11.6. Системы числового программного управления

Числовым программным управлением металлорежущими станка­ми называют управление рабочими органами станка при обработ­ке заготовки по управляющей программе, являющейся последо­вательностью команд в алфавитно-цифровом коде (в символьной форме) на специальном языке. Принципиальное отличие систем ЧПУ от ранее рассмотренных систем управления заключается в способе расчета последовательности управляющих сигналов и пе­редачи их рабочим органам станка.

На чертеже технологическая информация представлена в виде графических изображений (контур), чисел (размеры), условных знаков (шероховатость), текста и т. д. В ранее рассмотренных систе­мах управления программа обработки воплощается в физических аналогах: копирах, кулачках, путевых упорах, положении штеке­ров коммутационной панели и т. п. Их изготовление является весьма трудоемким процессом и сопровождается погрешностями расчета профиля копиров и погрешностями их изготовления. При эксплу­атации копиры изнашиваются, что вносит дополнительную по­грешность.

В системах с ЧПУ управляющая программа включает в себя:

• технологические команды, подобные командам ПЛК (выбор инструмента, задание скорости вращения шпинделя и подачи, включение-выключение подачи СОЖ и т.п.);

• геометрические команды перемещения рабочего органа по некоторой траектории, отсутствующие в ПЛК (задание коорди­нат последовательных положений РО);

• подготовительные команды, служащие для управления са­мим устройством управления и задания режимов его работы.

Каждая команда — это совокупность символов и цифр, легко доступная пониманию человека (технолога-программиста устройств ЧПУ), что упрощает программирование и уменьшает число ошибок в программе. Ниже приведены основные термины, употребляемые при программировании УЧПУ.

Нулевая точка детали (нуль детали) — точка детали, коорди­наты которой приняты за нулевые в системе координат, связан­ной с деталью. От нуля детали откладываются размеры обрабаты­ваемых поверхностей. Нулевая точка станка (нуль станка) — точ­ка в пространстве, имеющая нулевые координаты в системе ко­ординат, связанной со станком (обычно совпадает с базовой точкой зажимного приспособления). Оси координат системы станка обыч­но параллельны направляющим станка и оси вращения шпинделя.

Рис. 63. Примеры расчетных траекторий

Центр инструмента — неподвижная относительно державки точка инструмента, для которой ведется расчет траектории. Для резца это его вершина, для фрезы — точка пересечения оси фре­зы с ее торцом.

Система координат станка определяется конструкцией станка, а у каждой детали может быть одна или несколько своих систем координат, которые определяются, исходя из удобства описания обрабатываемых поверхностей. Геометрические команды УП зада­ются в системе координат детали и в процессе выполнения УП переводятся в систему координат станка.

Исходная точка (станка) — точка в системе координат станка, используемая как начальная точка работы УП, связывающая нуль станка и нуль детали.

Расчетная траектория — траектория центра инструмента, ко­торая рассчитывается по геометрии обрабатываемых поверхно­стей с учетом геометрии инструмента. В простейшем случае рас­четная траектория совпадает с контуром детали (например, при точении, когда центром инструмента является вершина резца). Это может быть эквидистанта (рис. 63, а) или более слож­ная кривая (рис. 63, б).

Рис. 64. Схема точения наружной цилиндрической поверхности и подрезки торца на станке с ЧПУ

Опорная геометрическая или технологическая точка — это точка расчетной траектории, в которой происходит изменение закона, описывающего траекто­рию, или изменение условий обработки.

Ниже приведена простейшая программа на универсальном языке программирования УЧПУ CLDATA (Catter Location Data — данные о положении режущей кромки для наружного точения цилиндрической поверхности и подрезки торца (рис. 64) с ком­ментариями, составленная в со­ответствии со стандартом ISO.

Координаты точек траекто­рии задаются от нулевой точки детали, которой в рассматрива­емом примере служит точка пе­ресечения оси детали с ее пра­вым торцом, ось Z направлена по оси детали вправо, ось X — по радиусу.

