СТРУКТУРНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ УЧПУ РАЗНЫХ КЛАССОВ
К УЧПУ сходятся все нити управления автоматическими механизмами станка. Конструктивно УЧПУ выполнено как автономный электронный агрегат, имеющий устройство ввода УП, вычислительную часть, электрический канал связи с автоматическими механизмами станка.
Внешний вид УЧПУ во многом определен панелью управления, с которой осуществляется выбор режима управления станком (ручной, наладка, полуавтоматический, автоматический); производится исправление программы в период ее отладки, вводится коррекция, ведется контроль за выполнением команд и наблюдение за правильной работой станка и самого устройства ЧПУ и др. Панель управления (пульт) УЧПУ, в свою очередь, определяется системой программирования, принятой для данного устройства, характерными признаками принятой системы программного управления, классом СЧПУ.
В соответствии с международной классификацией все УЧПУ по уровню технических возможностей делятся на следующие основные классы: NC (Numerical Control); SNC (Stored Numerical Control); CNC (Computer Numerical Control); DNC (Direct Numerical Control); HNC (Handled Numerical Control); VNC (Voise Numerical Control).
Структурно-информационный анализ этих систем сравнительно сложен, хотя позволяет выделить в них (или установить отсутствие) определенных функциональных элементов и информационных каналов. Условной для реальных УЧПУ является и классификация, поскольку реализация функций ЧПУ может быть такой, что реальный вариант системы управления представляет собой синтез отдельных признаков систем разных классов. Особенно это относится к УЧПУ с признаками класса DNC, которые реализуются как системы классов DNC - NC, DNC - SNC, DNC - CNC и др., к УЧПУ класса CNC, которые реализуются как системы VNC, CNC - HNC и др.
Системы классов NC и SNC
Станки, оснащенные УЧПУ классов NC и SNC, в настоящее время еще достаточно распространены. УЧПУ этих классов - наиболее простые системы управления с ограниченным числом информационных каналов. В составе этих систем отсутствует оперативная ЭВМ, и весь поток информации обычно замыкается на уровне 3-го ранга. Внешним признаком УЧПУ классов NC и SNC является способ считывания и отработки УП.
Системы класса NC. В системах класса NC принято покадровое чтение перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки.
Системы класса NC работают в следующем режиме. После включения станка и УЧПУ читаются первый и второй кадры программы. Как только заканчивается их чтение, станок начинает выполнять команды первого кадра. В это время информация второго кадра программы находится в запоминающем устройстве УЧПУ. После выполнения первого кадра станок начинает отрабатывать второй кадр, который для этого выводится из запоминающего устройства. В процессе отработки станком второго кадра система читает третий кадр программы, который вводится в освободившееся от информации второго кадра запоминающее устройство, и т. д.
Основным недостатком рассмотренного режима работы является то, что для обработки каждой следующей заготовки из партии системе ЧПУ приходится вновь читать все кадры перфоленты, в процессе такого чтения нередко возникают сбои из-за недостаточно надежной работы считывающих устройств УЧПУ. В результате отдельные детали из партии могут оказаться бракованными. Повышенная вероятность сбоев в системах класса NC объясняется также очень большим числом кадров перфоленты, поскольку для работы таких систем в программе должно быть записано каждое элементарное действие станка. Кроме того, при таком режиме работы перфолента быстро изнашивается и загрязняется, что еще более увеличивает вероятность сбоев при чтении. Наконец, если в кадре записаны действия, которые станок выполняет очень быстро, то УЧПУ за это время может не успеть прочитать следующий кадр, что также ведет к сбоям.
Первые контурные УЧПУ класса NC для упрощения, удешевления и увеличения надежности выполняли с вводом декодированной программы, записанной на магнитной ленте, которая являлась промежуточным программоносителем. В зависимости от типа привода подачи декодированную программу представляли или последовательностью импульсов (унитарного кода), или фазомодулированным сигналом. Программа для станков с магнитной ленты записывалась в два этапа. Сначала подготовленную управляющую программу записывали на перфоленту и далее с перфоленты вводили в интерполятор, размещенный отдельно от станка. В интерполяторе числовая форма программы преобразовывалась в унитарный код и в виде последовательности импульсов (или фазомодулированного сигнала) записывалась на магнитную ленту. Последняя являлась программой для станка, имеющего соответствующее считывающее устройство. Редактирование УП приводило к ее изменению на исходной перфоленте и повторной записи (перезаписи) на магнитную ленту.
На программах с магнитной лентой работают ряд станков с ЧПУ первых выпусков. Все они, как правило, построены на шаговых двигателях (ШД) и имеют два исполнения: с силовым ШД и с несиловым ШД (шаговым преобразователем). В последних поворот ШД служит задающим сигналом для гидравлического или электрического следящего привода.
Особенностью шаговых СЧПУ является то, что они работают, как правило, по разомкнутой схеме управления.
Упрощенная схема управления станком с силовым ШД показана на рис. 2.14.
УЧПУ станком работает от магнитной ленты. Оно позволяет одновременно управлять станком по трем координатам (X, Y, Z) и формирует в соответствии с программой три технологические команды. Программоносителем является девятидорожечная магнитная лента, на которой записана декодированная информация в импульсах. Система преобразует эту информацию в электрические импульсы и распределяет по обмоткам шаговых двигателей (основная функция), а также воздействует на электромагнитные муфты, электромагниты и пр. (дополнительные функции). Система может работать в двух режимах: автоматическом (от программоносителя) и ручном (от органов управления, расположенных на пульте).
