Технология числового программного управления и станки с ЧПУ

Технология числового управления, сокращенно NC (Numerical Control), представляет собой средство управления механическими движениями и процедурами обработки с помощью цифровой информации. В настоящее время, поскольку современное числовое управление обычно использует компьютерное управление, оно также известно как компьютеризированное числовое управление (ЧПУ).

Для обеспечения цифрового информационного управления механическими движениями и процессами обработки необходимо оборудовать соответствующее аппаратное и программное обеспечение. Совокупность аппаратного и программного обеспечения, используемого для реализации цифрового информационного управления, называется системой числового управления (Numerical Control System), а ядром системы числового управления является устройство числового управления (Numerical Controller).

Станки, управляемые с помощью технологии числового программного управления, называются станками с ЧПУ (станки с ЧПУ). Это типичный мехатронный продукт, который комплексно объединяет передовые технологии, такие как компьютерные технологии, технологии автоматического управления, технологии прецизионных измерений и проектирование станков. Это краеугольный камень современных производственных технологий. Управление станками — самая ранняя и наиболее широко применяемая область технологии числового программного управления. Таким образом, уровень станков с ЧПУ во многом отражает производительность, уровень и тенденцию развития современной технологии числового программного управления.

Существуют различные типы станков с ЧПУ, в том числе сверлильные, фрезерные и расточные станки, токарные станки, шлифовальные станки, станки для электроэрозионной обработки, ковочные станки, станки для лазерной обработки и другие специальные станки с ЧПУ специального назначения. Любой станок с числовым программным управлением классифицируется как станок с ЧПУ.

Станки с ЧПУ, оснащенные устройством автоматической смены инструмента АТС (Automatic Tool Changer – ATC), за исключением токарных станков с ЧПУ с поворотными держателями инструмента, определяются как обрабатывающие центры (Machine Center – MC). Благодаря автоматической замене инструментов заготовки могут выполнять несколько процедур обработки за один зажим, достигая концентрации процессов и их комбинации. Это эффективно сокращает время вспомогательной обработки и повышает эффективность работы станка. Одновременно это уменьшает количество установок и позиционирований заготовок, повышая точность обработки. Обрабатывающие центры в настоящее время являются типом станков с ЧПУ, имеющим наибольшую производительность и самое широкое применение.

На основе станков с ЧПУ путем добавления устройств автоматической смены нескольких рабочих столов (поддонов) (автоматическое устройство смены поддонов – APC) и других сопутствующих устройств полученный блок обработки называется гибкой производственной ячейкой (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC не только реализует концентрацию процессов и комбинацию процессов, но также, благодаря автоматической замене рабочих столов (поддонов) и относительно полным функциям автоматического мониторинга и управления, может выполнять обработку без участия человека в течение определенного периода, тем самым еще больше повышая эффективность обработки оборудования. FMC является не только основой гибкой производственной системы FMS (Flexible Manufacturing System), но также может использоваться как независимое автоматизированное технологическое оборудование. Поэтому скорость его развития довольно высока.

На основе FMC и обрабатывающих центров, путем добавления логистических систем, промышленных роботов и сопутствующего оборудования, а также контролируемой и управляемой центральной системой управления централизованно и унифицированно, такая производственная система называется гибкой производственной системой FMS (Гибкая производственная система). FMS может не только выполнять беспилотную 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 постоянного прогресса науки и техники, чтобы адаптироваться к изменяющейся ситуации рыночного спроса, для современного производства необходимо не только способствовать автоматизации производственного процесса в цехах, но и добиться комплексной автоматизации от прогнозирования рынка, принятия производственных решений, проектирования продукции, производства продукции до реализации продукции. Полная система производства и производства, сформированная путем интеграции этих требований, называется компьютерно-интегрированной производственной системой (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS органично интегрирует более продолжительную производственную и деловую деятельность, обеспечивая более эффективное и гибкое интеллектуальное производство, что представляет собой высшую стадию развития современных автоматизированных производственных технологий. В CIMS не только интеграция производственного оборудования, но, что более важно, интеграция технологий и функций характеризуется информацией. Компьютер является инструментом интеграции, технология автоматизированных блоков является основой интеграции, а обмен информацией и данными является мостом интеграции. Конечный продукт можно рассматривать как материальное проявление информации и данных.

Система числового программного управления и ее компоненты

Основные компоненты системы числового программного управления

Система числового управления станком с ЧПУ является ядром всего оборудования с числовым программным управлением. Основным объектом управления системы числового программного управления является смещение осей координат (включая скорость движения, направление, положение и т. д.), а его управляющая информация в основном поступает из числового программного управления или программ управления движением. Следовательно, самые основные компоненты системы числового управления должны включать в себя: устройство ввода/вывода программы, устройство числового управления и сервопривод.

