Общие сведения о станках с ЧПУ

Числовое программное управление (ЧПУ) — компьютеризованная система управления, управляющая приводами технологического оборудования, включая станочную оснастку. На рисунке приведено пример ЧПУ раскройного станка.

ЧПУ

ЧПУ Раскройного станка

Оборудование с ЧПУ может быть представлено:

  • станочным парком, например станками (станки, оборудованные числовым программным управлением, называются станками с ЧПУ ):
  • для обработки металлов (например, фрезерные или токарные), дерева, пластмасс,
  • для резки листовых заготовок,
  • для обработки давлением и т.д.
  • приводами асинхронных электродвигателей, использующих векторное управление;
  • характерной системой управления современными промышленными роботами.

Несколько станков с ЧПУ могут объединиться в гибкую автоматизированную производственную систему (ГПС), которая в свою очередь может быть дополнена гибким автоматизированным участком (ГАУ) и войти в состав автоматической линии (производства масштаба участка либо цеха), ГАП.

 

Общие сведения о станках с ЧПУ

Под управлением станком принято понимать совокупность воздействий на его механизмы, обеспечивающие выполнения технологического цикла обработки, а под системой управления — устройство или совокупность устройств, реализующих эти воздействия.
Числовое программное управление ( ЧПУ) — это управление, при котором программу задают в виде записанного на каком-то носителе массива информации. Управляющая информация для систем ЧПУ является дискретной и ее обработка в процессе управления осуществляется цифровыми методами. Управление технологическими циклами практически везде осуществляется с помощью программируемых логических контроллеров, реализуемых на основе принципов цифровых электронных вычислительных устройств.

Системы ЧПУ практически вытесняют другие типы систем управления.

По технологическому назначению и функциональным возможностям системы ЧПУ подразделяют на четыре группы:

— позиционные, в которых задают только координаты конечных точек положения исполнительных органов после выполнения ими определенных элементов рабочего цикла;
— контурные или непрерывные, управляющие движением исполнительного органа по заданной криволинейной траектории;
— универсальные (комбинированные), в которых осуществляется программирование как перемещений при позиционировании , так и движения исполнительных органов по траектории, а также смены инструментов и загрузки — выгрузки заготовок;
— многоконтурные системы, обеспечивающие одновременное или последовательное управление функционированием ряда узлов и механизмов станка.
Примером применения систем ЧПУ первой группы являются сверлильные, расточные и координатно — расточные станки. Примером второй группы служат системы ЧПУ различных токарных, фрезерных и круглошлифовальных станков. К третьей группе относятся системы ЧПУ различных многоцелевых токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станков.

К четвертой группе относятся безцентровые круглошлифовальные станки, в которых от систем ЧПУ управляют различными механизмами: правки, подачи бабок и т.д. Существуют позиционные, контурные, комбинированные и многоконтурные циклы управления.

По способу подготовки и ввода управляющей программы различают так называемые оперативные системы ЧПУ (в этом случае управляющую программу готовят и редактируют непосредственно на станке, в процессе обработки первой детали из партии или ее имитации обработки) и системы, для которых управляющая программа готовится независимо от места обработки детали. Причем независимая подготовка управляющей программы может выполняться или с помощью средств вычислительной техники, входящих в состав систем ЧПУ данного станка, или вне ее (вручную или с помощью системы автоматизации программирования).

Программируемые контроллеры — это устройства управления електроавтоматичного станка. Большинство программируемых контроллеров имеют модельную конструкцию, в состав которой входят источник питания, процессорный блок и программируемая память, а также различные модули ввода/вывода. Для создания и отладки программ работы станка применяют программирующие аппараты. Принцип работы контроллера: считываются необходимые вводы/выводы и полученные данные анализируются в процессорном блоке. При этом решаются логические задачи и результат вычисления передается на соответствующий логический или физический вывод для подачи соответствующего механизма станка.

В программируемых контроллеров используют различные типы памяти, в которой хранится программа електроавтоматичного станка: электрическую перепрограммированую энергонезависимую память; оперативную память со свободным доступом; стирается ультрафиолетовым излучением и электрически перепрограммируется.

