Устройства числового программного управления

^ЛЛООБРАБОШ

станки и оборудование

УДК 621.9.06.529

Устройства числового программного управления

П. П.Серебреницкий

Ключевые слова: система числового программного управления, устройство числового программного управления, программирование

Система числового программного управления (СЧПУ) — это совокупность взаимосвязанных технических и программных средств, предназначенных для управления станком в автоматическом режиме. К техническим средствам относятся устройство числового программного управления (УЧПУ) станком, устройства подготовки управляющих программ, система датчиков обратной связи, система конечных выключателей, датчики контроля основных параметров работы станка и системы управления, устройства управления вспомогательными командами, системы размерной настройки режущего инструмента, системы контроля состояния режущего инструмента и т. д.

В общем виде структуру комплекса станка с ЧПУ можно представить в виде трех блоков: управляющая программа (УП), устройство ЧПУ (УЧПУ) и собственно станок с исполнительными устройствами автоматизации и контроля; каждый из них выполняет свою задачу. Все блоки комплекса работают в единой структуре.

Управляющая программа содержит укрупненное кодированное описание всех стадий геометрического и технологического образования изделия. Обычно УП составлена на языке данной системы управления и обеспечивает работу станка в автоматическом режиме.

Устройство числового программного управления (УЧПУ) является основным элементом системы числового программного управления (СЧПУ), определяющим работу станка в соответствии с командами УП. В УЧПУ управляющая информация транслируется в соответствии с УП, а затем используется в вычислительном цикле, результатом которого является формирование оперативных команд в реальном масштабе машинного времени станка.

Станок — основной потребитель управляющей информации, исполнительная часть, объект управления, а в конструктивном отношении — несущая конструкция, на которой смонтированы механизмы с автоматиче-

ским управлением, приспособленные к приему оперативных команд от УЧПУ, последнее является основным элементом в общей системе управления оборудованием.

Функциональность реальной системы ЧПУ (СЧПУ) определяется степенью реализации целого ряда функций управления:

• ввод и хранение системного программного обеспечения (СПО);

• ввод, хранение УП и реализация исходной информации;

• интерпретация кадра;

• интерполяция;

• управление приводами подач;

• управление приводом главного движения;

• логическое управление;

• коррекция на размеры;

• реализация циклов;

• смена инструмента;

• коррекция погрешностей механических и измерительных устройств;

• адаптивное управление обработкой;

• накопление статистической информации;

• автоматический встроенный контроль;

• дополнительные функции.

В состав дополнительных функций входят:

• обмен информацией с ПК верхнего уровня;

• оптимизация отдельных режимов и циклов технологического процесса;

• согласованное управление оборудованием технологического модуля;

• управление элементами автоматической транспортно-складской системы;

• управление внешними устройствами;

• связь с оператором;

• техническая диагностика технологического оборудования и самой системы ЧПУ и др.

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.

станки и оборудование

В соответствии с международной классификацией все УЧПУ делятся на следующие основные классы по уровню технических возможностей:

• NC (Numerical Control);

• SNC (Stored Numerical Control);

• CNC (Computer Numerical Control);

• DNC (Direct Numerical Control);

• HNC (Handled Numerical Control);

• VNC (Vorce Numerical Control);

• NEURO-Fuzzy системы управления.

Все современные УЧПУ имеют класс не ниже

CNC, то есть в основе устройства имеется мощный ПК. УЧПУ классов CNC, DNC, HNC относятся к устройствам с переменной структурой. Основные алгоритмы их работы задаются программно (или аппаратно-программно) и могут быть изменены для различных условий, что позволяет уменьшить число модификаций УЧПУ, ускорить их освоение, в том числе выпускать модели УЧПУ с само-поднастраивающимися алгоритмами. УЧПУ этих классов имеют структуру ПК и обладают характерными признаками вычислительной машины.

УЧПУ должно быть соответствующим образом запрограммировано для работы, то есть иметь специальное программно-математическое обеспечение (ПМО), представляющее собой комплекс алгоритмов переработки информации, поступающей в виде УП. Математическое обеспечение может быть введено в систему через устройство ввода, как и основная УП. Таким образом, система ЧПУ относится к классу свободно программируемых. В иных случаях математическое обеспечение закладывается в постоянную память системы на стадии ее изготовления. Однако существуют возможности изменить, дополнить, усовершенствовать это математическое обеспечение, в силу чего подобные УЧПУ обладают большой гибкостью и способностью к функциональному наращиванию.

