1.3. Системи з числовим програмним керуванням

1.3.1. Основні завдання багатоцільових систем ЧПК

Перелік завдань наведемо стосовно багатоцільових систем ЧПК, що працюють в автономному режимі чи в складі АСУ ТП і ГАВ. Основним способом реалізації завдань є програмний спосіб. Структура багатоцільових систем ЧПК аналогічна структурам керуючих ЕОМ. Вирішуючому завданню ставиться у відповідність не конструктивний, а програмний модуль, що є частиною системного програмного забезпечення (СПЗ) і зберігається в пам'яті.

Введення і зберігання системного програмного забезпечення. Налагодження багатоцільової системи ЧПК для вирішення певного кола завдань здійснюється одноразово (після першого включення чи аварійних ситуацій) шляхом введення інформаційного масиву - системного програмного забезпечення. Для введення СПЗ використовуються в АСУ ТП і ГАВ - канал зв'язку з ЕОМ верхнього рівня. Пам'ять для зберігання СПЗ повинна бути енергонезалежною, тобто зберігати інформацію під час зникнення напруги мережі живлення.

Ввод і зберігання керуючої програми. Керуюча програма (КП), як і СПЗ, може вводитися з носія інформації або через канал зв'язку з ЕОМ верхнього рівня (деколи застосовують і інші способи вводу – ручний з клавіатури. Пам'ять для зберігання КП повинна бути енергонезалежною. КП що вводиться зазвичай представлена в коді ИСО.

Якщо ємність пам'яті багатоцільової системи ЧПК недостатня для зберігання всієї КП, то організовують так званий режим підживлення, тобто під час виконання однієї частини КП по мірі звільнення пам'яті вводять наступну частину.

Реалізація циклів. Виділення повторюючих (стандартних) ділянок програми, що називаються циклами, є ефективним методом скорочення КП. Так звані фіксовані цикли характерні для певних технологічних операцій (свердління, зенкерування, розточування і т. д.) і зустрічаються під час виготовлення багатьох виробів. Програмні технологічні цикли відповідають повторюючим ділянкам даного виробу.

Інтерпретація кадру. Керуюча програма складається із складових частин - кадрів. Відпрацювання чергового кадру вимагає проведення низки попередніх процедур, що називається інтерпретацією кадру. Для забезпечення безперервності контурного керування процедури інтерпретації (і + 1)-го кадру повинні бути реалізовані під час керування за і-м кадром.

Інтерполяція. Під інтерполяцією розуміють отримання з потрібною точністю координат проміжних точок траєкторії руху за координатами крайніх точок і заданої функції інтерполяції.

Керування приводами подач. Складність керування залежить від типу приводу. У загальному випадку завдання зводиться до організації цифрових позиційних стежачих систем для кожної координати. На вхід системи надходять коди (код), відповідні результатам інтерполяції. Цим кодам повинно відповідати положення по координаті - лінійне чи кутове переміщення. Крім керування в режимі руху за заданою траєкторією, необхідна організація деяких допоміжних режимів. Так, за використання в стежачих системах датчиків положення типу обертових трансформаторів і індуктосинів необхідно виконувати узгодження перед першим (і після аварійних ситуацій) включенням. Погодження полягає в підборі коду завдання з системи ЧПК, що відповідає істинному положенню датчика зворотного зв'язку. Після погодження включення приводів відбувається без ударів. Режим установки в «фіксований нуль» верстата дозволяє привести у відповідність значення абсолютних координат у керуючій програмі з дійсним станом вузлів, що переміщуються. Нульове положення фіксується спеціальним датчиком. Керування приводами під час встановлення в фіксований нуль забезпечує рух до фіксуючого датчика. Режим установки в плаваючий нуль передбачає рух у положення, координати якого зберігаються в пам'яті системи ЧПК. Це положення приймається за початкове для подальших розрахунків. Нарешті, за будь-якого руху по координатах з метою уникнення аварій ведеться контроль виходу за допустимі значення (порівняння поточних координат із граничними значеннями, опитування стану кінцевих вимикачів). За необхідності здійснюється аварійна зупинка приводу.

Корекція на розміри інструментів. Корекція керуючих програм на довжину інструменту зводиться до паралельного переносу координат, тобто зміщення. Облік фактичного радіусу інструмента зводиться до формування траєкторії, еквідистантної до запрограмованої.

Логічне керування - це керування технологічними вузлами дискретної дії, вхідні сигнали яких виробляють операції типу «Увімкнути», «Вимкнути», а вихідні фіксують стан «Включено», «Відключено».