В автоматическом режиме для считывания информации с магнитной ленты используется магнитное считывающее устройство, в котором с помощью магнитной головки, состоящей из девяти катушек, программа обработки детали задается определенной последовательностью электрических импульсов. Информация для перемещения по одной координате считывается с двух дорожек (прямой и обратный ход). На девяти дорожках магнитной ленты программа распределяется следующим образом: дорожки 1 и 2 - координата X; дорожки 3 и 4 - координата Y; дорожки 5 и 6 - координата Z; дорожки 7 и 8 - технологические команды (TK1 и ТК2); дорожка 9 - сигнал «конец программы» (технологическая команда ТК3). Счет дорожек ведут сверху вниз. Начало каждой программы маркируют полоской из мягкой алюминиевой фольги, которую наклеивают на тыльную сторону ленты. Марки считываются фотодатчиком ФД, который формирует сигнал «начало программы». Электрические сигналы с катушек магнитной головки поступают на девять усилителей считывания УС1—УС9, усиливаются и направляются в блоки электронных коммутаторов БЭК и блок технологических команд БТК.
В блоках электронного коммутатора происходит формирование импульсов в прямоугольные, вырабатывается признак направления перемещения (прямой и обратный ход). Последовательно поступающие импульсы распределяются по трем фазам шеститактной схемы коммутации.
С выхода электронного коммутатора импульсы поступают для усиления на усилители мощности УМ и далее на обмотки шагового двигателя.
Информация о соответствующих технологических командах (в виде импульсов) поступает в блок технологических команд, где преобразуется в постоянные напряжения, включающие электромагнитные реле, контактами которых замыкаются цепи исполнительных элементов технологических команд (ИЭТК.). Первая и вторая технологические команды {ТК1, ТК2) предназначены для использования на станке. Третья технологическая команда (ТКЗ - «конец программы») поступает в блок автоматического управления БАУ.
Блок автоматического управления предназначен для автоматического управления лентопротяжным механизмом магнитного считывающего устройства, он также содержит генератор ручного управления ГРУ для работы системы в ручном режиме.
Блок регулирования БР предназначен для изменения скорости протяжки магнитной ленты, а следовательно, частоты вращения шаговых двигателей.
В ручном режиме работы от генератора ручного управления ГРУ импульсы с различной частотой следований (по заданию с переключателей, расположенных на пульте управления) или одиночные импульсы поступают на вход выбранного блока электронного коммутатора БЭК. Далее информация преобразуется так же, как при автоматическом режиме работы.
В станке вращательное движение выходного вала шагового двигателя (ШДх, ШДу, ШДz} через редуктор Р передается на рабочий орган РО с помощью безлюфтовых механических передач с высоким КПД. Элементарное перемещение рабочего органа, т. е. цена одного импульса, составляет 0,01—0,05 мм.
Рассмотренная схема сравнительно проста. Недостатком ее является низкое быстродействие (приемистость ШД обычно не более 0,6 - 1 кГц). Низкая приемистость не позволяет развивать большие скорости (при цене импульса 0,01 мм максимальная скорость 10 мм/с).
Шаговые системы программного управления с силовым ШД удобно применять для автоматизации процессов, протекающих с невысокими скоростями и умеренными требованиями по точности. В отечественной промышленности они нашли применение в электроэрозионных станках, в некоторых конструкциях координатографов, для управления лентопротяжными механизмами, а также в программных командоаппаратах гальванических автоматов.
Для шаговых систем программного управления с несиловым ШД (рис. 2.15) программа, записанная на перфоленте 1, поступает в выносной интерполятор 2, где она перезаписывается на магнитную ленту 4 в виде последовательности импульсов (в унитарном коде).
Частота введенных импульсов определяет скорость движения рабочего органа. Вводя по каждой координате станка перемещения импульсами в количествах и с частотой, пропорциональными требуемым размерам и скоростям перемещений, можно заставить инструмент и заготовку непрерывно перемешаться по траектории, необходимой для обработки детали. При импульсном вводе числовой программы задача привода сводится к восприятию электрического импульса и отработке его с усилием, необходимым для перемещения рабочего органа станка. В УЧПУ станка магнитная лента перемещается лентопротяжным механизмом 3 относительно магнитной считывающей головки 5. Формирование импульсов и разделение их по полярности осуществляется в фазочувствительном выпрямителе 6, с выхода которого импульсы поступают в коммутатор 7. Там они распределяются по трем фазам и, усилившись в усилителях мощности 8, попадают на обмотки статора шагового двигателя 9. Угол поворота выходного вала ШД пропорционален количеству импульсов, а скорость поворота - частоте следования импульсов. В системе шаговый двигатель выполняет функции управляющего элемента гидроприводом, имеющего золотник 10, гидроусилитель 12 и элемент обратной связи 11. Поворот вала ШД приводит в действие гидросистему. Вал гидроусилителя через редуктор 13 связан с ходовым винтом рабочего органа 14. В системе большему повороту золотника 10 соответствуют большие частоты вращения выходного вала гидроусилителя.
В рассмотренной системе сочетание маломощного быстродействующего ШД с гидроусилителем момента позволяет получить приемистость до 2 - 8 кГц. В этих СПУ шаговый привод выполняет функцию преобразователя дискретной информации в поворот вала, а гидроусилитель момента (за счет линии обратной связи) осуществляет слежение за механическим движением вала ШД.
Преобразование дискретной информации - сложная задача, так как сопровождается мгновенными девиациями частот, поступающих на вход шагового привода. Не менее важной задачей в разомкнутой системе является передача импульсных сигналов. Эти задачи можно решить предельно возможным расширением диапазона рабочих частот и уменьшением дискретности шагового привода. Для этого применяют шаговые двигатели с большим числом фаз (до пяти), блоки управления с многоконтактными электронными коммутаторами и значительным формированием электромагнитных переходных процессов.
