Высокая степень автоматизации основных и вспомогательных функций, выполняемых используя обрабатывающие центры с ЧПУ, существенно влияет на требования, предъявляемые к системе программного управления. Интеграция простых операций, которые можно выполнять на разных одноинструментальных станках, в одну общую совокупную программу (операцию), выполняемую на обрабатывающем центре, влечет за собой ряд особенностей системы программного управления как в части схемных решений, так и в конструктивном исполнении.
Особенности оборудования при использовании центров с ЧПУ
Большой объем программы, превышающий объем программы одноинструментных станков в десятки раз. Для обеспечения такой большой длительности в системах программного управления ранее применяли два способа: применение двух считывающих устройств с перфоленты и стандартизация основных и вспомогательных функций, выполняемых станком, и задание их в программе одной командой.
Широкий диапазон регулирования скоростей приводов главного движения и подачи.
Большое число управляемых по программе координат исполнительных органов обрабатывающих центров. Применяют дополнительные программируемые координатные перемещения, число которых может составить 7-8.
В качестве дополнительных координатных перемещений у обрабатывающих центров применяли поворот стола вокруг оси, перпендикулярной плоскости установки детали, выдвижение резца из борштанги перпендикулярно оси вращения шпинделя, поворот шпинделя в плоскости, проходящей через ось вращения, и т. д. Наличие большого числа управляемых координат у обрабатывающих центров приводит к значительному усложнению системы ЧПУ и требует принятия мер по уменьшению размеров устройств ЧПУ. В связи с этим современные устройства ЧПУ, как правило, строятся на микросхемах с высокой степенью интеграции. В большинстве современных устройств ЧПУ применяют большие интегральные схемы (БИС) и микросхемы со средней степенью интеграции (СИС). Широко в системах ЧПУ применяют также микропроцессоры, которые позволяют сократить размеры и получить совершенно новые качества устройств ЧПУ.
Высокая точность перемещений исполнительных органов обрабатывающих центров. На обрабатывающем центре, как правило, выполняются как предварительные операции, так и чистовые. Кроме того, у обрабатывающих центров фрезерно-сверлильно-расточной группы сверлильные и расточные операции высокой точности производятся консольным инструментом без кондуктора, что вызывает необходимость ужесточения требований к точности позиционирования обрабатывающего центра. У большинства обрабатывающих центров сверлильно-расточной группы необходимо иметь точность позиционирования в пределах 0,005-0,01 мм. Требования по точности позиционирования станка вызывают повышение требований к параметрам точности работы системы программного управления.
Высокие требования к надежности обрабатывающих центров. Высокая надежность центров обусловлена экономическими факторами. В первую очередь, это более высокая стоимость обрабатывающих центров в сравнении с одноинструментными станками - соотношение стоимости составляет примерно 10:1. Следствием высокой стоимости обрабатывающих центров является удорожание простоев станков и стоимости восстановления работоспособности; кроме того, высокая стоимость брака из-за высокой стоимости детали, так как на обрабатывающих центрах обрабатываются технологический сложные детали.
Обеспечение высокой надежности обрабатывающих центров невозможно без принятия необходимых мер как в схемных решениях, так и в конструкции системы управления: дублирование ненадежных элементов, проведение электронных развязок с помощью оптронов или других средств, экранирование электрических цепей и т. д. Все эти меры обеспечиваются как на стадии проектирования, так и на стадии изготовления.
Высокая гибкость управления станками. Под этой особенностью понимается возможность работы станка в различных режимах: автоматическом по программе, полуавтоматическом (наладка), редактировании программ в процессе обработки по опытной прoгрaммe. Сама по себе эта особенность присуща и одноинструментным станкам, но учитывая приведенные требования к обрабатывающим центрам и системе программного управления, при конструировании систем необходимо предусматривать расширенные сервисные функции: возможности прерывания программы, сдвига нулевой точки, индикации номера кадра и т. д.