Керування приводом головного руху. Керування передбачає включення і відключення приводу, стабілізацію швидкості, а в деяких випадках - керування кутом повороту як додатковою координатою.

Зміна інструменту. Це завдання характерне для верстатів типу «обробний центр». Завдання має дві фази: пошук гнізда магазину з необхідним інструментом і заміну відпрацьованого інструмента на новий. Перспективною слід вважати заміну руху магазина з інструментами рухом захоплення робота, керування яким можна розглядати як керування за додатковими координатами. За цього накопичувач інструментів різко спрощується, перетворюючись на стаціонарну площадку (стіл).

Корекція похибок механічних і вимірювальних пристроїв. Будь-який конкретний агрегат механообробки можна атестувати за допомогою вимірювальних засобів достатньо високого класу точності. Результати такої атестації у вигляді таблиць похибок (внутрішньо крокова помилка, накопичена помилка, люфти) заноситься в пам'ять системи ЧПК. Під час роботи поточні показники датчиків агрегатів коригуються даними з таблиць похибок.

Адаптивне керування механічною обробкою. Найчастіше адаптація здійснюється зміною контурної швидкості і швидкості приводу головного руху. Необхідна інформація виходить від додатково встановлених датчиків - моменту опору, потужності приводу головного руху, вібрацій, температури та ін. Через відсутність безперервного зворотного зв'язку за формуючими розмірами виробу частина системи механообробки не охоплюється зворотним зв'язком. У цих умовах оптимізація здійснюється тільки за непрямими критеріями. Організація зворотного зв'язки безпосередньо від виготовленого вироби є однією з основних проблем підвищення якості механообробки.

До накопичення статистичної інформації відноситься фіксація поточного часу і часу роботи, визначення коефіцієнта завантаження обладнання, облік продукції і т.д.

Автоматичний вбудований контроль. Організація такого контролю в зоні обробки особливо актуальна для ГАВ. Найпростіше завдання вирішується встановленням вимірювального щупа (контактного або безконтактного) в одне з гнізд магазину обробного центру чи чітко фіксованим висуненням щупа за інструмент.

Наведений перелік може бути доповнений наступними завданнями: обмін з ЕОМ верхнього рівня; узгоджене керування обладнанням технологічного модуля; керування транспортом і складом; зв'язок із оператором; керування зовнішніми пристроями; технічна діагностика технологічного обладнання. Наведений перелік зовсім не виключає постановки нових завдань. Однак вказаних завдань достатньо, щоб уявити необхідність і перспективи розвитку саме багатоцільових систем ЧПК із механообробкою [5, С. 5-15].

1.3.2. Позначення станків із ЧПК

Сучасні станки з ЧПК являють собою самокеруючу робочу машину, органічно звʼязану з обчислювальною машиною, що працює в реальному масштабі часу і перетворює дискретні сигнали інформації в дискретні сигнали керування.

За технологічними ознаками в залежності від призначення системи ЧПК поділяють на:

1. позиційні,

2. контурні,

3. комбіновані.

За наявністю зворотного зв’язку системи ЧПК поділяються на:

1. розімкнені (ті що мають одне джерело інформації – від керуючої програми через пристрої керування до виконавчих органів станка),

2. замкнені (зі зворотним зв’язком за положенням робочого органу і з компенсацією похибки станка, самопристосовуючі – з адаптацією на різні зовнішні збурення і зміни протікання техпроцесу).

У залежності від ступеня автоматизації і типу системи ЧПК для станків прийняті наступні додаткові позначення: М – інструментальний магазин і автоматична зміна інструменту (АЗІ); Р – револьверна інструментальна головка і АЗІ; РМ – револьверна головка, інструментальний магазин і АЗІ.

Кожна модель має числове чи буквено-цифрове позначення – шифр, за яким можна отримати деяке початкове явлення про станок.

Існує три варіанти шифрів у залежності від кількості позицій.

Перший варіант – група; модернізація; тип; індекс характерного розміру декілька позицій); модифікація; клас точності станка (Н, П, В, А, С); інструментальна система (М, Р, РМ) (може бути вказана вкінці шифру); ступінь автоматизації і рівень системи ЧПК (Ф - Ф1 – цифрова індикація і попередній набір координат, Ф2 – позиційні і прямокутні системи ЧПК, Ф3 – контурні системи ЧПК, Ф4 – універсальні комбіновані системи ЧПК).

