Системы управления автоматизированнымтехнологическим оборудованием
Важнейшей частью любого автомата являются система и механизмыуправления. Одним из важнейших определяющих признаков современных АТО обработкии сборки электронных компонентов является тип системы управления, котораяреализует заданною программу работы, координирует работу всех механизмов иустройств АТО в течение рабочего цикла и выполняет ряд дополнительных функций.
Общие сведения о программном управлении станками
Повышение производительности и качества работ на металлорежущихстанках связано с механизацией и автоматизацией цикла обработки и заготовки.
Под управляющей программой понимают совокупность команд на языкепрограммирования, соответствующую заданному алгоритму функционирования станкапо обработке конкретной заготовки.
В зависимости от способа задания размерной информации все системыуправления станками разделяют на аналоговые (нечисловые) и числовые. Аналоговыесистемы управления преобразуют исходную информацию, заложенную впрограммоноситель в процессе подготовки производства. Программоносителями могутбыть: упоры, расположенные определенным образом на станке, копиры, кулачки ираспределительные валы. Исполнительные органы станка, по исходной информации,представленной в виде аналога программы перемещений, воспроизводят даннуюпрограмму обработки заготовки.
Аналоговые системы управления классифицируют на следующие типы:замкнутые, незамкнутые, копировальные со следящим приводом.
Системы управления замкнутого типа осуществляют контрольисполнительного органа станка по пути (путевые), времени (временные), скорости,мощности, давлению и другим параметрам.
Системы управления с приводом от копира, кулачка, храповогомеханизма и другие, осуществляющие дозированное перемещение исполнительныхорганов станка, а также системы без усилителя мощности (копировальные прямогодействия) относят к незамкнутым.
Широкое применение в станках различных типов нашли копировальныесистемы со следящим приводом (гидравлическим, электрогидравлическим илиэлектрическим). Эти системы имеют обратную механическую или электрическуюсвязь.
В качестве примера рассмотрим работу копировальной системыуправления с гидравлическим следящим приводом, имеющим механическую обратнуюсвязь (рис. 1), используемую на токарном станке для изготовления из заготовки 4фасонной детали 5 по копиру 8. Гидронасос, при работе системы, подает масло поддавлением РН в правую полость гидроцилиндра 1, а левая полость его соединена сосливным трубопроводом Pc. В результате разности давлений поршень гидроцилиндра1 со штоком начнет движение по оси Z, увлекая за собой шток следящегогидропривода 2. Дросселирующий гидрораспределитель 7 соединен с напорным РН исливным Рс трубопроводами. Продольное движение (по оси Z) щупа 9 по копиру 8вызывает перемещение гидрораспределителя 7 относительно корпуса, в котором онразмещен. Отрыв щупа 9 от рабочей поверхности копира 8 исключает пружина 6гидрораспределителя. В результате перемещения гидрораспределителя относительнокорпуса следящего гидропривода 2 открываются дросселирующие щели, образованныекорпусом и гидрораспределителем. Полости А и Б гидроцилиндра соединяютсясоответственно с напорным и сливным трубопроводами. Перепад давления на поршнеследящего гидропривода 2 вызывает перемещение корпуса привода за дросселирующимгидрораспределителем 7, т. е. происходит слежение за перемещением щупа покопиру. Перемещение корпуса гидропривода 2 передается резцу 3, жесткосвязанному с корпусом.
/>
Рис. 1. Система управления копировальная с гидравлическим следящимприводом и механической обратной связью: 1 — гидроциллиндр; 2 — гидропривод; 3— резец; 4 — заготовка; 5 — фасонная часть детали; 6 — пружина; 7 —гидрораспределитель; 8 — копир; 9— щуп
Таким образом резец 3 получает продольное перемещение (по оси Z)от гидроцилиндра 1, а поперечное перемещение (по оси X) — от корпусагидропривода 2.
Копировальные системы широко применяют для управления обработкойдетали по одной, двум и трем координатам. Возможность быстрой сменыпрограммоносителя (копира) позволяет использовать их в условиях серийногопроизводства.
Аналоговые системы управления позволяют повыситьпроизводительность механической обработки, но не обладают достаточнойгибкостью. Это обусловливает высокую стоимость переналадки оборудования.
Эволюция технологии числового программного управления происходилав тесной связи с развитием вычислительной техники и зависела от него. Безавтоматизации программирования систем ЧПУ с помощью ЭВМ было бы невозможносоставлять управляющие программы для обработки многих видов деталей. Крометого, ЭВМ позволяют совершенствовать и облегчать процедуру программированияСЧПУ с использованием таких методов, как интерактивная машинная графика иречевой ввод программ.
1. ЧПУот ЭВМ, или машинное числовое программное управление (МЧПУ).