В качестве силовых следящих приводов в шаговых СПУ с несиловым ШД можно применять электрические и гидравлические следящие приводы.
Шаговые СПУ с несиловым ШД нашли применение в пультах управления ПРС-2-60, ПРС-4А, «Контур 2П-67», «Контур ЗП-68», «Контур 4П-68», УМС-2, УМС-402. Эти системы использовались для управления фрезерными и токарными станками, газорезательными, сварочными автоматами и другим технологическим оборудованием.
Рис. 2.16. Схема управления фрезерным станком фазовой СЧПУ
В СЧПУ с магнитной лентой возможно представление УП в аналоговом виде. В таком станке (рис. 2.16) УП представлена магнитными дорожками на магнитной ленте, причем степень намагниченности поля ленты вдоль дорожки изменяется по синусоидальному закону. Фреза 1 установлена на ползуне 2, имеющем поперечное перемещение (по оси У) от привода My. Заготовка 10 закрепляется на столе 11, продольное перемещение которого (по оси X) обеспечивается приводом Мх. Станок имеет систему наладки фрезы по оси Z (ось Z перпендикулярна к плоскости XWY).
Для программы перемещений по осям Х и Y предназначены независимые дорожки РСу и РСх магнитной ленты, записываемые параллельно с центральной (опорной) дорожкой, на которую наносится так называемый опорный сигнал ОС. Этот сигнал наносится в процессе записи программы путем подачи на головку непрерывного синусоидального электрического сигнала с определенной частотой 0, например 250 Гц. Числовая форма программы (перемещения по осям Х и Y, выраженные числом импульсов в единицу времени) при записи рабочих дорожек преобразуется в сдвиг фаз сигнала этих дорожек относительно опорного сигнала на величины y и x. При этом одному импульсу соответствует сдвиг фазы рабочей дорожки на определенный угол. Для записи программы на магнитную ленту служит специальный импульсно-фазовый преобразователь, находящийся в выносном записывающем устройстве.
При работе станка (рис. 2.16) магнитная лента 9 (с нанесенной программой) протягивается механизмом 8 с постоянной скоростью (например, 50 мм/с). Многоканальная магнитная головка МГС считывает сигналы на каждой дорожке ленты по линии А - А (рис. 2.17). Опорные ОС и рабочие РСх и РСу сигналы, считанные с магнитной ленты, выдаются головкой в виде сигналов переменного тока частотой 250 Гц и напряжением 5 - 10 мВ. Эти сигналы усиливаются в усилителях УСо, УСх и УСу (см. рис. 2.16). Сигналы с УСх и УСу поступают в фазовые дискриминаторы соответственно ФДх и ФДу, а сигнал с УСо - во вращающиеся трансформаторы ВТх и ВТу на роторные обмотки.
Рис. 2.17. Характер записи сигналов на магнитной ленте при управлении с использованием фазовой СЧПУ
Рассмотрим работу привода подач ППу поперечной координаты Y при равных частотах рабочего РСу и опорного ОС сигналов (РСy = 0) и разности фаз y сигналов на рабочей и опорной дорожках магнитной ленты. Опорный сигнал ОС от магнитной головки считывания МГС, пройдя усилитель УСо, поступает в фазовый дискриминатор ФДу не непосредственно, как рабочий сигнал РСу, а через вращающийся трансформатор ВТу. Последний представляет собой датчик положения, электрический угол ' которого на выходе изменяется пропорционально углу поворота его вала. Если на обмотки статора вращающегося трансформатора подавать синусоидальное напряжение с частотой 0 при нулевом угле разворота ротора ( = 0), то на обмотках ротора будет трансформироваться напряжение той же частоты без фазового сдвига. При повороте ротора вращающегося трансформатора на угол выходное напряжение будет сдвигаться на равный этому повороту электрический угол '. Вал вращающегося трансформатора соединяется с валом силового двигателя My (непосредственно или через зубчатую передачу). При нулевом положении вала вращающегося трансформатора ВТу опорный сигнал без изменений поступает по каналу 7 в фазовый дискриминатор ФДу, на выходе которого формируется управляющий сигнал Еу постоянного тока, величина которого пропорциональна разности фаз y между опорным и рабочим сигналами переменного тока, а знак определяется знаком сдвига фазы. Увеличенный в усилителе мощности УМу управляющий сигнал EУМy поступает в приводной двигатель My.
Усилитель мощности управляет количеством энергии, поступающей в двигатель. При изменении управляющего сигнала Еу на входе усилителя мощности от нуля до максимума изменяется частота вращения y двигателя и, следовательно, скорость подачи. Для идеализированного привода:
у = КУМу*Еу,
где КУМу - коэффициент усиления привода.
