Технология числового программного управления и станки с ЧПУ
Технология числового программного управления (ЧПУ), сокращённо ЧПУ (числовое управление), представляет собой способ управления механическими движениями и процессами обработки с помощью цифровой информации. В настоящее время, поскольку современные системы числового программного управления (ЧПУ) широко используют компьютерное управление, их также называют числовым программным обеспечением (ЧПУ).
Для реализации цифрового информационного управления механическими движениями и процессами обработки необходимо наличие соответствующих аппаратных и программных средств. Совокупность аппаратных и программных средств, используемых для реализации цифрового информационного управления, называется системой числового программного управления (СЧПУ), а ядром СЧПУ является устройство числового программного управления (ЧПУ).
Станки с ЧПУ называются станками с ЧПУ (станками с ЧПУ). Это типичный мехатронный продукт, который всесторонне объединяет передовые технологии, такие как компьютерные технологии, технологии автоматического управления, технологии прецизионных измерений и проектирование станков. Он является краеугольным камнем современных производственных технологий. Управление станками – это самая ранняя и наиболее широко применяемая область применения технологий числового программного управления. Таким образом, уровень станков с ЧПУ во многом отражает производительность, уровень и тенденции развития современных технологий числового программного управления.
Существуют различные типы станков с ЧПУ, включая сверлильные, фрезерные, расточные, токарные, шлифовальные, электроэрозионные, кузнечно-прессовые, лазерные и другие специализированные станки с ЧПУ. Любой станок с числовым программным управлением (ЧПУ) классифицируется как станок с ЧПУ.
Станки с ЧПУ, оснащенные устройством автоматической смены инструмента (ATC), за исключением токарных станков с ЧПУ с поворотными держателями инструмента, называются обрабатывающими центрами (Machine Center – MC). Благодаря автоматической замене инструмента заготовки могут обрабатываться одновременно в нескольких режимах, что обеспечивает концентрацию и комбинирование процессов. Это существенно сокращает время вспомогательной обработки и повышает производительность станка. Одновременно с этим сокращается количество установок и позиционирований заготовок, что повышает точность обработки. Обрабатывающие центры в настоящее время являются наиболее производительным и широко применяемым типом станков с ЧПУ.
На основе станков с ЧПУ, путём добавления устройств автоматической смены рабочих столов (паллет) (Auto Pallet Changer – APC) и других сопутствующих устройств, получаемый технологический узел называется гибкой производственной ячейкой (FMC). FMC не только реализует концентрацию и комбинирование процессов, но и, благодаря автоматической смене рабочих столов (паллет) и относительно полным функциям автоматического контроля и управления, может выполнять обработку без участия человека в течение определённого периода времени, тем самым дополнительно повышая эффективность обработки оборудования. FMC не только является основой гибкой производственной системы (FMS), но и может использоваться как самостоятельное автоматизированное технологическое оборудование. Поэтому темпы её развития весьма высоки.
Такая производственная система, основанная на FMC и обрабатывающих центрах, дополненная системами логистики, промышленными роботами и сопутствующим оборудованием, и управляемая централизованной и унифицированной системой управления, называется гибкой производственной системой (FMS). FMS позволяет не только выполнять автоматическую обработку в течение длительного времени, но и осуществлять полную обработку различных типов деталей и сборку компонентов, обеспечивая автоматизацию производственного процесса в цехе. Это высокоавтоматизированная передовая производственная система.
В условиях непрерывного развития науки и техники, для адаптации к меняющимся требованиям рынка, современному производству необходимо не только автоматизировать производственный процесс в цехе, но и добиться комплексной автоматизации, охватывающей все этапы – от прогнозирования рынка и принятия производственных решений до проектирования, производства и продажи продукции. Комплексная производственная система, сформированная путем интеграции этих требований, называется компьютерно-интегрированной производственной системой (КИПС). КИПС органично интегрирует многоуровневую производственную и коммерческую деятельность, обеспечивая более эффективное и гибкое интеллектуальное производство, представляя собой высшую ступень развития современных автоматизированных производственных технологий. В КИПС интеграция характеризуется не только интеграцией производственного оборудования, но, что более важно, интеграцией технологий и функций, основанных на информации. Компьютер является инструментом интеграции, автоматизированная технология – основой интеграции, а обмен информацией и данными – связующим звеном между ними. Конечный продукт можно рассматривать как материальное воплощение информации и данных.
Система числового программного управления и ее компоненты
Основные компоненты системы числового программного управления
Система числового программного управления станка с ЧПУ является ядром всего оборудования с числовым программным управлением. Основным объектом управления системы числового программного управления является перемещение осей координат (включая скорость, направление, положение и т.д.), а управляющая информация поступает преимущественно из программ обработки данных ЧПУ или программ управления движением. Поэтому основными компонентами системы числового программного управления должны быть: устройство ввода/вывода программ, устройство числового программного управления и сервопривод.