2. Прямоецифровое управление (ПЦУ).
3. Адаптивноеуправление (АУ).
В системах ЧПУ от ЭВМ, или МЧПУ, традиционные управляющиеустройства, реализованные на базе не перестраиваемой («жестко запаянной»)аппаратуры, заменяются малой (мини- или микро-) ЭВМ. Эта малая ЭВМ используетсядля выполнения ряда основных функций ЧПУ с помощью программ, хранящихся в ееоперативной памяти. Одним из отличительных свойств МЧПУ является то, что здесьодин станок управляется одной ЭВМ.
В отличие от этого при другом типе управления от ЭВМ -прямомцифровом управлении (ПЦУ) — одна большая ЭВМ используется для управлениянесколькими отдельными станками с ЧПУ.
Третий тип управления — адаптивное управление — не требует длясвоей реализации использования дополнительной цифровой вычислительной машины.Механическая обработка с адаптивным управлением предусматривает измерениеуправляющей системой одной или большего числа переменных, характеризующихпроцесс обработки (например, усилия резания, температуры, потребляемой мощностии т.д.), и соответствующее изменение скоростей подачи и (или) резания длякомпенсации нежелательных отклонений переменных управляемого процесса. Цельтакого режима состоит в оптимизации процесса обработки, чего сама по себе СЧПУобеспечить не в состоянии. Многие ранние проекты систем адаптивного управлениябазировались на аналоговых управляющих устройствах. Современные системы такоготипа используют микропроцессорную.
Технические средства ЧПУ
Технология создания аппаратных средств ЧПУ с годами претерпела радикальныеизменения. Можно выделить по меньшей мере семь поколений аппаратуры управляющихустройств:
1. Электронныелампы (около 1952 г.).
2. Электромеханическиереле (около 1955 г.).
3. Дискретныеполупроводниковые элементы (около 1960 г.).
4. Интегральныесхемы (около 1965 г.).
5. Прямоецифровое управление (около 1968 г.).
6. ЧПУот ЭВМ (около 1970 г.).
7. Микропроцессорыи микро-ЭВМ (около 1975 г.).Числовое программное управление для автоматизированногооборудования
Термины иопределения основных понятий в области числового программного управленияметаллорежущим оборудованием устанавливает ГОСТ 20523-80.
Числовоепрограммное управление станком (ЧПУ) — управление обработкой заготовки на станке поуправляющей программе, в которой данные заданы в цифровой форме.
Устройство,выдающее управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии суправляющей программой и информацией о состоянии управляемого объекта, называютустройством числового программного управлении (УЧПУ).
/>
/>
Различаютаппаратное и программируемое УЧПУ. В аппаратном (NC) устройстве алгоритмыработы реализуются схемным путем и не могут быть изменены после изготовленияустройства. Эти устройства выпускают для различных групп станков: токарных(«Контур-2ПТ», Н22), фрезерных («Контур-ЗП», НЗЗ), координатно-расточных(«Размер-2М», ПЗЗ) и т. д. Такие УЧПУ изготовляют с вводом управляющейпрограммы на перфоленте. В программируемых устройствах (CNC) алгоритмы реализуютсяс помощью программ, вводимых в память устройства и могут быть изменены послеизготовления устройства. Устройства УЧПУ типа CNC включает малую ЭВМ,оперативную память и внешний интерфейс.
Системачислового программного управления (СЧПУ) представляет собой совокупностьфункционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программныхсредств, обеспечивающих ЧПУ станком.
Основнойфункцией СЧПУ является управление приводами подач станков в соответствии сзаданной программой, а дополнительными — смена инструмента и т. д. На рис. 111представлена обобщенная структурная схема СЧПУ. Схема работает следующимобразом: устройство 1 ввода программы преобразовывает ее в электрическиесигналы и направляет в устройство 7 отработки программы, которое черезустройство 8 управления приводом воздействует на объект регулирования — привод 4подач. Подвижную часть станка, связанную с приводом 4 подач, контролируетдатчик 5, включенный в цепь главной обратной связи.
/>
С датчика 5через устройство 6 обратной связи информация поступает в устройство 7 отработкипрограммы. Здесь происходит сравнение фактического перемещения с заданным попрограмме для внесения соответствующих коррективов в производимые перемещения.С устройства 1 электрические сигналы также поступают в устройство 2 дляреализации дополнительных функций.