В рассматриваемом случае на выходе усилителя мощности УМу образуется количество энергии, пропорциональное величине сигнала Еу, а значит, разности фаз y между рабочим и опорным сигналами на магнитной ленте, причем знак его соответствует знаку у. Вследствие этого вал двигателя My начинает вращаться и посредством шестеренной передачи 6, 5, винта 4 и гайки 3 ползун 2 и фреза 1 начнут перемещаться вниз. В процессе движения поворачивается вал вращающегося трансформатора ВТу, в связи с чем в канал 7 поступает сигнал обратной связи по положению, равный опорному сигналу ОС, сдвинутому на угол '. Замкнутый контур, состоящий из фазового дискриминатора ФДу (устройство, сравнивающее управляющий сигнал с сигналом обратной связи, т. е. заданное перемещение с фактически отработанным), усилителя мощности УМу, двигателя My, приводящего рабочий орган в движение, вращающегося трансформатора ВТу (датчик обратной связи по положению, преобразующий перемещения рабочего органа в сигналы того же вида, что и управляющий сигнал) и линии обратной связи 7, образует следящий по положению привод подачи. По мере увеличения угла ’y и приближения его к величине y будут уменьшаться управляющий сигнал Еу на выходе фазового дискриминатора, а значит, и мощность на выходе усилителя мощности УМу. В итоге наступит момент, когда величины y и 'у сравняются настолько, что мощность, подводимая, к двигателю, станет недостаточной для вращения двигателя My и поперечная подача прекратится. Таким образом, путь, который пройдет ползун, будет пропорционален сдвигу фаз у между рабочим и опорным сигналами.
Как видно из схемы, на входы фазового дискриминатора каждой координаты перемещения подаются рабочий сигнал Epc и сигнал обратной связи Eо.св. (индексы координат опущены):
Eрс = Umax*Sin(0 t + );
Eо.св. = Umax*Cos(0 t + '),
где - фазовый угол, соответствующий заданному перемещению Sвх,
= (2 / tф)*Sвх;
где tф - угловое перемещение рабочего органа, соответствующее изменению фазы датчика обратной связи.
Полагая ' = , т. е. электрический угол ' на выходе вращающегося трансформатора равным механическому углу поворота ротора этого трансформатора, получаем
' = (2 / tф)*Sвых.
Тогда
Epc = Kф.д.*( - ’) = K*(Sвх - Sвых),
где Кф.д - коэффициент усиления фазового дискриминатора.
Таким образом, величина сигнала на выходе фазового дискриминатора пропорциональна ошибке между заданным программой Sвх и фактически отработанным Sвых перемещениями рабочего органа координаты станка.
При программировании на магнитной ленте рабочий сигнал можно записать и таким образом, чтобы непрерывно изменялся сдвиг фаз между рабочим и опорным сигналами при протягивании магнитной ленты относительно магнитной головки считывания, например путем изменения частоты рабочего сигнала от 0 до pc. Сдвиг фаз между рабочим и опорным сигналами будет изменяться во времени пропорционально разности этих частот, т. е. (рс - 0)*t. В результате вал двигателя будет вращаться, а рабочий орган станка перемещаться со скоростью, пропорциональной разности указанных частот, причем направление перемещения определится знаком разности частот рабочего и опорного сигналов.
Аналогично работает и привод подач ППх продольного перемещения.
Таким образом, фазовая СЧПУ станка представляет собой комплекс следящих приводов с дополнительными устройствами, необходимыми для протягивания магнитной ленты, считывания с нее сигналов и их усиления, конструктивно оформленными в виде пульта программного управления.
Переход к микросхемам с малой и средней степенью интеграции снизил стоимость УЧПУ с интерполятором. Это позволило исключить промежуточный программоноситель (магнитную ленту) из системы управления станками, расширить состав технологических команд, включая коррекцию размеров, положения и траектории инструмента.
Развитие систем класса NC привело к созданию УЧПУ с целым рядом дополнительных режимов. Эти УЧПУ, структура которых предполагает наличие достаточно большого числа информационных каналов (табл. 2.1, третье поколение), обеспечивают диагностику ошибок ввода программы, определяют сбои устройства, реализуют режимы автоматического и покадрового ввода программы, поиски кадра, ручное управление, автоматическую установку системы в исходное положение и др. Программа может быть задана как в абсолютных размерах, так и в приращениях. В УЧПУ третьего поколения наряду с увеличением скорости перемещения для контурных и универсальных устройств введен режим резьбонарезания, расширены технологические команды, кодируемые в коде ИСО-7 бит. Устройства с расширенными функциями имеют выход на канал связи с ЭВМ верхнего уровня, систему визуального отображения информации. В настоящее время все станки с УЧПУ класса NC выпускаются с встроенным интерполятором и работают непосредственно от перфоленты, однако выпуск таких станков резко сокращен.
Системы класса SNC.
Эти системы сохраняют все свойства систем класса NC, но отличаются от них увеличенным объемом памяти.
Системы класса SNC позволяют прочитать все кадры программы и разместить информацию в запоминающем устройстве большой емкости. Перфолента читается только один раз перед обработкой всей партии одинаковых деталей и поэтому мало изнашивается. Все заготовки обрабатываются по сигналам из запоминающего устройства, что резко уменьшает вероятность сбоев, а следовательно, и брак деталей. Системы SNC позволяют осуществлять однократный ввод управляющих программ при длине перфоленты от 40 до 310 м.
Особенности систем классов NC и SNC.
Системы классов NC и SNC относятся к устройствам с постоянной структурой, имеющим схемную реализацию алгоритмов работы. Устройства этих классов выпускаются с начала освоения ЧПУ для различных групп станков и относятся к первому, второму и третьему поколениям УЧПУ (табл. 2.1). Кодированная программа вводится на перфоленте. Кроме того, отдельные команды могут быть введены с пульта управления УЧПУ или с панели управления станком (рис. 2.18).
Информация с перфоленты через блоки ввода и декодирования поступает в память. (Для станков с УЧПУ класса SNC в память с перфоленты записывается вся программа). При работе станка в автоматическом режиме команды программы, обработанные интерполятором, через блоки управления поступают к приводам Дх, Ду, Дz, Дш и др. Скорость приводов регулируется по данным системы обратной связи, например по сигналам тахогенератора (Тгх, Тгу, Тгz, Тгш и др.), а перемещения (для приводов подач) - по данным путевых датчиков перемещения ПД.
