Технологическая реализация системы подготовки обработки детали станка с числовым программным управлением

Станки с программным  управлением по виду управления подразделяют на станки и системами циклового  программного управления и станки с  системами числового программного управления. Системы циклового программного управления более просты, так как в них программируется только цикл работы станка, а величины рабочих перемещений, т.е. геометрическая информация, задаются упрощенно, например, с помощью упоров. В станках с ЧПУ управление осуществляется от программы, в которой в числовом виде занесена и геометрическая, и технологическая информация.

Система ЧПУ – это  совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых  для реализации ЧПУ станком, предназначенная  для выдачи управляющих воздействий исполнительным органам станка в соответствии с управляющей программой [1].

Устройство программного управления станками – это часть  системы ЧПУ, выполненная как  единое целое с ней и осуществляющая выдачу управляющих воздействий  по заданной программе.

Числовое программное управление – это управление, при котором  программу задают в виде записанного  на каком-либо носителе массива информации. Управляющая информация для систем ЧПУ является дискретной и ее обработка  в процессе управления осуществляется цифровыми методами. Управление технологическими циклами практически повсеместно осуществляется с помощью программируемых логических контроллеров, реализуемых на основе принципов цифровых электронных вычислительных устройств.

Структурная схема системы ЧПУ представлена на рисунке 1, а. Чертеж детали (ЧД), подлежащий обработке на станке с ЧПУ, одновременно поступает в систему подготовки программы (СПП) и систему технологической подготовки (СТП). Последняя обеспечивает систему подготовки программы данными о разрабатываемом технологическом процессе, режимах резания и так далее. На основании этих данных разрабатывается управляющая программа (УП). Наладчики устанавливают на станок приспособления, режущие инструменты согласно документации, разработанной в системе технологической подготовки. Установку заготовки и снятие готовой детали осуществляет оператор или автоматический загрузчик. Считывающее устройство (СУ) считывает информацию с носителя программы. Информация поступает в устройство ЧПУ, которое выдает управляющие команды на целевые механизмы (ЦМ) станка, осуществляющие основные и вспомогательные движения цикла обработки. Операционная система на основе информации (фактическое положение, скорость перемещения исполнительных узлов, фактический размер обрабатываемой поверхности, тепловые и силовые параметры технологической системы и др.) контролируют величину перемещения целевого механизма. Станок содержит несколько целевых механизмов, каждый из которых включает в себя (рисунок 1, б): двигатель (ДВ), являющийся источником энергии; передачу (П), служащую для преобразования энергии и ее передачи от двигателя к исполнительному органу (ИО); собственно исполнительный орган (стол, салазки, суппорт, шпиндель и т.д.), выполняющие координатные перемещения цикла.

Рисунок 1 - Структурная  схема системы ЧПУ и целевого механизма

Система ЧПУ может  видоизменяться в зависимости от вида программоносителя, способа кодирования  информации в управляющей программе и метода ее передачи в систему ЧПУ. Устройство ЧПУ размещают рядом со станком (в одном или двух шкафах) или непосредственно на станке (в подвесных или стационарных пультах управления). Двигатели приводов подач станков с ЧПУ, имеющие специальную конструкцию и работающие с конкретным устройством ЧПУ, являются составной частью системы ЧПУ.

Все данные, необходимые  для обработки заготовки на станке с ЧПУ, получает от управляющей программы, которая содержит два вида информации: геометрическую и технологическую. Геометрическая информация – координаты опорных точек траектории движения инструмента, а технологическая – данные о скорости, подаче, номере инструмента и т. д. Управляющую программу записывают на программоносителе. В оперативных системах ЧПУ программа может вводиться (с помощью клавиш) непосредственно на станке.

Важнейшей технической  характеристикой систем ЧПУ является ее разрешающая способность или  дискретность, т. е. минимально возможная  величина линейного и углового хода исполнительного органа станка, соответствующая одному управляющему импульсу. Большинство современных систем ЧПУ имеют дискретность 0,001 мм/импульс, реже 0,0001 мм/импульс.

Системы ЧПУ классифицируют по следующим признакам:

-  по уровню технических возможностей;

-  по технологическому назначению;

-  по числу потоков информации (незамкнутые, замкнутые, самоприспосабливающиеся или адаптивные);

-  по принципу задания программы (в декорированном виде, т.е. в абсолютных координатах или в приращениях от ЭВМ);

-  по принципу привода (ступенчатый, регулируемый, следящий, шаговый);

-  по числу одновременно управляемых координат;

-  по способу подготовки и ввода управляющей программы.