Роль устройства ввода/вывода заключается в вводе и выводе данных, таких как программы числового управления или программы управления движением, данные обработки и управления, параметры станка, положения координатных осей и состояние переключателей 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 также могут быть оборудованы такие устройства, как фотоэлектрические считыватели, ленточные накопители или дисководы для гибких дисков. В качестве периферийного устройства компьютер в настоящее время является одним из наиболее часто используемых устройств ввода/вывода.

Устройство числового программного управления является основным компонентом системы числового управления. Он состоит из схем интерфейса ввода-вывода, контроллеров, арифметических блоков и памяти. Роль устройства числового управления заключается в компиляции, расчете и обработке данных, вводимых устройством ввода через внутреннюю логическую схему или управляющее программное обеспечение, а также в выводе различных типов информации и инструкций для управления различными частями станка для выполнения заданных действий.

Среди этой управляющей информации и инструкций наиболее основными являются инструкции по скорости подачи, направлению подачи и инструкциям по смещению подачи по осям координат. Они генерируются после интерполяционных вычислений, подаются на сервопривод, усиливаются драйвером и в конечном итоге управляют смещением осей координат. Это напрямую определяет траекторию движения инструмента или координатных осей.

Кроме того, в зависимости от системы и оборудования, например, на станке с ЧПУ, также могут быть такие инструкции, как скорость вращения, направление, пуск/остановка шпинделя; инструкции по выбору и замене инструмента; инструкции по пуску/остановке устройств охлаждения и смазки; инструкции по ослаблению и закреплению заготовки; индексация рабочего стола и другие вспомогательные инструкции. В системе числового управления они подаются 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 приводит в действие соответствующие исполнительные механизмы для приведения в действие механических узлов, гидравлических и пневматических вспомогательных устройств станка для выполнения действий, предусмотренных инструкцией.

Сервопривод обычно состоит из сервоусилителей (также известных как драйверы, сервоблоки) и исполнительных механизмов. В настоящее время на станках с ЧПУ в качестве приводов обычно используются серводвигатели переменного тока; на современных высокоскоростных обрабатывающих станках стали применять линейные двигатели. Кроме того, на станках с ЧПУ, выпущенных до 1980-х годов, были случаи использования серводвигателей постоянного тока; для простых станков с ЧПУ в качестве приводов также использовались шаговые двигатели. Форма сервоусилителя зависит от привода и должна использоваться вместе с приводным двигателем.

Вышеупомянутые являются наиболее основными компонентами системы числового программного управления. С постоянным развитием технологий числового программного управления и повышением производительности станков функциональные требования к системе также растут. Чтобы удовлетворить требования к управлению различными станками, обеспечить целостность и единообразие системы числового управления и облегчить использование пользователем, обычно используемые усовершенствованные системы числового управления обычно имеют внутренний программируемый контроллер в качестве вспомогательного устройства управления станком. Кроме того, на металлорежущих станках устройство привода шпинделя также может стать компонентом системы числового программного управления; на станках с ЧПУ с замкнутым контуром устройства измерения и обнаружения также необходимы для системы числового программного управления. Для продвинутых систем числового управления иногда даже компьютер используется в качестве человеко-машинного интерфейса системы, а также для управления данными и устройств ввода/вывода, тем самым делая функции системы числового управления более мощными, а производительность более совершенной.

В заключение, состав системы числового программного управления зависит от производительности системы управления и конкретных требований к управлению оборудованием. Имеются существенные различия в его конфигурации и составе. Помимо трех основных компонентов устройства ввода/вывода программы обработки, устройства числового управления и сервопривода, могут быть и другие устройства управления. Пунктирная часть на рисунке 1-1 представляет компьютерную систему числового управления.

Концепции ЧПУ, ЧПУ, SV и PLC

NC (CNC), SV и PLC (PC, PMC) — очень часто используемые английские сокращения в оборудовании с числовым программным управлением и в разных случаях практического применения имеют разные значения.

NC (ЧПУ): NC и CNC — это общепринятые английские сокращения числового управления и компьютеризированного числового управления соответственно. Учитывая, что современное числовое управление использует компьютерное управление, можно считать, что значения NC и CNC полностью одинаковы. В инженерных приложениях, в зависимости от случая использования, ЧПУ (ЧПУ) обычно имеет три разных значения: В широком смысле оно представляет собой технологию управления – технологию числового программного управления; в узком смысле представляет собой объект системы управления – систему числового программного управления; кроме того, он может представлять собой и конкретное устройство управления – устройство числового программного управления.