Системы классов CNC, DNC, HNC.
Переход вычислительной техники к большим интегральным схемам (БИС), микропроцессорным БИС и построенным на их основе микроЭВМ позволил создать УЧПУ, совмещающие функции управления станком и решения отдельных задач подготовки УП. Наличие ЭВМ обеспечивает большие возможности УЧПУ. На рис. 2.19 показана типовая структура системы CNC.
Ее основу составляют: микроЭВМ, запрограммированная на выполнение функций числового программного управления; блоки связи с координатными приводами; блоки выдачи технологических команд в требуемой логической последовательности; системные органы управления и индикации; каналы обмена данными с центральной ЭВМ верхнего уровня.
Особенность систем класса CNC заключается в возможности изменять и корректировать в период эксплуатации (а не только в период проектирования и изготовления системы) как УП обработки детали, так и программы функционирования самой системы в целях максимального учета особенностей данного станка.
Каждая из выполняемых функций обеспечивается своим комплексом подпрограмм. Подпрограммы увязываются общей координирующей программой-диспетчером, осуществляющей гибкое взаимодействие всех блоков системы.
Программный комплекс системы управления в настоящее время стремятся строить по модульному принципу. Основные модули системы:
программа управления загрузкой УП, включая подпрограммы ввода и расшифровки кадра;
программа управления станком, включающая подпрограмму управления координатными перемещениями и подпрограмму выполнения технологических команд.
Программа управления координатными перемещениями состоит из блоков интерполяции, задания скорости, управления быстрым ходом, а эти блоки, в свою очередь, включают следующие модули:
программу подготовки данных;
организующую программу - диспетчер;
драйверы - стандартные операторы для работы с внешними устройствами.
Общая структура алгоритма работы УЧПУ класса CNC приведена на рис. 2.20.
В запоминающее устройство системы CNC программа может быть введена полностью не только с подготовленной перфоленты, но и отдельными кадрами - вручную с пульта УЧПУ. В кадрах программы могут записываться не только команды на задания отдельных движений рабочих органов, но и команды, задающие целые группы движений, называемые постоянными циклами, которые хранятся в запоминающем устройстве СПУ. Это приводит к резкому уменьшению числа кадров программы и к соответствующему повышению надежности работы станка.
Рис. 2.20. Структура алгоритма работы УЧПУ класса CNC первого поколения
Системы класса CNC позволяют достаточно просто выполнять в режиме диалога доработку и отладку программ и их редактирование, используя ручной ввод информации и вывод ее на дисплей (на переносный графопостроитель), а также получать отредактированную и отработанную программу на перфоленте, магнитном диске, пленке и т, п. Кроме того, по одной программе можно работать в различных масштабах, в режиме «матрица - пуансон», в режиме зеркального отображения и т. д. В процессе работы допускаются самые различные виды коррекций.
Обладая сравнительно низкой стоимостью, малыми габаритами и высокой надежностью, системы класса CNC позволяют заложить в систему управления новые свойства, которые раньше не могли быть реализованы. Так, многие УЧПУ этого класса имеют математическое обеспечение, с помощью которого можно учитывать и автоматически корректировать постоянные погрешности станка и тем самым влиять на совокупность причин, определяющих точность обработки (компенсация люфта или зоны нечувствительности приводов в направлении перемещения по координатам и др.). Использование систем контроля и диагностики повышает надежность и работоспособность станков с УЧПУ на микропроцессорах. В функцию этих систем входит контроль состояния внешних по отношению к УЧПУ устройств, внутренних блоков и собственно УЧПУ.
Например, некоторые УЧПУ класса CNC имеют специальные тест - программы для проверки работоспособности всех структурных частей системы. Эти тест - программы отрабатываются при каждом включении устройства, и в случае исправности всех частей возникает сигнал готовности системы к работе. В процессе работы станка и УЧПУ тест - программы частями отрабатываются в так называемом фоновом режиме, не мешая отработке основной управляющей программы. В случае появления неисправности на табло световой индикации возникает ее код, затем с помощью кода по таблице определяются место и причина неисправности. Кроме того, система определяет ошибки, связанные с неправильной эксплуатацией устройства или с превышением параметров теплового режима, позволяет найти напряжение для питания и другие параметры.
Неотъемлемой частью современных УЧПУ класса CNC является обширная встроенная память (до 256 Кбайт), которая может быть использована в качестве архива УП. К системе может прилагаться широкий набор периферийных средств - как традиционных (фотосчитыватель, накопитель на магнитной ленте или гибких дисках, телетайп, перфоратор), так и специальных (например, графопостроитель, печатающее устройство, микропроцессорные средства диагностического контроля, в том числе и допускающие связь с дистанционным диагностическим центром).
Весьма важным средством оптимизации связи процессорного УЧПУ и станка является введение в память параметров или констант станка. С помощью этих констант могут быть автоматически учтены ограничения на зону обработки, заданы требования к динамике конкретных приводов, сформированы фазовые траектории разгонов и торможений, учтены конкретные особенности коробок скоростей, приводов подач, скомпенсированы систематические погрешности этих передач и др.
Системами класса DNC (рис. 2.21) можно управлять непосредственно по проводам от центральной ЭВМ, минуя считывающее устройство станка. Однако наличие ЭВМ не означает, что необходимость в УЧПУ у станков, полностью отпадает. В одном из наиболее распространенных вариантов систем DNC каждый вид оборудования на участке сохраняет свои УЧПУ классов NC, SNC, CNC. Нормальным для такого участка является режим работы с управлением от ЭВМ, но в условиях временного выхода из строя ЭВМ такой участок сохраняет работоспособность, поскольку каждый вид оборудования может работать от перфоленты, подготовленной заранее на случай аварийной ситуации.
