполяции (арифметический микропроцессор), реализацию стандартных циклов, согласование этих циклов с общей программой и т.д. (управляющий микропроцессор).

Работа с оперативными системами ЧПУ заключается в следующем: серией наладочных перемещений оператор выводит рабочие органы в базовые точки: начало координат, безопасная смена инструмента, ограничение рабочей зоны и т.д. Все последующие движения будут осуществляться в выбранной системе координат.

Анализируя чертеж детали, оператор синтезирует траекторию режущей кромки (или детали), используя при этом и стандартные циклы, заложенные в устройстве. Эта программа запоминается и детали обрабатываются при получении информации из памяти устройства. При этом возможно внесение коррекций, изменение программы частично или целиком.

Системы являются малогабаритными и располагаются непосредственно на станках.

Возможность синтезирования управляющих программ на станках с оперативными системами ЧПУ обусловило появление положительного социального фактора – повышения привлекательности труда для квалификационного оператора, работающего на станке. Это стало одной из причин того, что оперативные системы после их появления достаточно быстро приобрели большую популярность.

4.7.5  В автоматизированных станочных комплексах или гибких производственных системах общая ЭВМ управляет группой станков, устройствами для транспортирования и складами заготовок и деталей. САУ такого рода называют системами класса DNC (Direct Numerical Control - прямое управление). В них вычислительная машина осуществляет хранение УП и распределение их по запросам от устройств управления станками, управление транспортом, складами.

Для группы систем класса DNC характерно сосредоточение всех управляющих и контрольных функций в одной ЭВМ, которая непосредственно связана входными каналами со всеми рабочими органами агрегатов участка.

В первых отечественных вариантах таких систем с одной ЭВМ:

а) УП в кодированном виде от ЭВМ вводилась по каналу связи в устройства декодирования и вычисления (например, интерполяторы), а от них в декодированном виде по каналу связи в запоминающие устройства станков (рис. 4.12,а);

б) управляющая информация передавалась от ЭВМ по каналу связи и покадрово вводилась в память устройств ЧПУ или интерполяторов станков (рис. 4.12,б).

Для другой группы систем класса DNC характерно разделение функций по ступеням иерархии (рангам). При этом ЭВМ нижнего ранга (или, например, устройство СNС) управляет лишь одним агрегатом участка, а объединение и координация работы агрегатов осуществляется большой ЭВМ – супервизором (рис. 4.13).

При использовании систем типа DNC исключаются из обращения перфоленты, а значит и считывающие устройства, появляются возможности многократного повторного использования УП, хранимых в памяти системы, имеется возможность редактирования и оптимизации УП с рабочих мест. При обнаружении ошибки, вручную производится только коррекция соответствующей команды исходной программы, а все сопровождающие коррекцию расчеты выполняются ЭВМ.

Для использования в системах типа DNC предпочтительными являются станки с ЧПУ класса CNC. Надёжность таких устройств по сравнению с устройствами класса NC повышается за счёт сокращения аппаратных средств. Например, трёхкоординатная система ЧПУ жёсткой структуры для фрезерного станка имела 80 печатных плат, а система типа CNC – только 15. Сбои и неисправности значительно быстрее устраняются в системе типа CNC за счёт использования средств диагностики.