SV: SV — распространенное английское сокращение сервопривода (Servo Drive, сокращенно сервопривод). Согласно предписанным условиям японского стандарта JIS, это «механизм управления, который принимает положение, направление и состояние объекта в качестве управляющих величин и отслеживает произвольные изменения целевого значения». Короче говоря, это устройство управления, которое может 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 управления; во-вторых, это позволяет позиционировать оси координат в соответствии с положением, заданным устройством числового управления.

Объектами управления следящего привода обычно являются перемещение и скорость координатных осей станка; привод – серводвигатель; часть, которая управляет и усиливает входной командный сигнал, часто называется сервоусилителем (также известным как драйвер, усилитель, сервоблок и т. д.), который является ядром сервопривода.

Сервопривод можно использовать не только в сочетании с устройством числового управления, но и отдельно в качестве системы сопровождения положения (скорости). Поэтому ее еще часто называют сервосистемой. В ранних системах числового управления часть управления положением обычно была интегрирована с ЧПУ, а сервопривод выполнял только управление скоростью. Поэтому сервопривод часто называли блоком регулирования скорости.

ПЛК: ПК — это английское сокращение от «Программируемый контроллер». С ростом популярности персональных компьютеров, чтобы избежать путаницы с персональными компьютерами (также называемыми ПК), программируемые контроллеры теперь обычно называются программируемыми логическими контроллерами (Programmalbe Logic Controller – PLC) или программируемыми машинными контроллерами (Programmable Machine Controller – PMC). Следовательно, на станках с ЧПУ ПК, ПЛК и PMC имеют одно и то же значение.

ПЛК обладает такими преимуществами, как быстрый отклик, 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 оборудованием с числовым программным управлением. В настоящее время большинство систем числового управления имеют внутренний ПЛК для обработки вспомогательных инструкций станков с ЧПУ, тем самым значительно упрощая вспомогательное устройство управления станком. Кроме того, во многих случаях с помощью специальных функциональных модулей, таких как модуль управления осями и модуль позиционирования ПЛК, ПЛК также можно напрямую использовать для обеспечения управления положением точки, линейного управления и простого контурного управления, образуя специальные станки с ЧПУ или производственные линии с ЧПУ.

Состав и принцип обработки станков с ЧПУ

Базовый состав станков с ЧПУ

Станки с ЧПУ являются наиболее типичным оборудованием с числовым программным управлением. Для выяснения основного состава станков с ЧПУ прежде всего необходимо проанализировать рабочий процесс станков с ЧПУ для обработки деталей. На станках с ЧПУ для обработки деталей можно реализовать следующие этапы:

По чертежам и технологическим планам обрабатываемых деталей, используя заданные коды и форматы программ, запишите траекторию движения инструментов, процесс обработки, параметры процесса, параметры резания и т. д. в форму инструкций, распознаваемую системой числового программного управления, то есть напишите программу обработки.

Введите записанную программу обработки в устройство числового управления.

Устройство числового управления декодирует и обрабатывает входную программу (код) и передает соответствующие сигналы управления на устройства сервопривода и устройства управления вспомогательными функциями каждой координатной оси для управления движением каждого компонента станка.

Во время движения системе числового управления необходимо в любой момент определить положение осей координат станка, состояние переключателей хода и т. д. и сравнить их с требованиями программы, чтобы определить следующее действие до тех пор, пока не будут обработаны квалифицированные детали.

Оператор может наблюдать и проверять условия обработки и рабочее состояние станка в любое время. При необходимости также требуется корректировка действий станка и программ обработки, обеспечивающая безопасную и надежную работу станка.

Видно, что в базовый состав станка с ЧПУ он должен включать: устройства ввода-вывода, устройства числового управления, сервоприводы и устройства обратной связи, вспомогательные устройства управления и корпус станка.

Состав станков с ЧПУ

Система числового управления используется для обеспечения управления обработкой станка. В настоящее время большинство систем числового управления используют компьютерное числовое управление (т.е. ЧПУ). Устройство ввода/вывода, устройство числового управления, сервопривод и устройство обратной связи на рисунке вместе составляют систему числового управления станком, и его роль была описана выше. Ниже кратко представлены другие компоненты.