В функции DNC входит управление и другим оборудованием автоматизированного участка, например автоматизированным складом, транспортной системой и промышленными роботами, а также решение некоторых организационно-экономических задач планирования и диспетчирования работы участка. Составной частью программно-математического обеспечения DNC может быть специализированная система автоматизации подготовки УП. Редактирование УП в DNC возможно на внешней ЭВМ, на которой ведется автоматизированная подготовка УП, на ЭВМ, управляющей группой станков, и на ЭВМ, встроенной в УЧПУ конкретного станка. Во всех случаях подготовленные и отредактированные УП для оборудования участка хранятся в памяти ЭВМ, управляющей группой станков, откуда они передаются на станки по каналам связи.
Оперативные УЧПУ класса HNC позволяют ручной ввод программ в электронную память микроЭВМ с пульта УЧПУ. Программа, состоящая из достаточно большого числа кадров, легко набирается и исправляется с помощью клавиш или переключателей на пульте УЧПУ. После отладки она фиксируется до окончания обработки партии одинаковых заготовок.
Первоначально УЧПУ класса HNC, имея упрощенную схему, в ряде случаев не обладали возможностью внесения коррекций, буферной памятью, вводным устройством с перфоленты и другими элементами.
Современные УЧПУ класса HNC построены на базе лучших УЧПУ класса CNC, лишь формально отличаясь от последних отсутствием ФСУ для ввода УП с перфолент. Но УЧПУ класса HNC имеют входное устройство для подключения переносных ФСУ и других внешних устройств. Новейшие модели УЧПУ класса HNC имеют повышенный объем памяти встроенной микроЭВМ. Подобные устройства позволяют вести программирование с пульта УЧПУ в режиме диалога и при использовании большого архива стандартных подпрограмм, хранящихся в памяти встроенной микроЭВМ. Эти подпрограммы по команде с пульта вызываются на экран дисплея, на экране высвечиваются как графика (схема обработки), так и текст (перечень необходимых данных для ввода в УЧПУ по выбранной подпрограмме). УЧПУ рассмотренного вида обеспечивают также автоматический выбор инструмента из имеющихся в наличии (в магазине станка), определяют режимы обработки выбранным инструментом для деталей из различных материалов, находят оптимальную последовательность операций и т. д. В общем случае такие системы позволяют вести подготовку УП непосредственно у станка по чертежу детали без каких-либо особых предварительных работ технологического характера. Это, естественно, накладывает повышенные требования на профессиональную подготовленность оператора станка с ЧПУ. Ряд УЧПУ рассматриваемого класса позволяют вести программирование параллельно с работой станка по ранее отработанной и хранящейся в памяти УЧПУ программе, что исключает простои станков.
УЧПУ классов CNC, DNC, HNC относятся к устройствам с переменной структурой. Основные алгоритмы работы этих устройств задаются программно (или аппаратно - программно) и могут изменяться для различных условий, что позволяет уменьшить число модификаций УЧПУ, ускорить их освоение, в том числе УЧПУ с самоподнастраивающимися алгоритмами. УЧПУ этих классов имеют структуру, подобную структуре ЭВМ, и обладают характерными признаками вычислительной машины: их блоки и программируемые связи универсальны, все операции последовательно выполняются через центральное арифметическое устройство, в их состав входят оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Чтобы универсальное по назначению вычислительное устройство выполняло вполне определенные функции УЧПУ, оно должно быть соответствующим образом запрограммировано. Для этого подобные системы имеют специальное математическое обеспечение, представляющее собой комплекс алгоритмов переработки информации, поступающей в виде управляющей программы. Математическое обеспечение может вводиться в систему через устройство ввода, как и основная управляющая программа. Тогда система ЧПУ относится к классу свободно программируемых. В иных случаях математическое обеспечение закладывается в постоянную память системы на стадии ее изготовления. Однако во всех случаях существуют возможности для изменения, дополнения, обогащения этого математического обеспечения, в силу чего подобные УЧПУ обладают большой гибкостью и способностью к функциональному наращиванию. В этом несомненное преимущество таких систем перед системами, построенными по принципу цифровой модели. Недостатком систем, структурно подобных ЭВМ, является последовательный характер выполнения всех операций. Поскольку каждой оперативной команде предшествует некоторый вычислительный цикл, возникают ограничения на частоту выдачи оперативных команд, связанные с конечным быстродействием системы. По этой причине получают распространение и гибридные системы, в которых часть операций выполняется аппаратным, а часть - программным путем.
Из УЧПУ, структурно подобных ЭВМ, особенно перспективны те, которые имеют расширенную оперативную память. В определенных зонах памяти можно хранить всю УП целиком (или даже несколько программ). Это дает два важных преимущества: во-первых, появляются широкие возможности для редактирования УП; во-вторых, из процесса отработки УП исключается покадровое считывание с перфоленты, потенциально несущее в себе вероятность сбоев.
Наиболее законченное воплощение подобное направление получило в УЧПУ, располагающих микропроцессором на входе (рис. 2.22). Микропроцессорный узел обладает определенной автономией и решает задачи распределения в памяти больших массивов управляющей информации, обращения с широким набором периферийных средств, первичной переработки информации, предваряющей последующие вычисления. Управляющая программа располагается в памяти типа «для считывания и записи». Рабочие программы, обеспечивающие функционирование микропроцессорного агрегата УЧПУ, размещены в памяти типа «для считывания», которая защищена от разрушения хранимой там информации. Остальная часть УЧПУ может быть построена по типу цифровой модели или с использованием структурных компоновок ЭВМ.