Системы типа NC и CNC, применяемые в обрабатывающих ценртах, предназначены как для контурной, так и для позиционной обработки. Большинство систем ЧПУ для обрабатывающих центров строится комбинированными, т. е. контурно-позиционными, называемыми также универсальными.
Более совершенными являются системы ЧПУ с переменной структурой и программируемой логикой работы или системы типа CNC (Computer Numerical Control) цифровое управление по принципу ЭВМ (с применением миникомпьютера). Характерным для структуры систем этого типа является наличие постоянной памяти, в которой хранятся микропрограммы организации работы системы в целом и наиболее часто встречающиеся алгоритмы. Оперативная память служит для хранения программ обработки деталей, стандартных и нестандартных циклов. В оперативной памяти также хранятся параметры конкретной модели станка.
У системы CNC в базовый комплект входят мини-ЭВМ, микропроцессоры, другая аппаратура и математическое обеспечение. Характерным для систем CNC является то, что в конструкцию шкафа системы встраивается и блок, реализующий логику работы автоматики станка. Таким образом, конструкция систем типа CNC может быть приемлема для любого типа станка, если число его управляемых координат соответствует базовому комплекту системы. Расширение системы управления станками для управления большим числом координат и ее функций по сравнению с базовым комплектом легко осуществляется в результате увеличения емкости блока оперативной памяти. Возможности ее расширения увеличиваются благодаря применению БИС и перепрограммированию их с помощью ультрафиолетовых лучей.
Непосредственное управление группами станков от ЭВМ осуществляется с помощью системы DNC (Direct Numerical Control) - прямое цифровое управление. Структурные схемы систем прямого управления группой станков основаны на универсальной ЭВМ и периферийном оборудовании. При этом существует значительное разнообразие распределения функции ЭВМ и периферийного оборудования для различных вариантов группового управления.
Возможность управления по принципу ЭВМ появилась в связи с расширением выпуска мини-ЭВМ, миниатюризацией элементов и резким снижением стоимости ЭВМ. Использование принципа ЭВМ для систем ЧПУ позволяет иметь единое устройство ЧПУ почти для любого вида управляемых машин в результате свободного программирования логики их работы. Большая часть функций, выполняемых в системах типа NC аппаратурой устройства ЧПУ и станции управления станка, может быть выполнена УЧПУ типа CNC. Наличие универсального вычислителя позволяет программировать исходную информацию в зависимости от алгоритма работы конкретной модели станка. Особенно полно реализует свои возможности система типа CNC в обрабатывающих центрах. В связи со снижением стоимости мини-ЭВМ системы типа CNC начали в последнее время широко применять на многих станкостроительных заводах.
Система ЧПУ типа CNC обладает возможностью применения системы стандартного исполнения для различных видов станков путем изменения программного обеспечения с помощью системной программы, записанной на перфоленту; введения в систему диагностических программ для обнаружения неисправностей станка и собственной системы обеспечения блокировки в опасных положениях; реализации разнообразных алгоритмов адаптации; меньшей склонности к моральному износу.
Сохранение записи в памяти можно использовать для корректировки программы непосредственно с пульта. Наличие в запоминающем устройстве данных о погрешностях станка позволяет с помощью ЭВМ учесть эти погрешности для корректировки программы.
Повышается надежность системы ЧПУ путем исключения необходимости считывания программы при использовании запоминающего устройства ЭВМ, если перед началом обработки программа занесена в память. Повышению надежности способствует сокращение числа контактных точек систем и наличие средств контроля.
В наиболее совершенных CNC ведется автоматический самоконтроль работы с использованием тестовых программ, выходом показателей контроля на табло индикации. В связи с повышением надежности улучшаются показатели ремонтопригодности системы. С применением систем CNC упрощается подготовка программ, имеются возможности непосредственного редактирования ее у станка.
Все указанные преимущества систем CNC позволяют добиться повышения производительности и точности обработки, удешевления системы ЧПУ и большей её компактности, что особенно важно для обрабатывающих центров.
