Системы числового программного управления

Машиностроение является основой успешного развития всех отраслей народного хозяйства. Эффективность машиностроительного производства и качество выпускаемой продукции в значительной степени определяются уровнем его автоматизации. Главное направление в автоматизации машиностроительного производства в настоящее время основывается на широком внедрении цифровых вычислительных устройств и машин.

Для управления универсальными станками и другим технологическим оборудованием применяются системы числового программного управления (СЧПУ).

СЧПУ управляют перемещением рабочих органов станков и оборудования, их скоростью при формообразовании деталей, установочными перемещениями, а также последовательностью режимов обработки и вспомогательными функциями.

Управляющие программы СЧПУ содержат два вида информации, необходимой для автоматической работы станков (оборудования): геометрическую и технологическую. Геометрическая информация включает в себя данные о форме, размерах элементов детали и инструмента, а также об их взаимном положении в пространстве.

Технологическая информация представляет собой указания о последовательности ввода в работу инструментов, изменении режимов резания, смене инструментов, включении подачи охлаждающей жидкости и т. п.

Технологическая информация используется для управления и в других программных устройствах, например в системах циклового программного управления (СЦПУ). Геометрическая информация в СЦПУ реализуется перенапаживаемыми упорами, размещенными непосредственно на станке (оборудовании). Преимущества СЦПУ в их большой универсальности, возможности быстрой переналадки, корректировки программы и включения в более сложные комплексные системы автоматизированного производства. СЧПУ относятся к сложным многоконтурным САУ, так как одновременно управляют несколькими независимыми или связанными параметрами объекта (координатами). Соответственно в структуре СЧПУ имеется несколько контуров (каналов) управления. Так, например, в металлорежущих станках СЧПУ управляет одновременно главным движением формообразования, движением подачи и вспомогательными движениями: транспортировки, закрепления, отвода и подвода, смены инструмента и т. д.

СЧПУ классифицируются по следующим признакам: структуре и принципу (алгоритму) управления, назначению, виду привода, характеру движения привода, способу задания программы.

По структуре СЧПУ делятся на разомкнутые, замкнутые и комбинированные.

Принцип управления разомкнутых СЧПУ основан на использовании только задающего воздействия, заложенного в управляющую программу (принцип жесткого управления). В замкнутых СЧПУ помимо задающего воздействия — управляющей программы используется информация о действительных значениях управляемых параметров, т. е. принцип управления по отклонению управляемого параметра (гибкое управление).

В комбинированных СЧПУ управление основными параметрами (главным движением и движением подачи) осуществляется замкнутыми контурами управления, работающими по принципу отклонения, а управление вспомогательными параметрами (закреплением заготовок, подводом инструмента, сменой инструмента, включением охлаждающей жидкости и т. д.) может осуществляться разомкнутыми контурами управления.

В адаптивных СЧПУ существуют дополнительные датчики информации о параметрах процесса обработки: силе резания, температуре, износе инструмента и т. д. Эта информация используется в СЧПУ для корректировки технологических параметров, заданных управляющей программой, в зависимости от изменения припуска на обработку, твердости и жесткости заготовок, состояния инструмента и т. д.

В зависимости от назначения оборудования, оснащенного устройствами ЧПУ, системы управления делятся на позиционные, контурные и универсальные.

В позиционных системах управления программируются координаты (х, у) отдельных дискретных точек (рис. 13.4, а), определяющих положение (позицию) инструмента или заготовки. Такие системы применяются для управления сверлильными и расточными станками.

Разновидностью позиционных систем управления являются прямоугольные системы, управляющие перемещением вдоль отрезков (обозначенных на рис. 13.4, б цифрами /…б), параллельных направляющим станка. Прямоугольные системы предназначены для последовательного управления одной из двух взаимно-перпендикулярных координат. Такие системы применяются на токарных.

Рис. 13.4. К определению вида управления в СЧПУ: а — позиционное; б — прямоугольное; в — контурное станках для управления обработкой деталей типа ступенчатых валиков, а на фрезерных — деталей с прямоугольным контуром.

В контурных СЧПУ осуществляется одновременное взаимосвязанное управление по нескольким координатам вдоль отрезков и участков кривых, на рис. 13.4, в обозначенных 1…6 и /*, /*₂, для получения деталей со сложным профилем. Такие системы применяются для управления токарными, фрезерными, электроэрозионными станками, а также сварочными машинами.

В многооперационных станках, предназначенных для обработки одновременно несколькими инструментами сложных деталей (типа корпуса), применяются универсальные (позиционно-контурные) системы управления.