Роль устройства ввода/вывода заключается в вводе и выводе данных, таких как программы обработки данных числового программного управления или управления движением, данные обработки и управления, параметры станка, положения осей координат и состояние датчиков обнаружения. Клавиатура и дисплей являются основными устройствами ввода/вывода, необходимыми для любого оборудования с числовым программным управлением. Кроме того, в зависимости от системы числового программного управления, могут быть установлены такие устройства, как фотоэлектрические считыватели, ленточные накопители или дисководы. В качестве периферийного устройства компьютер в настоящее время является одним из наиболее распространённых устройств ввода/вывода.
Устройство числового программного управления (ЧПУ) является основным компонентом системы числового программного управления. Оно состоит из интерфейсных схем ввода/вывода, контроллеров, арифметических устройств и памяти. Задача устройства числового программного управления заключается в компиляции, вычислении и обработке данных, поступающих с устройства ввода через внутреннюю логическую схему или управляющее программное обеспечение, а также в выдаче различных видов информации и команд для управления различными частями станка с целью выполнения заданных действий.
Среди этих управляющих данных и инструкций наиболее базовыми являются команды скорости подачи, направления подачи и смещения подачи по осям координат. Они формируются после интерполяционных вычислений, передаются на сервопривод, усиливаются драйвером и, в конечном итоге, управляют смещением по осям координат. Это напрямую определяет траекторию движения инструмента или осей координат.
Кроме того, в зависимости от системы и оборудования, например, на станке с ЧПУ, могут быть также такие команды, как управление скоростью, направлением вращения, запуском/остановкой шпинделя; выбор и замена инструмента; запуск/остановка устройств охлаждения и смазки; ослабление и зажим заготовки; индексация рабочего стола и другие вспомогательные команды. В системе числового программного управления они передаются на внешнее вспомогательное устройство управления в виде сигналов через интерфейс. Вспомогательное устройство управления выполняет необходимые компиляционные и логические операции над вышеуказанными сигналами, усиливает их и управляет соответствующими исполнительными механизмами для управления механическими компонентами, гидравлическими и пневматическими вспомогательными устройствами станка для выполнения действий, заданных командами.
Сервопривод обычно состоит из сервоусилителей (также известных как драйверы, сервоблоки) и исполнительных механизмов. В настоящее время на станках с ЧПУ в качестве исполнительных механизмов обычно используются серводвигатели переменного тока; на современных высокоскоростных станках для механической обработки стали использоваться линейные двигатели. Кроме того, на станках с ЧПУ, выпущенных до 1980-х годов, в некоторых случаях использовались серводвигатели постоянного тока; для простых станков с ЧПУ в качестве исполнительных механизмов также применялись шаговые двигатели. Конструкция сервоусилителя зависит от исполнительного механизма и должна использоваться совместно с приводным двигателем.
Вышеперечисленное является наиболее важными компонентами системы числового программного управления. С непрерывным развитием технологий числового программного управления и повышением уровня производительности станков, функциональные требования к системе также растут. Для удовлетворения требований к управлению различными станками, обеспечения целостности и единообразия системы числового программного управления и упрощения использования пользователем, широко используемые современные системы числового программного управления обычно имеют внутренний программируемый контроллер в качестве вспомогательного устройства управления станка. Кроме того, на металлорежущих станках привод шпинделя также может стать компонентом системы числового программного управления; на станках с ЧПУ с замкнутым контуром измерительные и детектирующие устройства также являются незаменимыми для системы числового программного управления. В современных системах числового программного управления иногда даже компьютер используется в качестве человеко-машинного интерфейса системы, для управления данными и устройств ввода/вывода, тем самым делая функции системы числового программного управления более мощными, а производительность более совершенной.
В заключение следует отметить, что состав системы числового программного управления зависит от её производительности и конкретных требований к управлению оборудованием. Конфигурация и состав системы существенно различаются. Помимо трёх основных компонентов: устройства ввода/вывода программы обработки, устройства числового программного управления и сервопривода, могут быть предусмотрены и другие управляющие устройства. На рисунке 1-1 пунктирная линия представляет собой систему числового программного управления.
Концепции NC, CNC, SV и PLC
NC (CNC), SV и PLC (PC, PMC) — очень часто используемые английские аббревиатуры в оборудовании с числовым программным управлением и имеющие разные значения в различных случаях практического применения.
ЧПУ (числовое программное управление): NC и CNC — распространённые английские аббревиатуры от Numerical Control (числовое программное управление) и Computerized Numerical Control (числовое программное управление) соответственно. Учитывая, что в современном числовом программном управлении используется компьютерное управление, можно считать, что значения NC и CNC полностью совпадают. В инженерных приложениях, в зависимости от сферы применения, NC (числовое программное управление) обычно имеет три различных значения: в широком смысле оно обозначает технологию управления (числовое программное управление); в узком смысле оно обозначает элемент системы управления (числовое программное управление); кроме того, оно может также обозначать конкретное устройство управления (числовое программное управление).