Устройство 2 воздействуетна исполнительные элементы 3 технологических команд (двигатели, электромагниты,электромагнитные муфты и др.), при этом исполнительные элементы включаются иливыключаются. Достоинство станков с ЧПУ — быстрое переналаживание без смены илиперестановки механических элементов. Нужно только изменить вводимую в станокинформацию и он начнет работать по другой программе, т. е. обрабатывать другуюзаготовку (деталь). Высокая универсальность станков с ЧПУ удобна в тех случаях,когда нужен быстрый переход на изготовление другой детали, обработка которой наобычных станках требует использования специальной оснастки.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Рис. 2.Обобщенная структурная схема СЧПУ: 1 – устройство ввода программы; 2 – устройствореализации дополнительных функций; 3 – исполнительные элементы; 4 – приводподач; 5- датчик; 6 – устройство обратной связи; 7 – устройство обработкипрограммы; 8 – устройство управления приводом
Точностьразмеров и формы обрабатываемой детали, а также требуемый параметршероховатости поверхности обеспечиваются жесткостью и точностью станка,дискретностью и стабильностью позиционирования и ввода коррекции, а такжекачеством СЧПУ.
Конструктивносистемы ЧПУ бывают разомкнутыми, замкнутыми и самонастраивающимися; по видууправления движением — позиционными, прямоугольными, непрерывными (контурными).
Системы ЧПУ разомкнутоговида используют один поток информации. Программу считывает устройство, врезультате чего на выходе последнего появляются командные сигналы, которыепосле преобразования направляют к механизму осуществляющему перемещениеисполнительных органов станка (например, суппортов). Контроль соответствиядействительного перемещения заданному отсутствует.
В замкнутых СЧПУ для обратной связииспользуются два потока информации. Один поток поступает от считывающегоустройства, а второй — от устройства, измеряющего действительные перемещениясуппортов, кареток или других исполнительных органов станка.
Усамонастраивающихся систем (CNC) информация, поступающая от считывающего устройствакорректируется с учетом поступающих из блока памяти сведений о результатахобработки предыдущей заготовки. За счет этого повышается точность обработки,так как изменения условий работы запоминаются и обобщаются в устройствахсамонастройки памяти станка, а затем преобразуются в управляющий сигнал. Отпростых СЧПУ CNC отличается автоматической приспособляемостью процессаобработки заготовки к изменяющимся условиям обработки (по определеннымкритериям) для лучшего использования возможностей станка и инструмента. Станкис простой СЧПУ отрабатывают программу без учета действия случайных факторов,например припуска, твердости обрабатываемого материала и состояния режущихкромок инструмента. CNC, в зависимости от поставленной задачи и методов еерешения разделяют на системы регулирования какого-либо параметра (например,скорости резания и т. д.) и системы, обеспечивающие поддержание наибольшегозначения одного или нескольких параметров.
Системы ЧПУ,обеспечивающие точную установку исполнительного механизма в заданное положение,называют позиционными. Исполнительный орган в этом случае в определеннойпоследовательности обходит заданные координаты по осям Х и У (рис. 3, а). Приэтом сначала выполняется установка (позиционирование) исполнительного органа вточке с заданными координатами, а затем — наработка. Разновидностью позиционныхСЧПУ являются прямоугольные СЧПУ, в которых программируются не точки, аотдельные у и резки, но при этом продольная и поперечная подачи разделены вовремени.
Системы ЧПУ(рис. 3, 6) обеспечивающие последовательное иключение продольной и поперечнойподач станка при обработке поверхности ступенчатой формы, называют прямоугольными.Эти СЧПУ используют в токарных, карусельных, револьверных, фрезерных и других станках.Обработку ступенчатых валов и других деталей с прямоугольными контурамивыполняют только по траектории, параллельным направлению перемещений рабочихорганов.
Системы ЧПУ(рис. 3, в), обеспечивающие непрерывное управление рабочими органами в соответствиис заданными законами изменения их пути и скорости перемещения для получениянеобходимого контура обработки, называют контурными. При этом инструментдвижется относительно заготовки по криволинейной траектории, которая получаетсяв результате сложения движений по двум (плоская криволинейная траектория) илитрем (пространственная криволинейная траектория) прямолинейным координатам.Такие СЧПУ применяют в токарных и фрезерных станках при изготовлении деталей сфасонными поверхностями. Подача s инструмента в каждый момент обработкискладывается из поперечной S/>и продольной /> подач. Следовательно,перемещения инструмента по различным координатным осям функционально связаныдруг с другом.
/>
Рис. 3. Видыобработки при использовании позиционных (а), прямоугольных (б) и контурных (в) СЧПУ:1, 2, 3 — номера обрабатываемых отверстий; />и />— координаты отверстий по осям X иY; /> —приращения координат; /> и S/>— продольная и поперечная подачиЧисловое программное управление от ЭВМ
Система МЧПУ использует в монопольном режиме ЭВМ с записанной внее программой для выполнения некоторых или всех основных функций числовогопрограммного управления. На протяжении ряда лет в устройствах МЧПУ применялисьтакже мини-ЭВМ.
