Класифікація та функціональні можливості систем числового програмного управління

З усієї сукупності промислових установок виділяються такі, основними задачами яких є відтворення точних просторових рухів робочих органів системою ЧПУ (СЧПУ) верстатами і промисловими роботами. Специфіка розв’язуваних ЧПУ задач знайшла відображення в апаратурі пристроїв ЧПУ, вхідних мовах, методах програмування.

Основними компонентами СЧПУ є система підготовки управляючих програм і пристрій ЧПУ, що сприймає і перетворює інформацію УП в сигнали керування устаткуванням.

УП ПЧПУ містить геометричну і технологічну інформацію.

Геометрична інформація включає дані про тип траєкторії та її параметри (лінійні та кутові переміщення, швидкість та прискорення при відпрацьовуванні елемента траєкторії).

Співвідношення між фактичним переміщенням (у міліметрах) і його значенням, що задається в УП числом, є дискретою переміщення.

Кінцеві розміри інструмента приводять до того, що траєкторія його центра відрізняється від траєкторії, запрограмованої в УП, на значення радіуса або довжини інструмента. Це призводить до необхідності автоматичного розрахунку самим ПЧПУ еквідистантного контуру, тобто рівновіддаленого від заданого в УП на розмір інструмента. Оператор повинний мати можливість оперативної корекції розмірів інструмента.

Технологічна інформація в УП включає дані про режим роботи устаткування, номери інструмента і функції управління електроавтоматикою комплексу “верстат–ПЧПУ”.

Різноманітність та складність виникаючих задач управління викликають необхідність визначення відмітних ознак для функціональних можливостей систем ЧПУ, застосовуваних у ГВС. До таких ознак потрібно віднести ті, які представлені на рис. 5.14.

Основною класифікаційною ознакою ПЧПУ є клас об’єктів, для яких призначається цей пристрій. Основними класами об’єктів у машинобудівному виробництві є верстати і промислові роботи.

Огляд і аналіз сучасних пристроїв ЧПУ переконує в тому, що розвиток сучасних систем ЧПУ відбувається під впливом об’єкта, що, у свою чергу, впливає на конструкцію знову розроблювальних об’єктів управління, зайнятих у технологічному процесі.

Рис. 5.14. Ознаки класифікації систем ЧПУ

Для сучасного устаткування ГВС характерно, що основне технологічне устаткування оснащується все більш розвинутими зовнішніми пристроями, які слугують цілям зв’язку та інтеграції з виробничим середовищем. Можна виділити десять груп пристроїв: роботи-навантажувачі; подавальні та транспортуючі пристрої; контролюючі пристрої, а також пристрої, призначені для управління точністю обробки, управління інструментом; затискні та орієнтуючі пристрої; обробки результатів контролю; управління стружкоутворенням і видалення відходів; виявлення бракованих виробів; ідентифікації заготовок і виклику відповідних УП; управління режимом обробки. Передбачається, що майбутня безпериферійна робота основного технологічного устаткування буде настільки ж неприродною, як і безпериферійная робота ЕОМ. Визначаючи коло необхідних функціональних можливостей пристроїв ЧПУ, необхідно мати на увазі його зв’язки з обладнанням об’єкта управління, а також із зовнішнім середовищем та іншими підсистемами ГВС.

Основною задачею пристрою ЧПУ є задання та відтворення деякої просторової траєкторії. Тому спосіб задання та відтворення траєкторії (вид управління) є другою за важливістю класифікаційною ознакою систем ЧПУ. Відповідно до цього можна виділити пристрої, що забезпечують:

1)циклове управління – траєкторія задається номерами точок у просторі;

2)позиційне управління – траєкторія задається номерами і координатами точок у просторі;

3)контурне управління – траєкторія задається просторовою кривою.

Багато сучасних пристроїв забезпечують усі три види задання траєкторії. Для об’єктів різних класів використовуються різні види задання траєкторій. Наприклад, для пристроїв ЧПУ верстатів і роботів, використовуваних як основне технологічне устаткування, переважне значення мають позиційне і контурне управління, а циклове управління використовується тільки при управлінні допоміжними механізмами. Для транспортно-складських систем і циклових роботів основним є циклове управління.