УЧПУ рассматриваются не только как составная часть поставляемого оборудования, но и как устройство, используемое при модернизации уже эксплуатируемых станков. Существует достаточно много моделей УЧПУ [1, 4], их выпускают отечественные и зарубежные фирмы. От уровня модели и ряда ее характеристик зависят многие технологические параметры оборудования, управляемого данным УЧПУ. В общем случае для УЧПУ имеют значение следующие данные:

• количество одновременно управляемых осей;

• количество цифровых входов/выходов;

• обеспечиваемая дискретность приводов подач;

• объемы оперативной памяти и памяти жесткого диска базового компьютера ЧПУ;

• интерфейс обмена;

• характер и схемы компенсаций погрешностей;

• виды и схемы коррекций;

• функции интерполяции;

• графический интерфейс;

• функции «Просмотр кадров вперед», «Управление разгоном — торможением»;

• дополнительные технологические программы и подпрограммы;

• измерительные циклы и др.

Выбор УЧПУ и оценка его характеристик определяется рядом факторов, к числу которых относятся:

• тип и назначение станка;

• характер и вид выполняемых работ;

• точностные характеристики принятого станка;

• вид производства;

• возможности предприятия и т. д.

В настоящее время в характеристиках УЧПУ часто выделяют две характеристики: возможность использовать его для управления высокоскоростной обработкой (ВСО) и соответствующим оборудованием, а также принятую схему подготовки управляющих программ. Основный принципы ВСО: малое сечение среза, снимаемого с высокой скоростью резания, высокие частоты вращения шпинделя и высокая минутная подача [2].

Для достижения требуемой точности обработки, особенно финишной, требуются частые проходы инструмента с небольшим шагом. Следовательно, программируемые траектории инструмента являются сложными, многоточечными, представлены в управляющих программах большим количеством кадров. Особенно это заметно при программировании обработки трехмерных изделий сложного контура, когда управляющая программа должна неразрывно связывать согласованные перемещения элементов станка по трем, четырем и даже по пяти координатам с шагом 0,01... 0,02 мм.

Требование к неразрывности подачи управляющих сигналов от системы ЧПУ к приводам, обеспечивающих еще и большие скорости рабочих подач, приводит к тому, что у высокоскоростных станков данные должны передаваться от УЧПУ к приводам с большими скоростями и в значительно больших объемах, чем при стандартной обработке на обычных станках с ЧПУ.

Поскольку у существующих станков с ЧПУ имеются ограничения по скорости обработки (передачи) кадра управляющей программы и передачи сигнала управления к приводу,

то при ВСО возможны ограничения по подаче, то есть УЧПУ может непрерывно управлять приводами лишь до определенной скорости их перемещения. Максимальную подачу Fmax, которую способна обеспечить конкретная система ЧПУ, можно определить по формуле: Fmax = L/t, где L — длина перемещения в кадре, мм; t — время обработки кадра, с. Из приведенного отношения следует, что при перемещениях 0,01 мм и времени обработки кадра 2 мс максимальная подача ограничена значением 0,3 м/мин.

Таким образом, при организации ВСО следует определять УЧПУ выбираемого станка с учетом трех факторов, связанных с его системой управления.

• Для обеспечения непрерывного движения инструмента нужны высокие скорости обработки данных (не менее 200 блоков в минуту) у УЧПУ.

• Система ЧПУ должна просматривать данные как минимум на 150... 200 блоков вперед, чтобы вычислять изменения величины подачи при подходе инструмента к острым углам (или другим подобным препятствиям) и отходе от них.

• Для повышения качества поверхности и снижения нагрузок на инструмент необходимо, чтобы закон изменения величины подачи имел плавный, колоколообразный вид, поскольку причиной снижения качественных характеристик процесса являются слишком резкие ускорения при движениях по траекториям с углами.

Так, если рассмотреть характер обычной линейной интерполяции, то видно, что после каждого шага интерполяции приводы по осям подач попеременно прекращают движение рабочего элемента. В связи с этим обязательным условием программирования ВСО является использование NURBS интерполяций как в процессе создания УП, так и в процессе реализации NURBS конкретной системой ЧПУ.

Использование 3D электронных моделей обрабатываемых деталей — наиболее современный метод подготовки УП, где 3Б-мо-дели есть программный продукт CAD/CAM-систем. Здесь можно выделить две основные схемы. В первой из них, которая стала уже традиционной, созданная на ПК электронная модель детали обрабатывается САМ-модулем. Этот модуль позволяет выбрать инструмент (инструменты), задать схемы удаления припуска, установить для заданного инструмента траектории его движения, ввести режимы обработки, выполнить массу расчетов координат различных точек по траектории движения

инструмента и т. д. Созданную таким образом компьютерную УП можно визуализировать, то есть посмотреть запрограммированную обработку на мониторе ПК в виде своеобразного технического мультфильма. Естественно, по результатам просмотра программу можно отредактировать. Однако созданную таким образом программу нельзя сразу отправить в систему ЧПУ станка. Поэтому обязательно следует использовать согласующую программу (постпроцессор), которая переводит компьютерную САМ-программу в машинные коды, то есть в УП данного станка (УЧПУ). Для любой САМ-системы обычно предусмотрено несколько десятков постпроцессоров (для различных моделей УЧПУ), которые и обеспечивают перевод общей САМ-программы (для заданной детали) по мере надобности в УП для станков с различными моделями УЧПУ.