N10 G90 G95 S670 М4 — координаты точек траектории — абсо­лютные (G90), задание частоты вра­щения шпинделя: установить частоту вращения (G95) 670 об/мин (S670)), вращение против часовой стрелки (М4); N15 GO Х50 Z1.5 Til М8 — быстрый подвод инструмента: пози­ционирование (GO) инструмента с кодом 11 (Т11) в точку с координа­тами X = 50 мм (Х50), Z = 1,5 мм (Z1.5), 1,5 мм — заходный участок, включить охлаждение с кодом 8 (М8); N20 G1 Z-10 F0.35 — рабочий ход — точение: линейная интерполяция (G1) (траектория — отрезок прямой) из предыдущей точки X = 50 мм, Z = 1,5 мм в точку с той же координатой X и координа­той Z = —10 мм (Z—10) с осевой по­дачей S = 0,35 мм/об (F0.35); N25 G95 S837 М4 — задание частоты вращения шпинделя:

установить частоту вращения (G95) 837 об/мин (S837)), вращение опять против часовой стрелки;

N30 G1 Х56 F0.3 — подрезка торца вверх на 5+1 мм: ли­нейная интерполяция (G1) в точку X = 56 мм, Z = —10 мм (Х56) с ради­альной подачей S = 0,3 мм/об (F0.3); N35 GO Х70 Z30 — быстрый отвод инструмента вправо:позиционирование в точку X = 70 мм, Z = 30 мм (Z30); N40 М02 — конец программы.

Программа набивается на перфоленте или записывается на магнитную ленту или диск, после чего команды вводятся в УЧПУ, расшифровываются, УЧПУ выдает приказы рабочим органам станка, ожидает окончания выполнения текущей ко­манды и переходит к следующей. Каждая команда предусматри­вает автоматическое выполнение системами управления станка сложных действий, связанных с перемещениями рабочих орга­нов по времени в условиях возмущений со стороны внешней среды (колебания напряжения питания, твердости заготовки, трения и т.д.). Команды выполняются последовательно, пере­ход к следующей команде возможен только после завершения выполнения текущей.

Кадр управляющей программы — часть УП, выполняемая как единое целое (подвод инструмента, проход и т.д.). Блок или глава управляющей программы — совокупность кадров, выполняемых при одной настройке технологической системы (рассмотренный выше пример). Главный кадр управляющей программы — первый после остановки обработки задает новые настройки технологической си­стемы, необходимые для продолжения обработки. Остальные кад­ры блока (главы) задают последовательное изменение настроек, определенных главным кадром.

В ПЗУ УЧПУ помещены в виде подпрограмм последовательно­сти управляющих сигналов, необходимые для выполнения стан­ком основных действий, связанных с обработкой заготовки. УЧПУ является интерпретатором, который расшифровывает очередную команду УП и запускает соответствующую подпрограмму выпол­нения этой команды (например, подпрограмму управления быст­рым подводом инструмента в нужную точку GO), приводящую к срабатыванию реле, муфт, путевых переключателей и т.д. и обес­печивающую выполнение различных технологических команд (сме­на инструмента, переключение частот вращения шпинделя, пе­ремещение суппорта и т.д.).

Постоянный цикл — часто встречающаяся последовательность команд УП, оформленная в виде стандартной подпрограммы УЧПУ, которая вызывается одной макрокомандой УП (например, подпрог­раммы точения цилиндрической поверхности, нарезания резьбы, сверления отверстий). Использование циклов упрощает програм­мирование и уменьшает длину УП.

Интерполятор — блок УЧПУ, ответственный за вычисление координат промежуточных точек траектории, которую должен пройти инструмент между точками, заданными в УП. Интерполя­тор имеет в качестве исходных данных команду УП перемещения инструмента от начальной до конечной точки по контуру в виде отрезка прямой, дуги окружности и т.п., например:

N15 G0 Х50 Z1.5 T1l М8 — быстрый подвод по прямой;

N20 G1 Z-10 F0.35 — рабочий ход по прямой.

Результатом работы интерполятора являются последовательно­сти управляющих импульсов для привода подач, выдаваемых в нужные моменты времени, обеспечивающие требуемые скорость и величину перемещения суппорта, или требуемые законы X{t), Y(t), Z(t) изменения координат рабочего органа во времени. Имен­но интерполятор является задатчиком для системы автоматичес­кого управления многокоординатным приводом подач, воспро­изводящим требуемую траекторию.

Для обеспечения точности воспроизведения траектории порядка 1 мкм (точность датчиков положения и точность позиционирова­ния суппорта составляют порядка 1 мкм) интерполятор выдает управляющие импульсы каждые 5... 10 мс, что требует от него высо­кого быстродействия.