SV: SV — распространённая английская аббревиатура для сервопривода (Servo Drive, сокращённо servo). Согласно предписаниям японского стандарта JIS, это «управляющий механизм, который использует положение, направление и состояние объекта в качестве управляющих величин и отслеживает произвольные изменения целевого значения». Другими словами, это управляющее устройство, способное автоматически отслеживать физические величины, такие как целевое положение.
На станках с ЧПУ роль сервопривода в основном отражается в двух аспектах: во-первых, он позволяет осям координат работать со скоростью, заданной устройством числового программного управления; во-вторых, он позволяет позиционировать оси координат в соответствии с положением, заданным устройством числового программного управления.
Объектами управления сервопривода обычно являются перемещение и скорость осей координат станка; исполнительным механизмом является серводвигатель; часть, управляющая и усиливающая входной командный сигнал, часто называется сервоусилителем (также известен как драйвер, усилитель, сервоблок и т. д.), который является ядром сервопривода.
Сервопривод может использоваться не только совместно с устройством числового программного управления, но и самостоятельно, как система управления положением (скоростью). Поэтому его часто называют сервосистемой. В ранних системах числового программного управления блок управления положением, как правило, был интегрирован с ЧПУ, а сервопривод обеспечивал только управление скоростью. Поэтому сервопривод часто называли блоком управления скоростью.
PLC: PC (ПК) — английская аббревиатура от Programmable Controller (Программируемый контроллер). С ростом популярности персональных компьютеров, чтобы избежать путаницы с персональными компьютерами (также называемыми ПК), программируемые контроллеры теперь обычно называют программируемыми логическими контроллерами (Programmable Logic Controller — PLC) или программируемыми станочными контроллерами (Programmable Machine Controller — PMC). Поэтому на станках с ЧПУ аббревиатуры PC, PLC и PMC имеют абсолютно одинаковое значение.
ПЛК обладает такими преимуществами, как быстрое реагирование, надежная работа, удобство использования, простота программирования и отладки, а также может напрямую управлять некоторыми электроприборами станков. Поэтому он широко используется в качестве вспомогательного устройства управления для оборудования с числовым программным управлением. В настоящее время большинство систем числового программного управления имеют встроенный ПЛК для обработки вспомогательных инструкций станков с ЧПУ, что значительно упрощает вспомогательное устройство управления станком. Кроме того, во многих случаях, благодаря специальным функциональным модулям, таким как модуль управления осями и модуль позиционирования ПЛК, ПЛК также может напрямую использоваться для управления положением точки, линейного управления и простого контурного управления, образуя специальные станки с ЧПУ или производственные линии с ЧПУ.
Состав и принцип работы станков с ЧПУ
Базовый состав станков с ЧПУ
Станки с ЧПУ являются наиболее типичным оборудованием с числовым программным управлением. Для выяснения базовой конструкции станков с ЧПУ необходимо проанализировать рабочий процесс обработки деталей на станках с ЧПУ. На станках с ЧПУ обработка деталей может осуществляться следующим образом:
По чертежам и технологическим картам обрабатываемых деталей, используя заданные коды и форматы программ, записать в форму команд, распознаваемую системой числового программного управления, траекторию движения инструментов, технологический процесс, параметры процесса, параметры резания и т.д., т.е. записать программу обработки.
Введите написанную программу обработки в устройство числового программного управления.
Устройство числового программного управления декодирует и обрабатывает входную программу (код) и подает соответствующие сигналы управления на устройства сервопривода и устройства управления вспомогательными функциями каждой координатной оси для управления перемещением каждого компонента станка.
Во время движения система числового программного управления должна в любой момент времени определять положение осей координат станка, состояние переключателей хода и т. д. и сравнивать их с требованиями программы для определения следующего действия до тех пор, пока не будут обработаны качественные детали.
Оператор может в любой момент наблюдать и контролировать условия обработки и рабочее состояние станка. При необходимости, для обеспечения безопасной и надежной работы станка, может быть скорректирована работа станка и программы обработки.
Видно, что в базовый состав станка с ЧПУ должны входить: устройства ввода-вывода, устройства числового программного управления, следящие приводы и устройства обратной связи, вспомогательные устройства управления и корпус станка.
Состав станков с ЧПУ
Система числового программного управления (ЧПУ) используется для управления обработкой на станке. В настоящее время большинство систем числового программного управления используют компьютерное числовое управление (ЧПУ). Устройство ввода/вывода, устройство числового программного управления, сервопривод и устройство обратной связи, представленные на рисунке, вместе составляют систему числового программного управления станка, роль которой была описана выше. Ниже кратко описаны другие компоненты.