Программируемый контроллер имеет систему диагностики: вводов / выводов, ошибки в работе процессора, памяти, батареи и других элементов. Для упрощения поиска неисправностей современные интеллектуальные модули имеют самодиагностику. Программный носитель может содержать как геометрическую, так и технологическую информацию. Технологическая информация обеспечивает определенный цикл работы станка, а геометрическая — характеризует форму, размеры элементов обрабатываемой заготовки и инструмента и их взаимное положение в пространстве.

Станки с программным управлением (ПУ) по виду управления подразделяют на станки и системами циклового программного управления (ЦПУ и станки с системами числового программного управления (ЧПУ). Системы ЦПУ более простые, так как в них программируется только цикл работы станка, а величины рабочих перемещений, т.е. геометрическая информация, задаются упрощенно, например с помощью упоров. В станках с ЧПУ управление осуществляется от программоносителя, на котором в числовом виде занесена и геометрическая и технологическая информация.

В отдельную группу выделяют станки с цифровой индикацией и предварительным набором координат. В этих станках имеется электронное устройство для задания координат нужных точек (предварительным набором координат) и крестовый стол, снабженный датчиками положения, который дает команды на перемещение в требуемую позицию. При этом на экране высвечивается каждое текущее положение стола (цифровая индикация). В таких станках можно применять или переднабор координат или цифровую индикацию; исходную программу работы задает станочник.

В моделях станков с ПУ для обозначения степени автоматизации добавляется буква Ф с цифрой: Ф1 — станки с цифровой индикацией и предварительным набором координат; Ф2 — станки с позиционными и прямоугольными системами ЧПУ; Ф3 — станки с контурными системами ЧПУ и Ф4 — станки с универсальной системой ЧПУ для позиционной и контурной обработки. Особую группу составляют станки, имеющие ЧПУ для многоконтурной обработки, например безцентрові круглошлифовальные станки. Для станков с цикловыми системами ПУ в обозначении модели введен индекс Ц, с оперативными системами — индекс Т (например, 16К2Т1).

Системы числового программного управления ( СЧПУ ) — это совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для осуществления ЧПУ станками. Устройство ЧПУ станками — это часть СЧПУ, выполнена как единое целое с ней и осуществляет выдачу управляющих воздействий по заданной программе.

В международной практике приняты следующие обозначения: NC-ЧПУ; HNC — разновидность ЧПУ с заданием программы оператором с пульта с помощью клавиш, переключателей и т.д.; SNS — устройство ЧПУ, имеет память для хранения всей управляющей программы; CNC-управления автономным станком с ЧПУ, содержание мини-ЭВМ или процессор; DNS — управление группой станков от общей ЭВМ.

Для станков с ЧПУ стандартизированы направления перемещения и их символика. Стандартом ISO — R841 принято за положительное направление перемещения элемента станка считать то, при котором инструмент или заготовка отходят один от другого. Выходной осью (ось Z) является ось рабочего шпинделя. Если эта ось поворотная, то ее положение выбирают перпендикулярно плоскости крепления детали. Положительно направление оси Z — от устройства крепления детали к инструменту. Также присутствуют оси Х и У.

Использования конкретного вида оборудования с ЧПУ зависит от сложности изготовления детали и серийности производства. Чем меньше серийность производства, тем большую технологическую гибкость должен иметь станок.

При изготовлении деталей со сложными пространственными профилями в единичном и мелкосерийном производстве использования станков с ЧПУ является почти единственным технически оправданным решением. Это оборудование целесообразно применять в случае, если невозможно быстро изготовить оснастку. В серийном производстве также целесообразно использовать станки с ЧПУ. В последнее время широко используют автономные станки с ЧПУ или системы из таких станков в условиях перенастраиваного крупносерийного производства.

Принципиальная особенность станка с ЧПУ — это работа по управляющей программе (УП), на которой записаны цикл работы оборудования для обработки конкретной детали и технологические режимы. При смене обрабатываемой на станке детали необходимо просто изменить программу, что сокращает на 80 … 90 % трудоемкость переналадки по сравнению с трудоемкостью этой операции на станках с ручным управлением.