Рис. 2.22. Структурная схема УЧПУ класса CNC (DNC, HNC) с микропроцессором на входе
УЧПУ (рис. 2.24) на базе одной микроЭВМ может иметь встроенные местные автономные недорогие управляющие средства - контроллеры, которые разгружают микропроцессор ЭВМ от второстепенных операций. Контроллеры представляют собой средства программируемой логики (PLC) и конструктивно выполнены из отдельных блоков - модулей. При передаче по информационному каналу инструкций от микропроцессора контроллер, имея много входов и выходов каналов управления, переходит к самостоятельному обмену информацией с фотовводом, панелью управления, периферийными средствами, приводами подач, с концевыми выключателями, элементами систем охлаждения и т. п. Например, контроллеры приводов подач осуществляют тонкую (окончательную) интерполяцию, сравнение сигналов программы и обратной связи, формирование управляющих воздействий на исполнительные регулируемые по скорости приводы, обеспечивают адаптивное управление. Контроллеры принимают сигналы от путевых датчиков, формируют отражение действительной информации на дисплее, обеспечивают функционирование систем смены инструмента, приспособлений. Отдельный контроллер может быть выделен на систему диагностики режущего инструмента, на систему контроля, на программные и станочные ограничения по пути и по скорости и т. п.
При наличии в УЧПУ контроллеров обмен информацией с ними может занимать до 10 % времени работы микропроцессора, а остальное время займут вычисления, связанные с оперативным управлением в соответствии с УП. Если же и при этом быстродействия в выдаче оперативных команд будет недоставать (например, при сложной криволинейной интерполяции), то работа УЧПУ может быть организована в режиме опережающих расчетов с записью результатов в дисковой памяти (в несколько замедленном против рабочего режима). Считывание с дисков может затем осуществляться с той скоростью, которая необходима по технологическим соображениям.
В настоящее время наметилась тенденция использовать контроллеры без базовой ЭВМ, как автономные свободно-программируемые средства управления. Обычно это применимо для управления несложным оборудованием.
УЧПУ оперативного типа имеет структурную схему, показанную на рис. 2.23. Главными элементами агрегата являются арифметический и управляющий микропроцессоры. Первый из них обеспечивает размещение и хранение в памяти вводимой с клавиатуры пульта информации, подготовку данных для интерполяции. Управляющий микропроцессор реализует стандартные циклы, согласует эти циклы с общей программой и др.
Рис. 2.23. Структурная схема УЧПУ класса CNC с формированием программы при обработке первой детали
Одним из вариантов применения микропроцессоров в системах управления станками можно считать многопроцессорные системы, состоящие из отдельных функциональных модулей. Такие системы позволят использовать простые и дешевые микропроцессоры с ограниченным математическим обеспечением. Модули должны быть унифицированы и отличаться лишь заложенным в них математическим обеспечением. Каждый модуль должен занимать не более одной печатной платы. Функции, выполняемые модулями, можно разделить следующим образом:
интерполяция;
ввод, хранение и редактирование данных; формирование программы с учетом подпрограммы, постоянных циклов и т. п.;
расчет коррекций на положение и размеры инструмента, учет погрешностей винтовых пар и датчиков, учет зазоров;
связь с датчиками и управление приводами, ручное управление и цифровая индикация;
связи и управление внешними устройствами типа алфавитно-цифрового или графического дисплея, телетайпа, перфораторов, печати и т. п.;
управление циклами электроавтоматики;
управление оборудованием, связанным со станками, например манипуляторами, средствами активного контроля и т. п.;
обработка данных, поступающих от датчиков адаптивного управления.
Модульное построение УЧПУ предопределяет широкую номенклатуру систем управления с использованием ограниченного числа функциональных модулей. Упрощаются ремонт и обслуживание систем.
Рис. 2.24. УЧПУ класса CNC с контроллерами: а - структурная схема;
Системы ЧПУ класса MPST - децентрализованные мультипроцессорные, они используют большое число (десять - двенадцать) одинаковых или почти одинаковых вычислителей, построенных на микропроцессорных наборах и отличающиеся большим объемом памяти. Составляющие систему отдельные универсальные вычислители состоят, как правило, из арифметически-логического устройства (АЛУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), сверхоперативного запоминающего устройства (СОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и блока микрокомандного управления. Системы обладают большим количеством каналов управления и могут обслуживать одновременно несколько станков при независимом составлении для них УП.
Аппаратные системы ЧПУ.
Аппаратные системы ЧПУ - устройства управления технологическим оборудованием. Работа их электронных систем основана на методе геометрических аналогий (МГА). Устройства позволяют с помощью цифровых моделей циркуля, линейки, угольника и транспортира, т. е. проблемно ориентированных геометрических процессоров, в основе которых лежат интерполяторы, реализовать любые функции современных СЧПУ. При этом снижается объем электронного оборудования в 103 - 105 раз, обеспечиваются высокое быстродействие и наивысшая точность описания траектории. СЧПУ, построенные на основе МГА, обладают при эквивалентных характеристиках существенными технологическими преимуществами. Они содержат в 103 - 105 раз меньше транзисторов и работают на более низких тактовых частотах по сравнению с системами ЧПУ классов CNC, MPST, что позволяет обойтись без многослойных печатных плат. Стоимость систем на основе МГА в три-пять раз ниже, чем систем аналогового уровня классов CNC, MPST.
Системы класса VNC.