Устройство обратной связи: это звено обнаружения замкнутого (полузамоконтрастного) цикла станка с ЧПУ. Его роль заключается в определении скорости и смещения фактического перемещения исполнительного механизма (например, держателя инструмента) или рабочего стола с помощью современных измерительных элементов, таких как импульсные энкодеры, резольверы, индукционные синхронизаторы, решётки, магнитные шкалы и лазерные измерительные приборы, и передаче этих данных обратно на сервопривод или устройство числового программного управления, а также компенсации скорости подачи или погрешности перемещения исполнительного механизма для повышения точности механизма движения. Место установки устройства обнаружения и место, куда поступает сигнал обнаружения, зависят от структуры системы числового программного управления. В качестве компонентов обнаружения обычно используются встроенные в сервопривод импульсные энкодеры, тахометры и линейные решётки.
Поскольку все современные сервоприводы используют технологию цифровых сервоприводов (называемых цифровыми сервоприводами), для соединения сервопривода с устройством числового программного управления обычно используется шина. В большинстве случаев сигнал обратной связи поступает на сервопривод и передаётся на устройство числового программного управления по этой шине. Лишь в некоторых случаях, а также при использовании аналоговых сервоприводов (обычно называемых аналоговыми сервоприводами), устройство обратной связи необходимо подключать непосредственно к устройству числового программного управления.
Вспомогательный механизм управления и механизм передачи подачи: Он расположен между устройством числового программного управления и механическими и гидравлическими компонентами станка. Его основная роль заключается в получении инструкций по скорости, направлению и пуску/остановке шпинделя, выводимых устройством числового программного управления; инструкций по выбору и замене инструмента; инструкций по пуску/остановке устройств охлаждения и смазки; вспомогательных сигналов инструкций, таких как ослабление и зажим заготовок и компонентов станка, индексация рабочего стола и сигналы состояния датчиков обнаружения на станке. После необходимой компиляции, логической оценки и усиления мощности соответствующие исполнительные механизмы напрямую приводятся в действие для управления механическими компонентами, гидравлическими и пневматическими вспомогательными устройствами станка для выполнения действий, указанных в инструкциях. Обычно он состоит из ПЛК и сильноточной схемы управления. ПЛК может быть интегрирован с ЧПУ в структуру (встроенный ПЛК) или относительно независим (внешний ПЛК).
Корпус станка, то есть механическая конструкция станка с ЧПУ, также состоит из главных приводов, приводов подачи, станин, рабочих столов, вспомогательных механизмов движения, гидравлических и пневматических систем, систем смазки, охлаждения, удаления стружки, защиты и других компонентов. Однако для соответствия требованиям числового программного управления и обеспечения максимальной производительности станка, он претерпел значительные изменения в плане общей компоновки, внешнего вида, конструкции приводной системы, инструментальной системы и эксплуатационных характеристик. Механические компоненты станка включают станину, корпус, колонну, направляющие, рабочий стол, шпиндель, механизм подачи, механизм смены инструмента и т. д.
Принцип обработки на станках с ЧПУ
На традиционных металлорежущих станках при обработке деталей оператору необходимо постоянно менять такие параметры, как траектория и скорость движения инструмента в соответствии с требованиями чертежа, чтобы инструмент выполнял обработку заготовки резанием и в конечном итоге обрабатывал качественные детали.
Обработка на станках с ЧПУ по сути основана на «дифференциальном» принципе. Принцип работы и технологический процесс можно кратко описать следующим образом:
В соответствии с траекторией движения инструмента, требуемой программой обработки, устройство числового программного управления дифференцирует траекторию вдоль соответствующих осей координат станка с минимальной величиной перемещения (эквивалентом импульса) (△X, △Y на рисунке 1-2) и рассчитывает количество импульсов, необходимых для перемещения каждой оси координат.
С помощью программного обеспечения «интерполяции» или калькулятора «интерполяции» устройства числового программного управления требуемая траектория согласуется с эквивалентной ломаной линией в единицах «минимальной единицы движения» и находится подобранная ломаная линия, наиболее близкая к теоретической траектории.
В соответствии с траекторией скругленной ломаной линии устройство числового программного управления непрерывно распределяет импульсы подачи по соответствующим осям координат и обеспечивает перемещение осей координат станка согласно распределенным импульсам посредством сервопривода.
Видно, что: во-первых, при условии, что минимальное количество перемещений (импульсный эквивалент) станка с ЧПУ достаточно мало, используемая аппроксимирующая ломаная может быть эквивалентно заменена теоретической кривой. во-вторых, при условии изменения метода распределения импульсов по осям координат можно изменить форму аппроксимирующей ломаной, тем самым достигая цели изменения траектории обработки. в-третьих, при условии, что частота…