Структура металлорежущих станков с ЧПУ

В общем виде структуру комплекса «станок с ЧПУ» можно представить в виде трех блоков, каждый из которых выполняет свою задачу: управляющая программа (УП), устройство ЧПУ (УЧПУ) и собственно станок (рис. 2.1).

Управляющая программа содержит укрупненное кодированное описание всех стадий геометрического и технологического образования изделия. Главное (с информационной точки зрения) в этом описании то, что оно не допускает двусмысленных трактований.

В УЧПУ управляющая информация в соответствии с УП транслируется, а затем используется в вычислительном цикле, результатом которого является формирование оперативных команд в реальном масштабе машинного времени станка.

Станок является основным потребителем управляющей информации, исполнительной частью, объектом управления, а в конструктивном отношении - несущей конструкцией, на которой смонтированы механизмы с автоматическим управлением, приспособленные к приему оперативных команд от УЧПУ. К числу подобных механизмов относятся прежде всего те, которые непосредственно участвуют в геометрическом формообразовании изделия. Это механизмы координатных подач, направления которых различны. В зависимости от числа координат движения, задаваемых механизмами подачи, складывается та или иная система координат обработки: плоская, пространственная трехмерная, пространственная, многомерная. Из всех механизмов механизмы подачи требуют в процессе управления наибольшего объема переработки информации и вычисления, поэтому от числа управляемых координат, от сложности геометрической координатной задачи формообразования во многом зависит сложность УЧПУ в целом и используемая методика программирования.

Функциональность реальной системы ЧПУ (СЧПУ) определяется степенью реализации целого ряда функций при управлении оборудованием. Дадим краткую характеристику этих функций.

Ввод и хранение системного программного обеспечения (СПО).

К СПО относят совокупность программ, отражающих алгоритмы функционирования конкретного объекта. В УЧПУ низших классов СПО заложено конструктивно и не может быть изменено, и УЧПУ может управлять лишь данным (типовым) объектом (например, только станками токарной группы с двумя координатами). В системах, обеспечивающих управление широким классом объектов (в так называемых многоцелевых СЧПУ), при настройке СЧПУ для решения определенного круга задач СПО вводится извне. Это необходимо, поскольку у разных объектов существуют различия в алгоритмах формообразования по числу координат управления, скоростям и ускорениям движения инструмента. Разнообразие типов приводов и состава технологических команд объектов ведет к различиям в количестве и характере сигналов обмена.

В автономных многоцелевых устройствах управления СПО вводится с перфоленты, в автоматизированных устройствах (в составе АСУ ТП и ГАП) - по каналу связи с ЭВМ верхнего уровня. Естественно, что СПО хранится в памяти системы до тех пор, пока не меняется объект управления. При замене объекта управления (например, вместо токарного станка к СЧПУ подключается промышленный робот) необходим ввод в СЧПУ новых программ (СПО), которые определили бы алгоритмы функционирования этого нового объекта.

Необходимо различать СПО и управляющие программы: СПО остается неизменным для данного объекта управления, а УП изменяются при изготовлении разных деталей на одном и том же объекте. В многоцелевых СЧПУ память для хранения СПО должна быть энергонезависимой, т. е. сохранять информацию при пропадании напряжения питающей сети.

Ввод и хранение УП.

Управляющая программа может вводиться в СЧПУ с перфоленты, с пульта управления или по каналам связи с ЭВМ высшего уровня. Память для хранения УП, которая обычно представляется в коде ИСО, должна быть энергонезависимой. В СЧПУ высших классов УП обычно вводится сразу и целиком и запоминается в оперативной памяти системы. Однако в ряде СЧПУ используется также метод покадрового ввода УП - путем поэтапного (покадрового) чтения перфоленты фотосчитывающим устройством системы управления.

В ряде систем введенная УП после отладки и редактирования с использованием УЧПУ может быть выведена на какие-либо внешние устройства: перфоратор, автоматическое печатающее устройство, графопостроитель, дисплей, накопитель на магнитных дисках и т. д.

Интерпретация кадра.

Управляющая программа состоит из составных частей - кадров. Отработка очередного кадра требует проведения ряда предварительных процедур, называемых интерпретацией кадра. Для непрерывности контурного управления процедуры интерпретации i+1-го кадра должны быть реализованы во время управления объектом по i-му кадру. Иначе говоря, система управления должна быть готова к немедленной (без перерывов на чтение и распознавание кадров) выдаче команд управления в соответствии с командами последующего кадра после исполнения команд, заложенных в кадре текущем.