Устройство обратной связи измерения: это звено обнаружения станка с ЧПУ с замкнутым (полузамкнутым) контуром. Его роль состоит в том, чтобы определять скорость и смещение фактического смещения привода (например, держателя инструмента) или рабочего стола с помощью современных измерительных элементов, таких как импульсные энкодеры, резольверы, индукционные синхронизаторы, решетки, магнитные весы и лазерные измерительные приборы, и передавать их обратно в сервопривод или устройство числового управления, а также компенсировать скорость подачи или ошибку движения привода для достижения цели повышения точности механизма движения. Положение установки устройства обнаружения и положение обратной связи сигнала обнаружения зависят от структуры системы числового программного управления. Встроенные в сервопривод импульсные энкодеры, тахометры и линейные решетки являются широко используемыми компонентами обнаружения.

В связи с тем, что все современные сервоприводы используют технологию цифрового сервопривода (называемого цифровым сервоприводом), для соединения между сервоприводом и устройством числового управления обычно используется шина; в большинстве случаев сигнал обратной связи подключается к сервоприводу и передается по шине на устройство числового управления. Лишь в некоторых случаях или при использовании аналоговых сервоприводов (широко известных как аналоговые сервоприводы) устройство обратной связи необходимо напрямую подключать к устройству числового управления.

Вспомогательный механизм управления и механизм передачи подачи: он расположен между устройством числового управления и механическими и гидравлическими компонентами станка. Его основная роль заключается в получении скорости, направления и инструкций запуска/остановки шпинделя, выводимых устройством числового управления; инструкции по выбору и замене инструмента; инструкции по пуску/остановке устройств охлаждения и смазки; вспомогательные сигналы инструкций, такие как ослабление и зажим заготовок и компонентов станка, индексация рабочего стола, а также сигналы состояния переключателей обнаружения на станке. После необходимой компиляции, логического суждения и усиления мощности соответствующие приводы напрямую приводятся в действие механическими компонентами, гидравлическими и пневматическими вспомогательными устройствами станка для выполнения действий, указанных в инструкциях. Обычно он состоит из ПЛК и схемы управления сильным током. ПЛК может быть интегрирован с ЧПУ по структуре (встроенный ПЛК) или относительно независимым (внешний ПЛК).

Корпус станка, то есть механическая конструкция станка с ЧПУ, также состоит из систем главного привода, систем привода подачи, станин, рабочих столов, вспомогательных устройств перемещения, гидравлических и пневматических систем, систем смазки, охлаждающих устройств, систем удаления стружки, систем защиты и других частей. Однако, чтобы удовлетворить требованиям числового программного управления и полностью раскрыть производительность станка, он претерпел значительные изменения с точки зрения общей компоновки, внешнего вида, структуры системы передачи, системы инструментов и рабочих характеристик. К механическим компонентам станка относятся станина, коробка, колонна, направляющая, рабочий стол, шпиндель, механизм подачи, механизм смены инструмента и т. д.

Принцип обработки с ЧПУ

На традиционных металлорежущих станках при обработке деталей оператору необходимо постоянно изменять такие параметры, как траектория движения и скорость движения инструмента в соответствии с требованиями чертежа, чтобы инструмент выполнял обработку резки на заготовке и, наконец, обрабатывал квалифицированные детали.

При обработке станков с ЧПУ по существу применяется «дифференциальный» принцип. Кратко принцип его работы и процесс можно описать следующим образом:

В соответствии с траекторией инструмента, требуемой программой обработки, устройство числового управления дифференцирует траекторию по соответствующим осям координат станка с минимальной величиной перемещения (эквивалент импульса) (△X, △Y на рисунке 1-2) и вычисляет количество импульсов, которое необходимо переместить каждой оси координат.

С помощью «интерполяционного» программного обеспечения или «интерполяционного» калькулятора устройства числового программного управления требуемая траектория аппроксимируется эквивалентной ломаной линией в единицах «минимальной единицы перемещения» и находится аппроксимируемая полилиния, наиболее близкая к теоретической траектории.

В соответствии с траекторией подобранной полилинии устройство числового управления непрерывно распределяет импульсы подачи по соответствующим осям координат и обеспечивает перемещение координатных осей станка в соответствии с выделенными импульсами через сервопривод.

Можно видеть, что: Во-первых, пока минимальная величина перемещения (эквивалент импульса) станка с ЧПУ достаточно мала, используемая подобранная ломаная линия может быть эквивалентно заменена теоретической кривой. Во-вторых, при изменении способа распределения импульсов координатных осей можно изменить форму подобранной ломаной линии, тем самым достигая цели изменения траектории обработки. В-третьих, пока частота…