Основные преимущества станков с ЧПУ:

— производительность станка повышается в 1,5 … 2,5 раза по сравнению с производительностью аналогичных станков с ручным управлением;
— сочетается гибкость универсального оборудования с точностью и производительностью станка — автомата;
— снижается потребность в квалифицированных рабочих на станках, а подготовка производства переносится в сферу инженерной деятельности;
— детали, изготовленные по одной программе, являются взаимозаменяемыми, что сокращает время работ в процессе сборки;
— сокращаются сроки подготовки и перехода на изготовление новых деталей благодаря предварительной подготовке программ, более простой и универсальной технологической оснастке;
— снижается продолжительность цикла изготовления деталей и уменьшается запас незавершенного производства.

Программное обеспечение

Управляющая система считывает инструкции специализированного языка программирования (например, G-код ) программы, который интерпретатором системы ЧПУ затем переводится из входного языка в команды управления главным приводом, приводами подач, контроллерами управления узлов станка (например, включить / выключить подачу охлаждающей эмульсии).

Разработка управляющих программ в настоящее время выполняется с использованием специальных модулей для систем автоматизированного проектирования (САПР) или отдельных систем автоматизированного программирования (CAM), которые генерируют программу обработки.

Для определения необходимой траектории движения рабочего органа в целом (инструмента/заготовки) согласно управляющей программы используется интерполятор, который рассчитывает положение промежуточных точек траектории по заданным в программе.

В системе управления, кроме самой программы, присутствуют данные других форматов и назначения. Как минимум, это машинные данные и данные пользователя, специфически привязанные к конкретной системе управления или к определенной серии (линейке) однотипных моделей систем управления.

Программа для станка (оборудования) с ЧПУ может быть загружена с внешних носителей например, магнитной ленты, перфорированной бумажной ленты (перфоленты), дискеты или флеш-накопителей в собственную память или временную, до выключения питания — в оперативную память, или постоянную — в ПЗУ, карту памяти или другой накопитель: жесткий диск или твердотельный накопитель. Кроме этого, современное оборудование подключается к централизованным системам управления с помощью заводских (цеховых) сетей связи.

Наиболее распространенный язык программирования ЧПУ для металлорежущего оборудования описан документом ISO 6983 Международного комитета по стандартизации и называется «G-код». В отдельных случаях — например, системы управления гравировальными станками — язык управления принципиально отличается от стандарта. Для простых задач, например, раскроя плоских заготовок, система ЧПУ в качестве входной информации может использовать текстовый файл в формате обмена данными — например DXF или HPGL.

Аппаратное обеспечение

Структурно, в состав ЧПУ входят:

  • пульт оператора ( или консоль ввода/вывода), позволяющий вводить управляющую программу, задавать режимы работы; выполнять операции вручную. Как правило, внутри шкафа пульта современной компактной ЧПУ, размещаются ее другие части;
  • дисплей (или операторская панель) — для визуального контроля режимов работы и редактирования управляющей программы/данных; может быть реализован в виде отдельного устройства для дистанционного управления оборудованием;
  • контроллер — компьютеризированное устройство, решающее задачи формирования траектории движения режущего инструмента, технологических команд управления устройствами автоматики станка, общим управлением, редактирование управляющих программ, диагностики и вспомогательных расчетов (траектории движения режущего инструмента, режимов резания);
  • ПЗУ — память предназначена для долговременного хранения (годы и десятки лет) системных программ и констант; информация из ПЗУ может только считываться;
  • ОЗУ — память предназначена для временного хранения управляющих программы и системных программ, что используются в данный момент.

В роли контроллера выступает промышленный контроллер: микропроцессор, на котором построена встраивается система; программируемый логический контроллер или более сложное устройство управления — промышленный компьютер.

Важной характеристикой CNC-контроллера есть количество осей (каналов), которые он способен синхронизировать (управлять) — для этого нужна высокая производительность и соответствующее ПО.

В качестве исполнительных механизмов используются сервоприводы, шаговые двигатели.

Для передачи данных между исполнительным механизмом и системой управления станком обычно используется промышленная сеть (например, CAN, Profibus, Industrial Ethernet).