В обрабатывающих центрах наиболее широко применяют системы, имеющие замкнутый следящий привод с датчиками обратной связи по положению исполнительных органов станка.
Характерными чертами систем ЧПУ «Размер-1300» являются возможность управления большим числом координат (до семи) исполнительных органов, развитая сеть индикации и коррекций, разветвленная сеть технологических команд. В системе У852 предполагается возможность редактирования программ.
Для обозначения краткого формата устройства ЧПУ применяют буквенно-цифровые шифры. Первая буква означает тип устройства, для устройств ЧПУ контурного типа принята буква Н, для позиционного п, для универсального (комбинированного) устройства У. Цифра, следующая за буквой, означает число управляемых по программе координат устройства, вторая цифра - число одновременно управляемых координат, цифра после тире означает тип привода подач, для которого предназначено данное устройство, при цифре 1 - устройство, предназначенное для разомкнутого шагового привода, при цифре 2 - для замкнутого следящего привода. Например, обозначение H33-2 означает, что это устройство контурного типа с числом управляемых координат три, из них одновременно могут управляться по программе также три координаты. Устройство предназначено для использования с замкнутым следящим приводом исполнительных органов станка.
В соответствии с рекомендациями ISO краткое обозначение формата системы программного управления должно содержать семь символов и цифр, характеризующих возможности системы, тип системы (контурная, позиционная), способ кодирования (адресный, фиксированный кадр), единицы измерения длины (дюймы, миллиметры), число управляемых координат, число одновременно управляемых координат.
Направления совершенствования систем ЧПУ для обрабатывающих центров
В области систем типа NC: увеличение объема оперативной памяти и введение постоянной памяти для получения возможности редактирования программы у станка, запоминания постоянных циклов и стандартных микропрограмм для упрощения программирования; выполнение электронными средствами устройства связи УЧПУ со станком (станции управления станка); применение отдельных узлов мини-ЭВМ, а также встроенных микро-ЭВМ и микропроцессоров; введение блоков адаптации; выполнение конструкции на агрегатном (модульном) принципе, позволяющем на единой конструктивной базе иметь несколько модификаций для различных станков; комплектное изготовление систем ЧПУ для сокращения сроков стыковки у изготовителя обрабатывающих центров и уменьшения мест стыковки узлов.
В области систем типа CNC: расширение применяемого математического обеспечения для увеличения выполняемых системой функций, включая задачи автоматизированного программирования; расширение логических функций, выполняемых УЧПУ в направлении увеличения количества стандартных технологических циклов (глубокого сверления, тонкого растачивания, подхода к обрабатываемому контуру, фрезерования внутренних кольцевых канавок и т. д.); расширения возможностей коррекции; введения предыскажений траекторий перемещений исполнительных органов станка и автоматизации их введения в программу; учета ошибок установки детали в крепежном приспособлении, фактического положения режущих кромок инструмента относительно детали и мест закрепления; расширения возможностей диагностического контроля; расширения возможностей адаптации (особенности рассмотрены выше); расширения объема функций системы ЧПУ в связи с широким внедрением непосредственного группового управления обрабатывающими центрами от ЭВМ (планирование, диспетчирование, цифровая индикация, количественных и качественных показателей, управление межоперационным транспортом, переналадкой станков на обработку различных деталей); расширения сферы САП.
В области конструкции систем: резко увеличение надежности систем ЧПУ всех классов в результате развязки входных и выходных цепей устройства ЧПУ через оптроны, логические элементы или фильтры; разработки конструктивного разделения мощных и маломощных элементов; поддержания постоянной температуры в герметичных шкафах применением кондиционеров или холодильников; применения больших печатных плат, уменьшающих число разъемных соединений; расширения диагностического контроля состояния обрабатывающего центра введением дисплеев и мнемонической световой и звуковой сигнализации и индикации; уменьшение объемов устройств ЧПУ применением интегральных схем большой и средней степени интеграции, а также микропроцессоров; дальнейшего совершенствования модульной (агрегатированной) системы исполнения легко заменяемых блоков УЧПУ.