Характеристики приводу подач верстата визначаються не тільки локальними зв’язками між окремими елементами привода, але деякою мірою алгоритмом роботи пристрою ЧПУ, і, у свою чергу, впливають на побудову цього алгоритму.

Позиційні системи ЧПУ забезпечують автоматичне переміщення робочого органу верстата на координату, задану програмою, без обробки в процесі переміщення робочого органу. Ці пристрої застосовують у свердлильно-розточувальних та інших верстатах.

Переміщення інструмента від однієї точки (координати) обробки до іншої виконується на прискорених ходах.

Специфічною для цього класу систем є вимога забезпечення точності тільки при зупинці в заданій координаті. Вид траєкторії при переміщенні з однієї координати в іншу не задається. Однак час переміщення повинен бути мінімальним.

Таким чином, метою позиційного управління є переміщення робочого органу в задані точки. При цьому ні траєкторія між точками, ні результуюча швидкість робочого органу не задаються для контролю.

З погляду на значний відсоток холостих ходів у верстатах з позиційними системами ЧПУ, до приводу подач висуваються вимоги високої швидкодії та забезпечення значних швидкостей переміщення при малій дискретності. У багатоцільових верстатах і ГВМ частка холостих ходів ще більше зростає через переміщення, виконувані при зміні інструмента. Операція позиціонування виконується також при інших видах управління верстатами. Тому в більшості випадків привод подач верстатів з ЧПУ (крім інших вимог) повинен задовольняти також вимогам, що висуваються до цього приводу в позиційних системах.

Контурні системи ЧПУ забезпечують автоматичне переміщення робочого органу верстата по заданій траєкторії із заданою контурною швидкістю. Рух по заданій траєкторії здійснюється за допомогою інтерполяції, тобто розрахунку координат проміжних точок руху робочого органу в площині або в просторі.

Контурна швидкість – це результуюча швидкість подачі робочого органу вздовж осей координат об’єкта. У цих системах неузгодженість по швидкості і по напрямку від запланованих значень може призвести до порушення режимів обробки або до помилки обробки контурів деталей.

Існують наступні різновиди контурних систем ЧПУ.

Контурні прямокутні (колінеарні) системи ЧПУ застосовують у верстатах, у яких обробка проводиться лише при русі по одній координаті й оброблювана поверхня рівнобіжна (колінеарна) напрямним даної координати.

У більшості верстатів застосовують прямокутні координати. Тому такі системи одержали назву прямокутних. У цих системах, так само як і в позиційних, програмуються кінцеві координати переміщення. Однак, крім того, у програмі задається швидкість руху відповідно до необхідного режиму різання, і переміщення виконується по черзі по кожній з координатних осей. У цих системах відставання або випередження (неузгодженість) по швидкості щодо запрограмованого значення безпосередньо не викликає похибки обробки, оскільки при цьому інструмент продовжує рух по заданій траєкторії. Виникає лише порушення розрахункового режиму різання і зв’язані з цим зміни шорсткості оброблюваної поверхні та пружних деформацій системи “верстат – деталь”.

Контурні прямокутні системи управління застосовують у верстатах фрезерної, токарної та шліфувальної груп.

Контурні криволінійні системи ЧПУ застосовують у верстатах багатьох груп. Вони забезпечують формоутворення при обробці в результаті одночасного погодженого руху по декількох керованих координатах. У загальному випадку число координат може бути більше трьох. Програму руху приводу подач по окремих координатах при контурній та об’ємній обробці розраховують, виходячи із заданої форми оброблюваної деталі та результуючої швидкості руху, обумовленої режимом різання. Неузгодженість привода подач може призвести до помилки обробки контуру.

Контурні системи є найбільш складними як з погляду алгоритму роботи пристрою ЧПУ, так і з погляду вимог, висунутих до приводу подач.