В зависимости от числа одновременно управляемых координат различают СЧПУ с управлением по одной, двум, трем, четырем, пяти и более координатам.

В зависимости от вида энергии, используемой в двигателях приводных устройств, различают СЧПУ с электроприводом, электрогидравлическим и электропневматическим приводами.

В СЧПУ в основном применяются различные следящие приводы, построенные по принципу замкнутых (следящих) систем автоматического управления. Реже применяются приводы разомкнутого типа с использованием только шаговых двигателей, допускающих непосредственное программное управление как значением перемещения, так и его скоростью.

В устройствах со следящим приводом могут использоваться двигатели постоянного и переменного тока, а также шаговые гидравлические и пневматические двигатели. Частота вращения двигателей в следящем приводе должна изменяться в широком диапазоне (в 1000 и более раз).

В приводах используются датчики перемещения, создающие сигнал обратной связи, который направляется в устройство ЧПУ, где сравнивается с сигналом задающего воздействия, получаемым от управляющей программы. В качестве датчиков перемещения в аналоговых устройствах следящего привода СЧПУ используются сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, многооборотные потенциометры. Кроме того, в аналоговых устройствах следящего привода СЧПУ применяются преобразователи перемещения в код различного типа.

В зависимости от структуры устройства ЧПУ все системы делятся на два основных вида: построенные по принципу цифровой модели и построенные по структуре ЭВМ.

В системах, где устройство ЧПУ построено по принципу цифровой модели, все операции выполняются соответствующими специализированными электронными блоками со строго определенными функциями, причем связи между этими блоками неизменны. Принцип построения устройства ЧПУ на основе использования блоков — агрегатов с четко выраженными функциями называется агрегатным. Функционирует такое устройство управления по неизменному алгоритму, при этом все блоки работают параллельно, выполняя закрепленные за ними операции по преобразованию информации.

В системах, где устройство ЧПУ (УЧПУ) построено по структуре ЭВМ, блоки имеют универсальный характер и связи между ними могут изменяться в соответствии с заданной программой. Операции управления в этом случае выполняются последовательно с помощью центрального арифметического устройства. В составе УЧПУ имеются запоминающие устройства: оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ).

Функционирование ОЗУ и ПЗУ осуществляется по алгоритму переработки информации, поступающему в виде управляющей программы, т. е. для этих устройств требуется специальное математическое обеспечение. Причем математическое обеспечение может храниться в ПЗУ, если не требуется частая смена алгоритмов работы, или вводиться через устройство ввода как часть управляющей программы. Такое построение позволяет легко корректировать алгоритм работы устройства ЧПУ и совершенствовать его по мере накопления статистической информации о качестве изготовленных деталей.

Перспективным является создание устройств ЧПУ на основе использования одного или нескольких микропроцессоров, построенных на больших интегральных схемах (БИС), т. е. использование агрегатного принципа построения ЧПУ на базе микропроцессоров, запрограммированных на конкретные задачи. Можно построить устройство ЧПУ и на базе микроЭВМ, дополнив его микропроцессором или контроллерами — программируемыми логическими устройствами для переработки информации. В дальнейшем по мере совершенствования элементной базы рациональным может стать построение ЧПУ на базе мини-ЭВМ. Это расширит функциональные возможности СЧПУ и облегчит включение их в более сложные комплексные системы автоматизированного производства: автоматические линии, участки, цеха, системы гибкого автоматизированного производства. Обобщенная функциональная схема СЧПУ токарного станка, построенная по принципу разомкнутой системы, показана на рис. 13.5. Здесь исполнительные двигатели главного движения (Ml), движения подач (М2, М3), вспомогательного движения — поворота и подачи револьверной головки с инструментами (М4, М5) получают управляющие сигналы от блока управления приводами (БУП).

Устройство ввода-вывода (УВВ) воспринимает управляющую программу от центральной ЭВМ (при групповом управлении, когда СЧПУ работает в составе гибкой производственной системы) или считывает ее с перфоленты (при автономном управлении). При этом управляющая программа, промежуточные результаты вычислений, необходимые константы хранятся в запоминающем устройстве (ЗУ) и по мере надобности используются вычислительным устройством (ВУ) для выработки управляющих воздействий на БУП. Последний содержит электронные блоки управления шаговыми двигателями или усилители сигналов рассогласования (в устройствах следящего привода), тиристорные преобразователи для управления скоростью главного движения (в данной схеме — скоростью вращения шпинделя) и т. д.

Панель управления (ПУ) имеет кнопки и клавиатуру для контроля отдельных блоков или ручного управления приводом, а также для полного или частичного (при настройке) ручного ввода управляющей программы в ЗУ и обработки по ней первой детали с последующей редакцией программы (в УЧПУ с непосредственным вводом программы). Панель управления позволяет вывести.