Интерполяция. СЧПУ должна обеспечить с требуемой точностью автоматическое получение (расчет) координат промежуточных точек траектории движения элементов управляемого объекта по координатам крайних точек и заданной функции интерполяции.

Управление приводами подач.

Сложность управления зависит от типа привода. В общем случае задача сводится к организации цифровых позиционных следящих систем для каждой координаты. На вход такой системы поступают коды (код), соответствующие результатам интерполяции. Этим кодам должно отвечать положение по координате (линейное или угловое) перемещающегося объекта. Определение действительного положения перемещающегося объекта и сообщение о нем в систему управления осуществляются датчиками обратной связи. Кроме управления в режиме движения по заданной траектории, необходима организация и некоторых вспомогательных режимов, таких как: согласование системы управления приводами с истинным положением датчиков обратной связи, установка системы приводов в фиксированный нуль станка, контроль выхода за допустимые значения координат, автоматический выход приводов в режим торможения по определенным законам и др.

Управление приводом главного движения.

Управление предусматривает включение и отключение привода, стабилизацию скорости, а в некоторых случаях - управление углом поворота как дополнительной координатой.

Логическое управление.

Это управление технологическими узлами дискретного действия, входные сигналы которых производят операции типа «включить», «отключить», а выходные фиксируют состояния «включено», «отключено».

Коррекция на размеры инструмента.

Коррекция УП на длину инструмента сводится к параллельному переносу координат, т. е. смещению. Учет фактического радиуса инструмента сводится к формированию траектории, эквидистантной запрограммированной.

Реализация циклов.

Выделение повторяющихся (стандартных) участков программы, называемых циклами, является эффективным методом сокращения УП. Так называемые фиксированные циклы характерны для определенных технологических операций (сверления, зенкерования, растачивания, нарезания резьбы и т. п.) и встречаются при изготовлении многих изделий.

При разработке УП фиксированные циклы указываются в программе, а их отработка ведется в соответствии с определенной подпрограммой, заложенной в память СЧПУ системой программного обеспечения или конструктивной схемой.

Программные технологические циклы соответствуют повторяющимся участкам данной обрабатываемой детали. Эти циклы, в определенных СЧПУ, также могут быть выделены и занесены в оперативную память СЧПУ, а при повторениях в соответствии с командами УП реализовываться с вызовом их из оперативной памяти.

Смена инструмента.

Эта функция характерна для многоинструментальных и многоцелевых станков. Задача смены инструмента в общем случае имеет две фазы: поиск гнезда магазина с требуемым инструментом и замену отработавшего инструмента на новый.

Коррекция погрешностей механических и измерительных устройств.

Любой конкретный агрегат механообработки (т. е. объект управления) можно аттестовать с помощью измерительных средств достаточно высокого класса точности. Результаты такой аттестации в виде таблиц погрешностей (внутришаговая ошибка, накопленная ошибка, люфты, температурные погрешности) заносятся в память СЧПУ. При работе системы текущие показания датчиков агрегатов корректируются данными из таблиц погрешностей…

Адаптивное управление механообработкой.

Для осуществления такого управления необходимая информация получается от специально установленных датчиков, с помощью которых измеряют момент сопротивления резанию или составляющие сил резания, мощность привода главного движения, вибрацию, температуру, износ инструмента и др. Чаще всего адаптация осуществляется изменением контурной скорости или скорости привода главного движения.

Накопление статистической информации.

К статистической информации относятся фиксация текущего времени и времени работы системы и ее отдельных узлов, определение коэффициента загрузки оборудования, учет изготовленной продукции, фиксация ее отдельных параметров и т. д.

Автоматический встроенный контроль.

Организация такого контроля в зоне обработки особенно актуальна для ГАП. Непрерывный контроль по формируемым размерам обрабатываемого изделия - одна из основных задач повышения качества механообработки.

Дополнительные функции.

К дополнительным функциям можно отнести следующие: обмен информацией с ЭВМ верхнего уровня, согласованное управление оборудованием технологического модуля, управление элементами автоматической транспортно-складской системы, управление внешними устройствами, связь с оператором, техническую диагностику технологического оборудования и самой системы ЧПУ, оптимизацию отдельных режимов и циклов технологического процесса и др.