Другий варіант – буквене позначення завода-виробника (декілька позицій); дефіс; порядковий номер моделі станка (комплексу).

Третій варіант - буквене позначення завода-виробника (декілька позицій); індекс характерного розміру декілька позицій); модифікація; клас точності станка (Н - нормальної, П - підвищеної, В - високої, А – особливо високої, С – особливо точні); інструментальна система (М, Р, РМ); ступінь автоматизації і рівень системи ЧПК (Ф - Ф1 – цифрова індикація і попередній набір координат, Ф2 – позиційні і прямокутні системи ЧПК, Ф3 – контурні системи ЧПК, Ф4 – універсальні комбіновані системи ЧПК).

Наприклад, модель станка 1А512МФ3 потрібно розшифровувати за першим варіантом. Так, 1 – група токарних станків; А – буква модернізації моделі; 5 - тип карусельних станків; 12 – умовний чи характерний розмір станка (у даній моделі це відповідає розміру планшайби 1250 мм); М – з інструментальним магазином і автоматичною зміною інструмента; Ф3 – з контурною системою ЧПК; станок відноситься до нормального класу точності, буква Н у класі не вказується.

Модель станка РТ-724Ф3РМ розшифровується за другим варіантом: РТ – буквене позначення завода-виготівника (Рязанський машинобудівний завод); 724 – порядковий номер моделі; Ф3 – з контурною системою ЧПК; РМ – з револьверною головкою, інструментальним магазином і АЗІ.

Позначення станка з ЧПК, наприклад, моделі ИР320ПМФ4 розшифровується за третім варіантом: ИР – буквене позначення завода-виготівника (Івановський завод машинобудування; 320 – характерний розмір (габарити стола 320×320); П – підвищеного класу точності; М – з інструментальним магазином і АЗІ; Ф4 – з комбінованою системою ЧПК [2, С. 7-10].

1.3.3. Структури систем ЧПК

Під системою ЧПК розуміють сукупність спеціалізованих пристроїв, методів і засобів, необхідних для здійснення числового програмного керування верстатом. Власне пристрій числового програмного керування (ПЧПК) складає частину цієї системи і конструктивно виконується, як правило, у вигляді окремої шафи чи блоків (для мікропроцесорних систем).

Все різноманіття структур систем ЧПК (основні з них наведені в табл.1) можна поділити на дві великі групи.

До першої групи відносяться пристрої з постійною структурою (NC), що мають схемну реалізацію алгоритмів роботи (інтерполяції, типових циклів і ін.). Ці пристрої випускають з початку освоєння ЧПК для різних груп верстатів: токарних, фрезерних; координатно-розточувальних, шліфувальних, електроерозійних.

До другої групи (CNC) відносяться пристрої з програмною реалізацією більшості алгоритмів роботи (див. табл. 1).

Ці алгоритми записуються в постійний пристрій (ПЗП), що запам'ятовує, під час виготовлення ПЧПК. Керування здійснюється від мікропроцесора чи вбудованої МІКРОЕОМ. У пристроях є можливість формувати типові цикли обробки стосовно різних технологічних завдань. Ця частина ПРЗ зазвичай зберігається в ППЗП (див. табл. 1.1) і може бути видозмінена під час замовлення ПЧПК або на заводі-виготівнику верстата. Системи CNC дозволяють програмувати логіку роботи електроавтоматики силового устаткування верстата. Таким чином ПЧПК типу CNC виконує функції програмованого командо-апарата (ПК) (див. табл.1.1). Програмування електроавтоматики виконується зазвичай на заводі-виготівнику верстата і рідше під час замовлення ПЧПК.