Різновидом контурних систем ЧПУ є синхронні (синфазні) системи, що застосовуються в основному в зубообробних верстатах. Пристрій ЧПУ задає постійне співвідношення швидкостей по двох чи більшому числі координатних осей верстата, а формоутворення забезпечується завдяки конфігурації інструмента. Співвідношення швидкостей руху по осях задається програмою і зберігається на весь час обробки даної деталі. У більшості випадків потрібно не тільки забезпечити визначене співвідношення середніх швидкостей руху по координатах, але також зберегти певну неузгодженість (синфазність) у приводах координат. Одна з координат верстата (звичайно головний привод) є визначальною і на ній встановлюють вимірювальний перетворювач (датчик).

Синфазна система входить як складовий елемент у пристрої ЧПУ токарно-гвинторізних верстатів для забезпечення режиму нарізання різей.

Комбіновані системи ЧПУ, які відповідають у повному обсязі вимогам позиційних і контурних пристроїв, застосовують в основному для управління багатоцільовими верстатами і ГВМ. Створення комбінованих систем дозволило скоротити номенклатуру пристроїв ЧПУ.

Циклові системи програмного управління включають у цифровому вигляді тільки інформацію про цикл і режими обробки, а величина переміщення робочих органів задається настроюванням упорів, що впливають на шляхові перемикачі.

Циклові системи програмного управління відрізняються від числових відносною простотою. Відповідно, технологічні можливості їх менш широкі.

Циклове управління – це керування на основі апріорно складеної управляючої програми, основним змістом якої є опис дискретного процесу із множини закінчених операцій.

Системи з таким управлінням одержують на вхід сигнали, що свідчать про настання умов зміни операцій, а на виході формують впливи на виконавчі органи, що ініціюють виконання операцій.

Верстати з цикловим програмним управлінням доцільно застосовувати в серійному і великосерійному виробництві при тривалій обробці партій деталей.

В залежності від структури системи управління пристрої ЧПУ поділяються на CNC (з децентралізованим NC-управлінням) і DNC (з централізованим NC-управлінням) системи. Відмінність цих систем виявляється й у функціях задач управління, що вирішують ці системи.

Так, CNC-системи призначені для рішення таких задач, як управління заготовками і деталями (зміна заготовок і деталей, розпізнавання палет і заготовок, зміна оброблюваного розміру), управління верстатом (виконання пробних циклів, діагностика стану, виконання геометричних переміщень, оптимізація режимів різання), управління інструментом (спостереження за стійкістю, зміна інструментальних магазинів, контроль різальної кромки).

DNC-системи орієнтовані на виконання таких задач управління, як спостереження й сповіщення (за процесом і логікою команд, за відхиленнями), контроль (виконання команд, розпізнавання заготовок, деталей та інструмента), диспетчеризація (послідовностей команд, видачі управляючої програми), тестування (управляючої програми, налагоджень, інтерпретації задач), групового управління (верстатами, транспортом, заготовками, інструментом, складом), статистичного обліку (обсягу випуску, кількості відмов, видів простоїв, фактичного часу роботи).

В залежності від способу реалізації алгоритму обробки управляючої програми пристрої ЧПУ бувають наступних видів: апаратні та мікропроцесорні. В залежності від призначення та, насамперед, від наявності та комбінації напівпровідникових запам’ятовуючих пристроїв у мікропроцесорних системах можна виділити наступні основні види пристроїв ЧПУ типу NC:

– пристрої, у яких управляючий алгоритм задає користувач або розробник. У цьому випадку найчастіше застосовують постійні запам’ятовуючі пристрої з електричним перезаписом інформації. Дуже важливо, що управління здійснюється без зміни апаратної частини ПЧПУ, а лише за допомогою системного ПЗ;

– пристрою, у яких можливе програмування управляючих алгоритмів. У цьому випадку використовуються оперативні запам’ятовуючі пристрої або оперативні статичні енергонезалежні запам’ятовуючі пристрої. Користувач може вільно змінювати вміст пам’яті для здійснення функцій управління. Таким чином, теж саме ПЧПУ можна застосовувати для управління різними машинами, зокрема, для верстатами і роботами.