Рис. 13.5. Функциональная схема СЧПУ токарного станка на индикацию (на дисплей) любой кадр программы или другую информацию, перерабатываемую системой, и сигнализировать о появлении сбоев в работе.

В позиционных УЧПУ, работающих по жесткому алгоритму, ВУ может отсутствовать. В контурных УЧПУ, построенных по принципу цифровой модели, в качестве ВУ используется интерполятор, представляющий собой специализированный блок-агрегат, который управляет скоростью обработки одновременно по двум координатам. Интерполяторы могут быть линейные, круговые, параболические.

Линейный интерполяторы используют, если контур обрабатываемой детали можно представить в виде отрезков прямых, расположенных под любыми углами к осям координат. Криволинейные участки аппроксимируются в этом случае отрезками прямых. Линейно-круговые интерполяторы применяются при обработке деталей со сложным контуром, составленным из различных дуг окружностей и отрезков прямых. Дуга окружности в таких интерполяторах задается одним кадром программы, а общий криволинейный контур аппроксимируется несколькими прямыми и дугами окружностей разного радиуса. Параболические интерполяторы применяют при обработке очень сложных деталей (лопаток гребных винтов, турбин и т. д.).

В УЧПУ, построенных по принципу структуры ЭВМ, в качестве ВУ используются микропроцессоры, а также микрои миниЭВМ. УЧПУ на базе мини-ЭВМ наиболее перспективны при создании сложных комплексных систем автоматического производства, например технологических модулей, автоматических линий, участков, цехов и гибких производственных систем.

Технологический модуль — это автоматизированный многооперационный станок и автоматический манипулятор, объединенные общей САУ.

Технологический комплекс — это автоматический производственный комплекс, состоящий из группы станков с ЧПУ, автоматического манипулятора, транспортных и накопительных устройств, объединенных общей САУ, работающей от центральной ЭВМ, и обеспечивающих полную или частичную обработку определенного типа деталей.

Автоматическая линия — это комплекс автоматизированных рабочих машин, расположенных в последовательности выполнения технологических операций, связанных средствами транспортировки и вспомогательным оборудованием, объединенных общей САУ, работающей от центральной ЭВМ, и обеспечивающих полный цикл обработки детали или группы однотипных деталей.

Автоматизированный участок — это комплекс из нескольких автоматизированных станков или модулей, объединенных с помощью транспортной системы, и манипуляторов, вспомогательных устройств, единой системы группового управления от центральной ЭВМ, обеспечивающих комплексную обработку однотипных деталей с разной последовательностью операций.

Гибкие производственные системы (ГПС) предназначены для автоматизированного проектирования и изготовления новых изделий в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства.

Перевод ГПС на выпуск новых изделий обеспечивается программными средствами без перестройки оборудования ручным способом. ГПС объединяет несколько комплексов, в каждом из которых для управления используется локальная ЭВМ. Для общего управления комплексом ГПС используется мощная главная ЭВМ, а вся структура управления основана на иерархическом принципе.

На рис. 13.6 показана структурная схема управления ГПС, в которую входят следующие подсистемы:

САПР конструкции — система автоматического проектирования конструкций новых изделий, состоящая из автоматических рабочих мест конструктора (АРМ-К);

Рис. 13.6. Структурная схема ГПС:

1 — подсистема распознавания предметов труда, приспособлений, инструмента; 2— подсистема складирования; 3— подсистема транспортировки; 4 — подсистема манипулирования (перемещения предметов труда, приспособлений, инструмента); 5 — подсистема обработки предметов труда (станков и оборудования для основных технологических операций); 6 — подсистема контроля; 7 — подсистема удаления стружки САПР технологии — система автоматического проектирования технологических процессов изготовления новых изделий, состоящая из автоматических рабочих мест технолога (АРМ-Т);

система ОКП — система оперативно-календарного планирования, связанная через ЭВМ с автоматической системой управления производством (АСУП);

САП — система автоматической подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и автоматических манипуляторов;

САК — система автоматического контроля и диагностики, контролирующая работу всех систем, входящих в ГПС, а также фиксирующая и классифицирующая неисправности во всех подсистемах.

Кроме того, в систему автоматизированного производства входят подсистемы 7… 7, показанные на рис. 13.6.

Класс ЭВМ, используемых в каждой системе и подсистеме, зависит от сложности выполняемых задач. В целом управление ГПС представляет собой комплекс ЭВМ, связанный с АСУП.