Таблиця 1.1. Основні види структур систем ЧПК

Позначення				Визначення
ЧПК		NC		Числове програмне керування (Numerical Control) - керування обробкою на верстаті за програмою, заданою в кодованому вигляді (алфавітно-цифровому чи унітарному коді)
ОСК		HNC		Оперативна система ЧПК (Hand NC) з ручним завданням програми на пульті керування (на клавішах або іншій апаратурі)
Комп'ютерна ЧПК		CNC		Система керування з МІКРО-ЕОМ (Computer NC). Система містить одну чи декілька МІКРО-ЕОМ (мікропроцесорів) із програмною реалізацією алгоритмів
-		DNC		Система керування групою верстатів від загальної ЕОМ (Direct numerical Control), що здійснює зберігання програм і розподіл їх по запитах від пристроїв керування верстатів (у верстатів можуть бути встановлені пристрої різних типів, зокрема CNC)
ПК		PLC		Програмований командоапарат (Programmable Controller). Пристрій виконання логічних функцій, зокрема релейної автоматики, може входити до складу системи ЧПК
АДК		АС		Адаптивне керування (Adaptive Control) забезпечує виконання самонастроювання режимів різання чи автоматичної компенсації похибок. Може входити до складу системи ЧПК.
ГВС		FMS		Гнучка виробнича система (Flexible manufacturing systems). Узагальнюючий термін. Комплекс технологічного устаткування і системи керування від ЕОМ, що має властивість автоматизованого переналагодження під час виробництва виробів певної номенклатури.
ГВМ		FMM		Гнучкий виробничий модуль (Fm-modules). ГВС, що складається з одиниці технологічного устаткування (багатоопераційного верстата) з локальним накопичувачем-транспортером заготовок, деталей і інструменту.
ГАЛ		-		Гнучка автоматизована лінія (ділянка) ГВС, що включає декілька ГВ-модулів, із загальною системою керування від ЕОМ, транспортом і складом заготовок. ЕОМ ділянки виконує функції зберігання і передачі до ПЧПК керуючих програм, поточну диспетчеризацію, оперативне планування.
ГАЦ		FMF		Гнучкий автоматизований цех (Fm-factory), ГВС, що включає декілька ГВ ліній і ГВ модулів із загальною транспортною системою, складом заготовок і деталей (виробів), ієрархічною системою керування від ЕОМ, зв'язаних каналами передачі інформації
AЗ				Автоматичний завод, що складається з ГАЦ, зокрема цехи автоматичної збірки і упаковки готової продукції. Центральна ЕОМ заводу має канали зв'язку з ЕОМ нижнього рівня ієрархії і здійснює керування всіма підрозділами заводу і довгострокове планування
АСУТП		САМ		Автоматична система автоматичної підготовки виробництвом на ЕОМ (Computer Aided Manufacturing) (у широкому сенсі)
САПР		CAD або CAE		Автоматична система проектування (CA- Design) або (Ca-engineering) автоматична система конструювання і проектування за допомогою ЕОМ
-		CAP		Автоматична система планування виробничих процесів на ЕОМ (Computer Aided Planning)
-		CAQ		Автоматична система контролю продукції з використанням ЕОМ (CA Quality)
СКАП СППР/ АСКП		CIM		Інтегрована система проектування і керування виготовленням продукції (Computer Integrated Manufacturing) або система комплексної автоматизації виробництва
ОЗП	RАМ		Оперативний запам’ятовуючий пристрій з довільною вибіркою (Random access memory)
	LAN		Локальна система зв'язку (Local Arid Network)
ПЗП	RОМ		Постійний запам’ятовуючий пристрій (Read-only memory), тільки для читання
	PROM		Програмований ПЗП (Programmable ROM)
СПЗП	EROM		ПЗП зі стиранням (Erasable ROM)
ППЗП	EPROM		ПЗП, що перепрограмовується користувачем (Erasable programmable ROM)
ЕПЗП	Ea ROM		Електрична програмована ПЗП (Electrically alterable ROM)
-	FPROM		ППЗП, програмований в умовах експлуатації (Field programmable ROM)
СІС	MSI		Інтегральні схеми (ІС) середнього ступеня інтеграції (Medium scale integration)
БІС	-		МС більшого ступеня інтеграції
МП	MP		Мікропроцесор (Microprocessor)
ЦП	CPU		Центральний процесор (Central processing unit)

Наладчик ПЧПК для першої групи пристроїв повинен знати апаратно-схемну частину системи. Апаратні частини в ПЧПК другої групи для різних верстатів мало відрізняються одна від одної. Крім того, наладка зазвичай зводиться до визначення плат, що відмовили, і заміни їх на резервні. Наладчик повинен розуміти склад і вміти користуватися діагностичними тестами.

Знайшли також застосування прості позиційні ПЧПК із завданням програми безпосередньо біля верстата на штекерних панелях або декадних перемикачах. Цей напрям згодом привів до створення пристроїв із ручним введенням програми в електронну пам'ять із клавіатури пульта (класу HNC). У останніх мікропроцесорних системах така можливість є у всіх пристроях.

Окрім автономних пристроїв керування верстатами все більшого значення набувають системи з керуванням ділянкою верстатів від центральної ЕОМ (див. табл.1.1).