С целью упрощения алгоритма работы интерполятора задан­ный криволинейный контур формируется обычно из отрезков прямых линий или из дуг окружностей, причем часто шаги пере­мещений по разным осям координат выполняются не одновре­менно, а поочередно. Тем не менее за счет высокой частоты вы­дачи управляющих воздействий и инерционности механических узлов привода происходит сглаживание ломаной траектории до плавного криволинейного контура. УП составляется в расчете на некоторый стандартный инструмент, реальный инструмент име­ет отличающиеся размеры и изнашивается при работе. Формиро­вание нового варианта УП для каждого инструмента трудоемко, хранение большого числа вариантов УП неудобно. В станках с УЧПУ предусмотрена возможность коррекции: настройки УЧПУ вручную или командами УП на конкретный инструмент. При вы­полнении УП каждая команда будет автоматически скорректи­рована для учета реального вылета инструмента (путем параллель­ного переноса) и радиуса режущей кромки (расчетом эквидис- танты). На рис. 3.64 показана траектория вершины резца, задан­ная в УП, и траектория базовой точки F резцедержателя, сдви­нутая вверх на L_x — вылет резца по оси X и вправо на L_z — вылет резца по оси Z.

Возможна автоматическая коррекция траектории с учетом из­носа инструмента (коррекция вылета) или коррекция подачи при недопустимом росте сил резания, момента привода шпинделя, вибрациях (адаптивное управление). В этом случае происходит мно­гоуровневая коррекция, меняющаяся во время обработки.

Системы ЧПУ делят на позиционные системы, осуществляю­щие установку рабочего органа в заданной точке пространства, причем траектория перемещения определяется самим УЧПУ, и контурные системы, обеспечивающие перемещение рабочего орга­на по заданной в УП траектории с заданной контурной скоростью.

Позиционные системы характерны для операций сверления, точечной сварки, отрезки, когда траектория значения не имеет, и движение выполняется обычно по прямой с поочередным или одновременным изменением координат.

Контурные системы ЧПУ используются при обработке повер­хностей на токарных и фрезерных станках, когда требуемая по­верхность воспроизводится совместным перемещением инструмен­та и заготовки. Контурные системы ЧПУ включают обычно и фун­кции позиционных систем. Так, рассмотренная выше УП состав­лена для контурного устройства управления токарным станком (траектория перемещения резца во время рабочего хода задается командой G1), однако в УП присутствует типичная для позици­онных систем команда быстрого подвода рабочего органа (GO).

Для жесткой синхронизации перемещения по координатам и вращения шпинделя в УЧПУ в качестве тактового задатчика (вме­сто таймера в ЭВМ) могут использоваться импульсы от датчика скорости вращения привода главного движения. Управление при­водами станка происходит преимущественно импульсами, поэто­му УЧПУ является импульсным устройством, оснащенным УСО с импульсными входами-выходами.

Бурное развитие электроники обусловило постоянное услож­нение УЧПУ. Простейшими являются системы ЧПУ класса NC (Numeric Control).

Следующим поколением УЧПУ были системы класса SNC (Stored Numeric Control), построенные на интегральных микро­схемах, имеющих большую надежность и возможности и мень­шие габариты, что и привело к росту мощности команд входного языка, упрощению программирования и сокращению размеров УП. Системы этого класса имели ОЗУ, достаточное для запомина­ния всей УП; это сделало возможным однократный ввод УП в ОЗУ и многократное ее выполнение при обработке серии дета­лей, эксплуатационные характеристики этих систем значительно улучшились.

Использование управляющей миниЭВМ в качестве УЧПУ вместо специальных блоков управления привело к созданию си­стем класса DNC (Direct Numeric Control). Ввиду высокой сто­имости миниЭВМ тех времен и ее больших габаритов ЭВМ раз­мещалась вне зоны обработки и управляла несколькими станками одновременно.

Использование универсальной ЭВМ в качестве УЧПУ позволило:

реализовать алгоритмы управления в виде программ ЭВМ, что обусловило гибкость системы;

строить УП из мощных команд с использованием подпрог- рамм-циклов, что упрощает программирование и делает УП ко­роткой;

загружать УП с перфоленты, магнитного диска или передавать их по сети из архива.

С появлением микро-ЭВМ появилась возможность разместить УЧПУ непосредственно на станке применительно к этому кон­кретному станку. Системы этого класса называются CNC (Computer Numeric Control) и обладают следующими особенностями:

используются однотипные ЭВМ для управления разнообраз­ными станками, что позволяет унифицировать УЧПУ, снизить их стоимость, повысить надежность и упростить программирование УЧПУ;

алгоритмы управления, учитывающие специфику станка, вклю­чены в микросхему ПЗУ, что обеспечивает надежность их хране­ния и гибкость УЧПУ благодаря простоте замены одной микро­схемы ПЗУ на другую.