По внешнему виду станок с МЧПУ очень похож на обычный станок сЧПУ.
/>
Рис. 4. Общая конфигурация системы машинного числовогопрограммного управления (МЧПУ).
Управляющая программа обработки детали вначале вводитсяаналогичным образом. По сравнению с обычными СЧПУ системы МЧПУ обладают большейгибкостью и повышенными вычислительными возможностями. Новые вариантыфункционирования системы можно ввести в устройство МЧПУ, просто заменивпрограмму его работы. Благодаря возможности перепрограммирования (это касаетсякак управляющих программ обработки деталей, так и вариантов управления системой)МЧПУ часто называют гибко-программируемым ЧПУ. Общая конфигурация системы МЧПУ показанана рис. 4.
Функции МЧПУ
Система МЧПУ предназначена для выполнения целого ряда функций.Основными функциями МЧПУ являются следующие:
1. Управлениестанком.
2. Компенсацияотклонений в процессе обработки деталей.
3. Обеспечениеповышенных возможностей в режимах программирования и работы.
Диагностика
Управление станком. Главной функцией системы МЧПУ являетсяуправление работой станка. Это предполагает преобразование команд управляющейпрограммы обработки детали в соответствующие движения инструмента, реализуемоепосредством сервосистемы, которая связана с ЭВМ интерфейсом. Возможность удобновводить множество различных функций управления в такой программируемый контроллерявляется главным преимуществом МЧПУ.
В гибридной системе машинного числового программного управления,показанной схематично на рис. 5, в состав управляющего устройства входятперепрограммируемая часть (ЭВМ) и «жестко запаянные» логические схемы, реализованныеаппаратно. Аппаратные компоненты выполняют те функции, которые у них получаютсялучше (например, формирование скорости подачи и круговую интерполяцию). На ЭВМвозлагаются остальные функции управления плюс другие обязанности, которыеобычно не связывают с традиционными «жестко запаянными» контроллерами. Вгибридной системе МЧПУ можно обойтись более дешевой ЭВМ.
/>
Рис 5 Гибридная система МЧПУ
Разработано две альтернативные конфигурации устройств МЧПУ:
1. Гибридныесистемы МЧПУ.
2. Прямыесистемы МЧПУ.
/>
Рис. 6. Система непосредственного числового программного управления(НЧПУ).
При прямой конфигурации системы МЧПУ ЭВМ используется длявыполнения всех функций числового программного управления. Аппаратнореализуются только элементы интерфейса, связывающего ЭВМ со станком и с пультомоператора. Интерполяция, обратная связь по положению инструмента и все другиефункции осуществляются программными средствами ЭВМ. В соответствии с этим впрямой системе МЧПУ требуется более мощная ЭВМ, чем в гибридной. Преимуществопрямой конфигурации МЧПУ заключается в дополнительной гибкости. Здесь имеетсявозможность вносить изменения в программы интерполяции, тогда как логику,«запаянную» в аппаратные схемы гибридных систем, нельзя перестроить. Схемапостроения прямой системы МЧПУ показана на рис. 6.
Компенсация отклонений в процессе обработки деталей. Функция тесносвязана с управлением станком. Это предусматривает динамическую коррекциюдвижений станка, компенсирующую изменения или ошибки, которые происходят вовремя обработки детали.
Обеспечение повышенных возможностей в режимах программирования иработы. Гибкость программно перестраиваемых управляющих устройств позволилаобеспечить много удобных возможностей при программировании системы и приобработке деталей.
Диагностика. Станки с ЧПУ-это сложные и дорогие системы. В идеалеподсистема диагностики должна выполнять несколько функций. Во-первых, онадолжна уметь выявлять причину простоя, чтобы обслуживающий персонал мог быстреепроизвести ремонт. Во-вторых, диагностическая подсистема должна чуткореагировать на признаки, предвещающие приближающийся отказ того или иногоэлемента. Это позволит обслуживающему персоналу своевременно заменить дефектныйэлемент при запланированной профилактике, что предотвратит непредвиденнуюостановку производства. Третья возможная функция связана с тем, что системыМЧПУ могут содержать определенное количество избыточных элементов из числа тех,которые считаются ненадежными. При отказе одного из таких элементов подсистемадиагностики автоматически отключит его и задействует однотипный элемент изрезерва.
Список литературы
1. Автоматизированнаяподготовка программ для станков с чпу, (Справочник)/ Р.Э. Сафраган, Г.Б.Евгенев, А.Л. Дерябин и др.; Под общей ред. Р.Э. Сафрагана. — К.: Техника,1986. – 191 с.
2. Р.И. Гжиров, П.П.Серебреницкий. Программирование обработки на станках с чпу. Справочник, — Л.:Машиностроение, 1990. – 592 с.