По уровню технологических  возможностей международной классификации  системы ЧПУ делятся на следующие классы:

-  NC – системы с покадровым чтением перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки;

-  SNC – системы с однократным чтением всей перфоленты перед обработкой партии одинаковых заготовок;

-  CNC – системы со встроенной малой ЭВМ (компьютером, микрокомпьютером);

-  DNC – системы прямого числового управления группами станков от одной ЭВМ;

-  HNC – оперативные системы с ручным набором программ на пульте управления.

По технологическому назначению системы ЧПУ подразделяются на четыре вида: позиционные; обеспечивающие прямоугольное формообразование; обеспечивающие прямолинейное формообразование; обеспечивающие криволинейное формообразование [22].

Позиционные системы  ЧПУ обеспечивают высокоточное перемещение (координатную установку) исполнительного органа станка в заданную программой позицию за минимальное время. По каждой координатной оси программируется только величина перемещения, а траектория перемещения может быть произвольной. Перемещение исполнительного органа из позиции в позицию осуществляется с максимальной скоростью, а переход к заданной позиции – минимальной скоростью. Точность позиционирования повышается в результате подхода исполнительного органа к заданной позиции всегда с одной стороны (например, слева направо). Позиционными системами ЧПУ оснащают сверлильные и координатно-расточные станки.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямоугольное формообразование, в  отличие от позиционных систем позволяют  управлять перемещением исполнительного  органа станка в процессе обработки. В процессе формообразования исполнительный орган станка перемещается по координатным осям поочередно, поэтому траектория инструмента имеет ступенчатый вид, а каждый элемент этой траектории параллелен координатным осям. Чтобы сократить время перемещения исполнительного органа из одной позиции в другую, в ряде случаев используют одновременное движение по двум координатам. При грубом позиционировании подход исполнительного органа к заданной позиции осуществляется с разных сторон, а при точном позиционировании – всегда с одной стороны. Число управляемых координат в таких системах достигает 5, а число одновременно управляемых координат – 4. Указанными системами оснащают токарные, фрезерные, расточные станки.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямолинейное (под любым углом  к координатным осям станка) формообразование и позиционирование, управляют движением инструмента при резании одновременно по двум координатным осям (X и Y). В данных системах используют двухкоординатный интерполятор, выдающий управляющие импульсы сразу на два привода подач. Общее число управляемых координат в таких системах 2 – 5. Указанные системы обладают большими технологическими возможностями (по сравнению с прямоугольными) и применяются для оснащения токарных, фрезерных, расточных и других видов станков.

Системы ЧПУ, обеспечивающие криволинейное формообразование, позволяют управлять обработкой плоских и объемных деталей, содержащих участки со сложными криволинейными контурами.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямоугольное и криволинейное  формообразование, относятся к контурным (непрерывным системам), так как они позволяют обрабатывать заготовку по контуру. Контурные системы ЧПУ имеют, как правило, шаговый двигатель.

Многоцелевые (сверлильно-фрезерно-расточные) станки для расширения их технологических  возможностей оснащают контурно-позиционными системами ЧПУ.

По числу потоков  информации системы ЧПУ делятся  на замкнутые, разомкнутые и адаптивные.

Разомкнутые системы  ЧПУ характеризуются наличием одного потока информации, поступающего со считывающего устройства к исполнительному органу станка. В механизмах подач таких систем используют шаговые двигатели. Крутящий момент, развиваемый шаговым двигателем, недостаточен для привода механизма подачи. Поэтому указанный двигатель применяют в качестве задающего устройства, сигналы которого усиливаются различными способами, например, с помощью гидроусилителя моментов (аксиально-поршневого гидродвигателя), вал которого связан с ходовым винтом привода подач. В разомкнутой системе нет датчика обратной связи, и поэтому отсутствует информация о действительном положении исполнительных органов станка.

Замкнутые системы ЧПУ  характеризуются двумя потоками информации: от считывающего устройства и от датчика обратной связи. В  этих системах рассогласование между  заданными и действительными  величинами перемещения исполнительных органов устраняется благодаря наличию обратной связи.

Адаптивные системы  ЧПУ характеризуются тремя потоками информации:

-  от считывающего устройства;

-  от датчика обратной связи по пути;

-  от датчиков, установленных на станке и контролирующих процесс обработки по таким параметрам, как износ режущего инструмента, изменение сил резания и трения, колебание припуска и твердости материала обрабатываемой заготовки и т.д. Такие системы позволяют корректировать программу обработки с учетом реальных условий резания.