Применение постпроцессоров как этапа в производственном процессе, естественно, увеличивает стоимость и время разработки станочных УП, в какой-то мере ухудшает качество программы управления станком и, следовательно, приводит к ухудшению качества изготавливаемых деталей.

Электронная 3D-модель обрабатываемой детали как программа для станка — новейшая схема САМ-программирования. Она позволяет исключить этап использования постпроцессоров при подготовке УП для станков, таким образом устанавливается определенный стандарт для станкостроения. Однако новая схема требует применения новых моделей УЧПУ для управления станками, позволяющих вести такое программирование [3].

Компьютерные УЧПУ к этим станкам содержат программное обеспечение, включающее в себя 3Б САБ/САМ-систему, систему автопрограммирования и систему автотехнолога. Комбинация технологии и программного обеспечения позволяет УЧПУ напрямую использовать геометрическое определение детали как программу и исключает этап постпроцессора в цикле работ по подготовке станочных УП [3, 5-7].

Модель в 3Б-формате может быть создана непосредственно в УЧПУ либо введена извне практически из любой САБ/САМ-системы. Для того чтобы станок работал в автоматическом режиме, после ввода 3Б-модели нужно задать (в режиме диалога) лишь некоторые исходные данные по материалу заготовки и инструмента, по требуемой шероховатости и т. п. Система может интерполировать реально заданный профиль детали, управлять ускорением, точно регулировать скорость

МП^ППООБ^^Ш

станки и оборудование

Устройства числового программного управления отечественного и зарубежного производства

Фирма Модель URL

«АВТОМАТИКА плюс», ООО (Россия) Auto-PNC — программируемый логический контроллер с возможностями ЧПУ www.automatikaplus.ru

«Балт-Систем», ООО (Россия) NC-110, NC-201M, NC-202, NC-210, NC-220, NC-230, NC-310 www.bsystem.ru

«Джест», ООО (Россия) JNC-T01 www.jnc.ru

«Ижпрэст», ООО (Россия) «Маяк-600(E)», «Маяк-610», «Маяк-621», «Маяк-622Е» www.izhprest.udm.ru

«Контур», ПО (Россия) 2С42-65-16, 2С42-65М-02, 2Р22, 2Р22М-01 www.contur.ru

«Криста», НПО (Россия) КРТ4-00 www.krista.ru

МГТУ «СТАНКИН», (Россия) WinPCNC www.ncsystems.ru

«Микрос», ЗАО (Россия) Микрос-12Т, Микрос-12ТС1, Микрос-12Ф, Микрос-10 www.mikros.ru

«Модмаш-Софт», ООО (Россия) FMS-3000/3100, FMS-3200 серий Standart, Comfort и Light www.modmash.nnov.ru

«НПО "Рубикон-Инновация"», ООО (Россия) «Феникс» www.rubicon-i.ru

«НПП "Модель"», ООО (Россия) NC 3.5G, NC 2000, NC 2T www.model.nn.ru

«Савма», ОАО (Россия) Flex NC www.s-m-z.ru

«Сарапульский радиозавод», ОАО (Россия) САР-3000 —

«Станкоцентр», ООО (Россия) Integral www.stankocentr.ru

«ЭНИМС», ОАО (Россия) ПАС Э 2000 CNC, рабочая станция оператора www.enims.ru

«4С», ЗАО (Россия) 4CK с модификациями «4С» Микро FF, «4С» Мини FF, «4С» Сх3 FF www.zao4c.ru

«DGT ЭЛГЕС», ООО (Россия) Серия моделей ДГТ: ДГТ-735, ДГТ-735Л (Ф), ДГТ-735Т, ДГТ-735П www.mirprom.ru

«МШАК», АОЗТ (Армения) MSHAK-CNC www.mshak.am

«НПФ "Вест Лабс Лтд"», ООО (Украина) WL5M, WL4T, WL4M, WL3M, WL3i, WL3Mi, WLST1 www.wl.ua

Bosch Rexroth AG (Германия) Bosch CNC Alpha 2, Bosch CNC Alpha 3, Bosch Micro 5, Bosch Micro 8, Bosch CC 100, Bosch CC 200, Bosch CC 300, Bosch CC 320 www.boschexroth .com