УЧПУ класса VNC позволяют вводить информацию непосредственно голосом. Принятая информация преобразуется в УП и затем в виде графики и текста отображается на дисплее, чем обеспечивается визуальный контроль введенных данных, их корректировка и отработка. УЧПУ класса VNC пока еще не получили распространения в промышленности, но, вероятно, в ближайшем будущем будут представлены широко как наиболее совершенные конструкции, обеспечивающие сервисные возможности высочайшего уровня.
МОДЕЛИ УЧПУ
В современных станках с ЧПУ в соответствии с классами УЧПУ применяют системы различных типов (моделей).
Структура обозначения. Обозначение типа УЧПУ состоит из нескольких элементов:
буква означает тип системы: П - позиционная; Н - непрерывная (контурная); У - универсальная или контурно-позиционная;
цифра впереди букв означает модификацию системы;
первая цифра за буквой - общее число управляемых по программе координат;
вторая цифра за буквой - число одновременно управляемых координат;
третья цифра за буквой - тип привода: 1 - шаговый; 2 - следящий.
Например, рассмотрим обозначение УЧПУ типа Н221. Это значит, что система непрерывная (Н), с двумя управляемыми координатами (число 2), одновременно управляемых координат - две (число 2), система предназначена для управления приводом с шаговыми двигателями.
Характеристики моделей. Современные модели УЧПУ оцениваются рядом характеристик, определяющих наличие у системы тех или иных эксплуатационных, функциональных и сервисных возможностей. Среди основных можно назвать следующие характеристики УЧПУ как устройства управления станками.
1. Число программируемых координат, тип системы.
2. Число одновременно управляемых координат.
3. Дискретность задания координат, мм.
4. Линейная интерполяция (на плоскости).
5. Круговая интерполяция (на плоскости).
6. Объемная линейная интерполяция.
7. Винтовая интерполяция.
8. Смещение начала (нуля) отсчета (программируемое).
9. Зеркальная отработка программы.
10. Отработка программы в масштабах.
11. Коррекция размеров инструмента и элементов станка.
12. Индикация положения.
13. Индикация функций.
14. Дисплей, индикация кадра (кадров).
15. Возможность управления от ЭВМ.
16. Способ задания размеров - абсолютный.
17. Способ задания размеров - в приращениях.
18. Наличие смещения нуля с пульта системы.
19. Наличие постоянных циклов.
20. Наличие системы редактирования УП.
21. Наличие выхода на перфоратор и другой внешний носитель.
22. Способ задания перемещений функциями (параметры).
23. Ручной ввод программы.
24. Ввод программы от перфоленты, магнитной ленты, магнитного диска.
25. Максимальная скорость привода (быстрота перемещения), мм/мин.
26. Предельная скорость рабочей подачи, мм/мин.
27. Данные технологической памяти микроЭВМ.
28. Системы диагностики и самодиагностики.
29. Расширение функции языка программирования.
30. Наличие диалогового режима.
31. Возможности адекватного управления.
32. Вариантность и блочность построения системы.
33. Тип управляемого привода.
34. Защитные функции.
35. Вводы-выводы (интерфейс и др.).
36. Габаритные размеры, масса.
37. Конструктивные особенности.
38. Эргономическое решение.
Функциональные особенности моделей УЧПУ разных поколений. УЧПУ различают по поколениям (см. табл. 2.1) в зависимости от использованной элементной базы.
Устройства первого поколения выполнены на реле и элементах с низкими частотными параметрами, они характеризуются ограниченными функциональными возможностями.
Устройства второго поколения выполнены на электронных элементах с более высокими частотными характеристиками и обладают сравнительно широкими функциональными возможностями.
Устройства третьего поколения выполнены на базе интегральных элементов, они характеризуются широкими функциональными возможностями, некоторые из них приспособлены для решения специальных задач. Некоторые из этих устройств еще используются на предприятиях.
Современные УЧПУ относятся к четвертому и пятому поколениям. Их выполняют по агрегатно-блочному принципу и оснащают различными дополнительными узлами: блоками технологических команд; устройствами коррекции радиуса, длины и положения инструмента, скорости подач, скорости резания, индикации перемещений; устройствами для нарезания резьб; блоками контроля и останова как на рабочих, так и на холостых ходах и др. В связи с большим расширением технологических возможностей УЧПУ в настоящее время практически стерлась грань между контурными и позиционными видами ЧПУ и произошел переход к универсальным (контурно-позиционным) устройствам. Увеличилось число управляемых координат станка, причем взаимосвязь их в работе может быть одновременной и последовательной в любых комбинациях. Большинство современных контурных и универсальных УЧПУ позволяют осуществлять линейно-круговую интерполяцию при двухкоординатной обработке в любой плоскости и линейную - при большем числе координат.
Общая тенденция современных УЧПУ - повышение скорости переработки в них информации, вследствие чего уменьшается дискретность систем при одновременном увеличении скоростей рабочих подач и холостых перемещений. В новых УЧПУ обеспечена возможность ввода информации в абсолютных координатах и в приращениях.
Большое удобство дает применение в новых УЧПУ специальных блоков для отработки стандартных программ (циклов). Стандартные программы содержат информацию, часто повторяющуюся в общих программах. Они могут или записываться на программоносителе и затем в нужный момент неоднократно вызываться по команде, или храниться во внутренней памяти устройства. Широкое применение получила цифровая индикация положения рабочих узлов, номера кадра, номера инструмента, в том числе с применением одного общего цифрового табло (или дисплея), на которое с помощью адресного переключателя вводится требуемый параметр.
Практически в состав всех вновь создаваемых УЧПУ входит микроЭВМ, что и определяет их высокий класс.