По способу подготовки и ввода управляющей программы  различают так называемые оперативные  системы ЧПУ (в этом случае управляющую  программу готовят и редактируют  непосредственно на станке, в процессе обработки первой детали из партии или имитации ее обработки) и системы, для которых управляющая программа готовится независимо от места обработки детали. Причем независимая подготовка управляющей программы может выполняться либо с помощью средств вычислительной техники, входящих в состав систем ЧПУ данного станка, либо вне ее (вручную или с помощью системы автоматизации программирования).

1.2 Обоснование  применения программного управления  оборудованием

По мере развития общества потребности человека неуклонно  растут. Добиваясь определенного уровня благосостояния, человек стремится к новым вершинам – такова его природа. В то же время, находя пути удовлетворения своих потребностей, человек вынужден становиться производителем материальных благ. А став производителем, вынужден постоянно работать над совершенствованием технологии производства, повышая его эффективность и улучшая качество продукции [2]. На сегодняшний день никто из нас не мыслит себе жизнь без домашней и офисной техники, посуды, упаковки и т.д., имеющих современный дизайн. А это – пластмассовые и металлические корпуса, состоящие из массы сложных поверхностей, которые подчас невозможно даже отобразить на чертеже. Уровень современной технологии позволяет создавать в памяти компьютера трехмерные модели деталей сложной формообразующей оснастки штампов и пресс-форм и изготавливать их на станках с числовым программным управлением в условиях единичного производства. При этом процесс подготовки управляющих программ для станка с числовым программным управлением выполняется автоматически на основе трехмерной модели изделия. Сложная деталь изготавливается "с листа", без создания опытных образцов. Естественно, что при наличии на предприятии потока индивидуальных заказов остро встает проблема организации и планирования производства, решаемая также при помощи современных автоматизированных систем. Идея гибкого автоматизированного производства не является новой, но при современном уровне развития компьютерных технологий и сетевых решений приобретает особое значение. В то же время задача создания такого производства достаточно сложна. Она выдвигает повышенные требования, как к программному обеспечению инженерного корпуса, так и к системам управления оборудованием.

Наш взгляд на систему  числового программного управления металлообрабатывающего оборудования за последние 10 - 15 лет претерпел кардинальные изменения. Ранее единственной тенденцией развития станков с числовым программным управлением была тенденция превращения их в обрабатывающие центры. При этом станки оснащались магазинами, рассчитанными на большое количество инструментов. Для встраивания станка в автоматическую линию он комплектовался быстросменными столами-спутниками и их накопителями. Программирование осуществлялось вручную. С появлением мощных (и особенно персональных) компьютеров стало возможным создавать управляющие программы для станков с числовым программным управлением автоматически, сократив до минимума количество ручного труда. Это позволило разрабатывать управляющие программы для обработки сложных трехмерных поверхностей, используемых чаще всего в формообразующих деталях оснастки штампов и пресс-форм. При этом требования, предъявляемые к станкам с числовым программным управлением, изменились. Произошло это в основном благодаря увеличению размера и структурным изменениям управляющей программы, а также существенному увеличению доли основного времени обработки при соответствующем уменьшении доли вспомогательного времени. Управляющая программа (УП) обработки одной поверхности теперь достигает нескольких мегабайтов (а иногда и десятков мегабайтов) и состоит из множества "коротких кадров" – программных блоков, описывающих короткие перемещения инструмента (чем выше точность обработки, тем короче эти перемещения, так как их длина определяет точность аппроксимации). Обработка при этом ведётся преимущественно одним инструментом много часов подряд, а станок теряет уже ставшее привычным оснащение: магазины, столы-спутники и т.д. Разумеется, речь здесь идет о станке, предназначенном для изготовления сложной формообразующей оснастки. Количество управляемых координат при этом возросло до пяти. Но вместе с этим значительно выросли требования к системе ЧПУ.

Учитывая имеющийся  на данный момент практический опыт, можно  сказать, что современная система  ЧПУ, предназначенная для сложной  трехмерной обработки, должна обеспечивать следующее:

1.  Возможность ввода (приема с внешнего носителя или через сеть) управляющих программ неограниченного размера, их редактирования и исполнения как единого целого.

2.  С целью уменьшения основного времени обработки – опережающая (по отношению к исполнению) расшифровка кадров управляющей программы:

-  возможность отработки движения без снижения до нуля скорости в конце перемещения, описанного в каждом отдельном кадре (при соблюдении условия отсутствия превышения максимальных ускорений по осям);