Соединение с помощью вычислительной сети отдельных систем УЧПУ (CNC), управляющих станками, роботами, транспортными устройствами и т.д., с ЭВМ, хранящей архивы УП и взаимоувя­зывающей работу отдельных единиц оборудования с ЧПУ, при­вело к созданию гибких производственных систем. В этих системах центральная ЭВМ синхронизирует работу всех УЧПУ, входящих в ГПС, контролирует исправность узлов, служит пультом опера­тора, связана по сети с системами управления высших уровней: автоматическими системами управления производством (АСУП), системами автоматического проектирования и др., что обеспечи­вает бесперебойное снабжение сырьем, инструментом и т.д.

Рост мощности ЭВМ, используемых в качестве УЧПУ класса CNC, привел к созданию систем класса HNC (Handled Numeric Control), оснащенных мощным процессором, магнитным диском и качественным дисплеем, допускающих простой ручной ввод и отладку УП на станке с использованием вспомогательных инст­рументов программирования.

Чем мощнее УЧПУ, тем мощнее операторы его входного язы­ка (вплоть до CLDATA), короче и понятнее УП, в ней меньше ошибок, проще ручное и автоматизированное программирование УЧПУ.

Составление УП обработки сложных деталей требует высокой квалификации программиста, а ошибки в ней ведут к поломкам дорогостоящего оборудования и травмам людей. Поэтому ручное программирование заменяется на автоматизированное, при кото­ром человек в диалоге с системой автоматизации программирова­ния УЧПУ (САП), установленной на ЭВМ общего назначения, решает технологические задачи, а САП выполняет детальное кро­потливое оформление команд для УЧПУ.

На рис. 65 приведена схема создания и выполнения програм­мы для УЧПУ. Геометрия детали и технологическая информация задаются или в виде операторов описания исходных данных для САП (обычно это один из вариантов общепринятого языка APT), или в диалоге с программой подготовки данных изображением геометрии детали в графическом редакторе и выбором информа­ции из предлагаемых ЭВМ таблиц и меню.

Всякая САП представляет собой набор программирующих про­грамм, включающий такие программы, как препроцессор, про­цессор и постпроцессор.

Препроцессор САП предназначен для предварительного ана­лиза исходных данных. Процессор САП рассчитывает траекторию, опорные точки и формирует УП обычно на CLDATA — языке программирования некоего абстрактного УЧПУ, принятого за стандартное. Если реальное УЧПУ станка требует УП на своем входном языке, УП переводится в этот язык в постпроцессоре САП. Далее УП загружается в УЧПУ и выполняется.

Операторы по очереди расшифровываются в устройстве управ­ления (УУ), выдающем по мере надобности управляющие им-

Рис. 65. Схема подготовки и выполнения управляющей программы станка

с ЧПУ

пульсы на контроллеры привода главного движения, закрепления инструмента и т.д. Геометрические команды передаются в интер­полятор, задающий приводу подач требуемые законы изменения координат центра инструмента. Корректор учитывает особеннос­ти реальной геометрии инструмента, после чего управляющие импульсы поступают на привод подач.

При обработке соответствующие датчики контролируют сра­батывания муфт и электроприводов, положения суппорта, крутя­щего момента привода главного движения, сил резания, уровня вибраций и т.д.

САП ЧПУ опирается на банки данных (БнД), содержащие сле­дующие компоненты:

2. схемы и наладки для обработки типовых поверхностей (на­ружное/внутреннее точение, нарезание резьбы, выполнение ка­навок, сверление, фрезерование паза и т.д.);

3. библиотеку простейших графических элементов для геомет­рических изображений (окружности, эллипсы, прямоугольники, отверстия, зубья, шестерни и т.д.);

4. технические характеристики станков, приспособлений, ин­струментов;

5. данные для расчета режимов обработки;

6. архив ранее разработанных переходов, операций;

7. архив готовых УП;

8. архив постпроцессоров для разных УЧПУ.

Станки с УЧПУ, а значит и САП, специализированы:

токарные станки — 2-координатные в плоскости XZ(cм. рис. 3.64);

фрезерные, сверлильные станки — 2,5-координатные, объем­ные фигуры задаются сечением в плоскости XY и высотой Z; 2,5-координатные станки — это значит, что одновременно уп­равляются две координаты (Хи У), после чего обработка в плоско­сти ХО Y останавливается и производится перестановка по оси Z в новую плоскость XOY.

сверлильно-расточные многоинструментные обрабатывающие центры — 3-координатные.

САП позволяет смоделировать и изобразить на экране траекто­рию инструмента и процесс съема металла, что удобно для конт­роля УП. САП допускает коррекцию УП вручную на любом этапе подготовки.