ELB-Schliff Werkzeugmaschinen GmbH (Германия) ^стема ELB: ELB BC 12 Unicon, ELB Perfect BD 10 Unicon и др. www.elb-schliff.de

Fagor Automation S. Corp. (Испания) Fagor 8070 CNC, Fagor 8055/8055i CNC, Fagor 101/102 CNC www.fagorautomation. mcc.es

Fidia S.p.A. (Италия) F1, M10, C10, 11, C20, M20, M30 www.fidia.it

GE Fanuc Automation (Япония) Series 0i/0i Mate, Series 30i/31i/32i, Series 16i/18i/21i, Series 20i www.fanuc.co.jp

Heidehain GmbH (Германия) iTNC 530, TNC 620, TNC 320, TNC 124, iTNC Programming Station www.heidenhain.de

Mitsubishi Electric Corp. (Япония) CNC M700V Series, CNC M70 Series, CNC C70 Series, CNC 60S Series, CNC E60/E68 и др. www.mitsubishielectric. co.jp

NUM Group (Франция) NUM700, NUM 750, NUM 760, NUM 800, NUM 1060 www.num.fr

Okuma Corp. (Япония) Модельный ряд OSP: 0SP-U100M, OSP 500L, OSP 700L(M) / 7000L(M) Series и др. www.okuma.com

Siemens (Германия) Cерия Sinumerik 802, серия Sinumerik 810, серия Sinumerik 840Di www.siemens.ru, www.sinumerik.ru

Sodick Co. Ltd. (Япония) КЧПУ-генераторы LQ1W, LQ10W, LQ1, LQ10 www.sodick.ru

Traub Drehmaschinen GmbH & Co. KG (Германия) TRAUB TX 8H - A control, TX8i Serie и др. www.index-werke.de/ traub

Olivetti (Италия) CNC 600, CNC H 645, CNC H 646, MC 8600 CNC www.olivetti.com

обработки, толщину снимаемого материала, стабилизировать усилия на инструмент при обработке и др. Адаптация к режимам резания позволяет увеличить точность и сократить износ инструмента, улучшить качество обрабатываемой поверхности. При этом уменьшается стоимость обслуживания оборудования и процессов подготовки УП, резко сокращается объем и оптимизируется сама УП, уменьшается время обработки.

Большое количество моделей УЧПУ, выпускаемых разными фирмами, требует внимательного изучения при выборе конкретного варианта для использования на практике. Естественно, при прочих равных характеристиках важнейшими факторами являются цена и гарантии стабильности работы, последние могут быть определяющими.

В приведенной выше таблице приведена краткая информация о моделях УЧПУ, представленных на российском рынке. Данные конкретных моделей УЧПУ можно найти на сайтах фирм-производителей.

Литература

1. Серебреницкий П. П., Схиртладзе А. Г. Программирование автоматизированного оборудования: Учеб. для вузов. В 2 ч. М.: Дрофа, 2008. Ч. 1. 572 с.; ч. 2. 302 с.

2. Серебреницкий П. П. Краткий справочник технолога-машиностроителя. СПб.: Политехника, 2007. 952 с.

3. Лежепеков А. Б. Электроэрозионные технологии будущего из Японии: Информ. материалы. М.: Технический центр фирмы Sodick, 2008. 82 с. URL: http://www.sodick.ru.

4. Рубикон — каталоги, справочники, станки металлорежущие, оборудование... М.: ООО «Рубикон», 2008. URL: http://www.catalog.udm.ru.

5. Котов С. О. Обзор рынка САПР и информационных ресурсов сети Интернет. Томск: ТГПУ, 2008. URL: http://www.tomskcad.city.tomsk.net/htm.

6. Каталог интернет-системы CAD/CAM/САЕ/ GIS. URL: http://www.cad.dp.ua/stats/cads.html.

7. Шестопалов А. В. Зарубежные и отечественные CAD/CAM/CAE/PDM системы. Информ. мат-лы. Одесса: Одесск. гос. политехн. ун-т, 2007. URL: http://www.sapr.km.ru.

pe5dupce

ООО «РеСоурс»

Санкт-Петербург, ул.Курчатова, д.10 Тел.: +7 (812) 633 0882, 633 0052 Факс: +7 (812) 633 0809, 633 0053 E-mail: office@resource.com.ru www.resource.com.ru

Весь арсенал сварщика!

Производство оборудования для газовой сварки и резки. Комплексные поставки газосварочного и электросварочного оборудования российских и зарубежных изготовителей.

• современные технические решения

• серийное и индивидуальное производство

• широкий ассортимент и заводские цены

• обширная сбытовая сеть в России и СНГ

4R4»

ЗАО «Торговый дом «КРАСС» +7 (812) 323-86-39 +7 (495) 746-26-99 www.krasstd.ru

№ 5 (53)/2009

51