Пристрої із запам’ятовуванням програми мають універсальну апаратну схему, яка теоретично може бути застосована для будь-якого локального об’єкта. Можливості ПЧПУ визначаються головним чином характеристиками системного ПЗ, що за необхідності змінюють, змінюючи вміст запам’ятовуючого пристрою. Тому витрати на розробку ПЧПУ перерозподілилися із системи управління на системне ПЗ, яке піддається відповідній модифікації.

Функціональні можливості сучасних пристроїв ЧПУ надзвичайно різноманітні. Однак з позицій функціонального призначення всі пристрої ЧПУ можна розбити на п’ять груп: зі стандартними фіксованими функціями; із гнучкими можливостями; підвищеної складності на базі мініпроцессора; масовий недорогий варіант пристрою ЧПУ з чітко вираженою орієнтацією на ручне введення даних.

Пристрої зі стандартними фіксованими функціями випускають великими серіями, головним чином, для локальних об’єктів зі стандартними технологічними або транспортними процесами (токарна і фрезерна обробка, універсальні позиційні та контурні промислові роботи). Функціональні можливості таких пристроїв ЧПУ визначені системним ПЗ, як правило, розміщеним в пам’яті типу ПЗП, і задовольняють запитам більшості споживачів.

Критерієм оптимальності таких систем є мінімум вартості при чітко встановлених функціональних можливостях.

Пристрої з гнучкими можливостями використовуються для об’єктів управління підвищеної складності та точності. Ці пристрої, на відміну від пристроїв ЧПУ зі стандартними фіксованими функціями, часто мають мультипроцесорну структуру, велику оперативну і зовнішню пам’ять, розвинену систему інтерфейсів для зовнішніх зв’язків, велике число керованих координат, високу точність, можливість генерації системного ПЗ відповідно до потреб споживача та об’єкта управління.

Критерієм оптимальності для подібних систем є широкі функціональні можливості за деяких обмежень на вартість.

Пристрої на базі мініпроцессора дорожчі, ніж пристрої ЧПУ попередніх груп, але їх функціональні можливості ще вищі. Такі пристрої ЧПУ використовуються для управління особливо складними й унікальними об’єктами, сукупністю локальних об’єктів, об’єднаних єдиним виробничим процесом, устаткуванням з високими адаптивними і гнучкими властивостями. Застосування в пристроях ЧПУ міні-ЕОМ приваблює ще і тому, що останні оснащені декількома надійними товарними операційними системами різного призначення, які забезпечують ефективну розробку надійного прикладного ПЗ і використання системного ПЗ пристрою ЧПУ.

При управлінні простими технологічними процесами не потрібен пристрій ЧПУ з розглянутими надлишковими, у даному випадку, функціональними можливостями. Саме для цих цілей останнім часом розроблені масові недорогі варіанти пристрою ЧПУ.

У найпростішому випадку в складі пристрою може бути цифрова індикація та блок управління об’єктом. Ємність пам’яті пристрою ЧПУ для УП заздалегідь обумовлена й обмежена. Програму вводять з панелі управління або касети. Такі пристрої ЧПУ повинні бути прості в експлуатації та високонадійні, що призводить до необхідності ретельного добору функцій пристроїв на стадії їх проектування (у тому числі і функцій діагностики, адаптації до об’єкта) і застосування сучасної високонадійної схемотехніки.

Простота, надійність та дешевизна покликані зробити привабливими такі пристрої ЧПУ для виробників і споживачів нескладного устаткування металообробних верстатів токарної, свердлильної та шліфувальної груп, механічних ножиць, пресів, механічних пилок, деревообробних верстатів, підйомників, пристроїв автоматичної зміни інструмента тощо.

Пристрій ЧПУ з орієнтацією на ручне введення УП віднесений до оперативних. Відмінність пристроїв ЧПУ цієї групи від інших полягає в тому, що значна частина розрахунків, пов’язаних з підготовкою УП, здійснюється в самому пристрої на основі спеціального, розміщеного в постійній пам’яті резидентного ПЗ, а рівень мовних засобів таких пристроїв вищий завдяки широкому використанню макровизначень і застосуванню діалогового введення УП в режимі “меню”.