Существует множество САП ЧПУ, простейшие из которых предусматривают ввод исходных данных на входном языке типа APT, расчет траекторий, генерацию УП на CLDATA и перевод ее (если нужно) во входной язык УЧПУ. Более сложные САП спо­собны в диалоге с технологом по чертежу детали, выполненному на одном из стандартных пакетов машинного черчения, сформи­ровать технологический процесс, спроектировать отдельные опе­рации с выбором необходимого станка, приспособления, инст­румента, рассчитать последовательность переходов и проходов, рассчитать режимы обработки и т.д.

Применение САП, созданных при участии и на основе опыта квалифицированных технологов-программистов, значительно упрощает программирование УЧПУ и повышает качество про­грамм, что создает предпосылки для широкого применения обо­рудования с ЧПУ.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются принципы разомкнутого управления, принцип компенсации и принцип отрицательной обратной связи?

2. Каковы преимущества и недостатки систем, построенных на при­веденных выше принципах?

3. Какой принцип управления следует применить при создании про­стой системы управления, работа которой мало зависит от окружающей среды, а элементы стабильны и надежны?

4. Какой принцип управления следует применить при создании систе­мы, подверженной влиянию большого количества разнообразных вне­шних факторов, нескольких заранее известных факторов?

5. Что делает систему управления дискретной?

6. Является ли непрерывной система управления на базе микропро­цессора?

7. Чем отличаются и чем похожи системы программного управле­ния, стабилизации и следящие системы?

8. Какова причина возникновения зоны насыщения и петли гисте­резиса в характеристике элемента системы управления?

9. Чему равен передаточный коэффициент параллельного и последо­вательного соединения элементов?

10. Чему равен передаточный коэффициент элемента, охваченного положительной обратной связью? отрицательной обратной связью?

11. Как экспериментально определить передаточный коэффициент элемента системы управления?

12. Как связана постоянная времени инерционного звена со статичес­кой характеристикой?

13. Чем отличается частота среза сигнала от частоты среза элемента?

14. Каково главное преимущество электрических элементов?

15. Каков главный недостаток пневматических элементов?

16. Почему измеряемый параметр, как правило, сразу преобразуют в электрический сигнал?

17. Чем отличается датчик от измерительного прибора?

18. В чем отличие требований к конструкции датчика и указателя?

19. В чем отличие генераторного и параметрического измерительных преобразователей?

20. Почему элементы автоматики следует проектировать с соблюдением стандарта на диапазоны входного и выходного сигналов?

21. Какова область применения цифровых первичных преобразователей?

22. Что является входным и выходным параметром индукционного дат­чика перемещения?

23. В каких случаях удобнее использовать абсолютную, а в каких — от­носительную погрешность?

24. Чем отличается систематическая погрешность от случайной?

25. Какой вид погрешности обработки свидетельствует об износе станка?

26. Какой вид имеет характеристика контактного преобразователя, реостата?

27. Почему для электромагнитных и емкостных датчиков используются измерительные цепи переменного тока?

28. Назовите главный недостаток емкостных датчиков по сравнению с электромагнитными.

29. Перечислите основные источники погрешности при использовании тензодатчика.

30. Каков принцип действия термопары?

31. Каков принцип действия терморезистора?

32. Назовите основные области применения электронных, гидро- и пневмо- усилителей.

33. Что такое каскад усилителя?

34. Что такое коэффициент усиления?

35. Какие параметры системы управления меняют с помощью коррек­тирующих устройств?

36. Приведите статическую характеристику поляризованного и ней­трального реле.

37. Какова область применения электромагнитных муфт?

38. Что такое триггер?

39. Укажите область применения АЦП и ЦАП.

40. Какова физическая реализация задатчиков в современных системах управления?

41. Что входит в состав электро-, гидро- и пневмопривода?

42. На каком принципе построены системы автоматического регулирования?

43. Каковы главные недостатки механических копировальных систем?

44. Какова область применения специализированных управляющих ЭВМ?

45. Из каких основных модулей состоит УСО?

46. Какие формы представления алгоритма вы знаете?

47. Каково назначение операционной системы?

48. Какова цель тестирования программы? (выберите правильный ответ):

а) демонстрация работоспособности программы заказчику;

б) выявление ошибок и недоработок в программе в «неудобных» условиях;

в) проверка работы программы в типичных условиях.

49. В чем отличие ПЛК от управляющей ЭВМ?

50. В чем отличие ПЛК от устройства ЧПУ?

51. Чем отличаются контурные системы ЧПУ от позиционных?

5