1. Классификация устройств программного управления

Устройства программного управления (ПУ) технологическим оборудованием (ТО) можно подразделить на два основных класса (рис. 1.1.): с цикловым управлением (программно-путевым управлением) и числовым программным управлением (ЧПУ).

Устройство циклового ПУ (УЦПУ) характеризуется полным или частичным программированием цикла работы ТО и режима обработки. Перемещение исполнительных элементов регулируется расстановкой передвижных упоров. УЦПУ является переходной от устройства управления с помощью упоров к устройству ЧПУ. Станки с УЦПУ отличаются простой системой управления. Они не требуют высококвалифицированного обслуживающего персонала, обладают большей производительностью, чем универсальные станки. Однако они имеют меньшие технологические возможности, чем станки с УЧПУ. Для их переналадки на новый вид деталей затрачивается большее время, чем для станков с УЧПУ. Это время складывается из времени задания новой программы, времени размерной настройки кулачков и путевых переключателей, поэтому их разумно использовать при обработке простых деталей с длительностью обработки партий не менее смены. Примеры станков с УЦПУ - токарно-револьверный 1А341Ц, вертикально - фрезерный 6530Ц и другие.

Конечные выключатели в устройствах циклового ПУ являются датчиками линейных перемещений, и определяют размеры обрабатываемых поверхностей. Порядок включения в работу исполнительных механизмов станка определяет командоаппарат (программное устройство). Команды в УЦПУ могут быть технологические или размерные.

Рис. 1.1. Классификация устройств программного управления

Под УЧПУ ТО понимается совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для осуществления ЧПУ. Устройство ЧПУ характеризуется программированием цикла, режимов обработки и путей перемещения рабочих органов станка. При этом вся необходимая информация по выполнению технологического процесса записывается на программоноситель или в память УЧПУ.

Устройства ЧПУ можно классифицировать по следующим трем признакам:

• по степени совершенства и функциональным возможностям;

• по виду движения исполнительных механизмов ТО, определяемого геометрической информацией в программе;

• по числу потоков информации.

По степени совершенства и функциональным возможностям устройства ЧПУ делятся на следующие типы:

NC (Numerical Control) - УЧПУ для обработки изделий на станке по программе. Эти устройства выполнены по «жесткой логике», т.е. все задачи в данных УЧПУ (терминальная, геометрическая, логическая, технологическая и диагностическая) решаются на аппаратном уровне. Устройства изготавливались на основе дискретных элементов и микросхемах малой и средней степени интеграции. Ввод и отработка программы в них, как правило, осуществляется по кадрам с перфоленты. В контурных УЧПУ типа NC основным элементом является интерполятор, который обеспечивает обработку криволинейных поверхностей.

SNC (Speicher NC) или МNC (Memory NC) - разновидность устройств ЧПУ, имеющих память для хранения всей управляющей программы. Отличается от УЧПУ типа NC наличием электронного блока памяти. Так как из управления технологическим процессом исключается перфолента надёжность таких УЧПУ существенно выше.

HNC (Hand NC) - разновидность устройств ЧПУ с ручным заданием программы с пульта устройства. В отечественной литературе эти системы получили название оперативных систем управления (ОСУ). Данные УЧПУ ориентированы на специальное ТО, имеющее необходимые органы ручного управления. К таким органам управления относятся задатчики перемещения (штурвалы), в качестве которых обычно используются фотоэлектрические импульсные преобразователи.

CNC (Computer NC) - автономное устройство ЧПУ технологическим оборудованием, содержащее управляющую ЭВМ или МП-модуль. Все задачи в данных УЧПУ решаются на программном уровне при необходимой аппаратной поддержке.

DNC (Direct NC) - система для управления группой ТО от ЭВМ, осуществляющая хранение программ и распределение их по запросам от локальных устройств управления станками ( устройства типа NC, SNC, CNC).

PCNC (Personal computer numerical control) – устройство числового программного управления на базе промышленного компьютера (одного или двух) и контроллеров. Терминальная и диагностическая задачи в данных УЧПУ решаются компьютером, а геометрическая, логическая и технологическая - промышленными компьютерами или контроллерами.

На рис.1.1. приведены некоторые типы промышленных устройств ЧПУ.

По виду движения исполнительных механизмов ТО, определяемого геометрической информацией в программе, УЧПУ подразделяются на устройства позиционного, контурного, комбинированного управления.

Позиционное устройство ЧПУ - это устройство, обеспечивающее установку рабочего органа станка, в позицию, заданную программой управления ТО (рис. 1.2 а), без обработки траектории в процессе перемещения рабочего органа. Скорости перемещения по координатам в позиционных УЧПУ независимы, т.е. задаются по каждой координате. В зависимости от этого возможны различные траектории движения. В примере на рисунке перемещение из точки А в точку В можно осуществить по траекториям: АСВ, ADB, AEB и AB и др. При задании одной скорости она действует для всех координат (V_X=V_Y рис. 1.2 а). Данные устройства ЧПУ применяются в основном для управления станками сверлильно-расточной группы.

Позиционные УЧПУ могут использоваться для отработки криволинейных траекторий (рис. 1.2 б). В этом случае непрерывная кривая заменяется участками прямых AB=BC=CD=DE=EF. Для каждого участка ломаной кривой составляется кадр управляющей программы, в котором указываются скорости перемещения по каждой координате (например, V_XAB, V_YAB). Чем больше промежуточных точек на траектории, тем точнее она будет отработана. Погрешность отработки траектории Δ равна разности между касательной к теоретической непрерывной траектории и соответствующим участком действительной ломаной кривой. Погрешность на разных участках кривой может быть различной.

Рис. 1.2. Отработка траекторий с использованием позиционного УЧПУ

Контурное устройство ЧПУ представляет собой устройство, которое обеспечивает автоматическое перемещение рабочего органа станка по заданной в программе управления станка траектории и с контурной скоростью (V_ИНТ). Для отработки криволинейной траектории, например дуги окружности AD (рис. 1.3), в УЧПУ задаётся скорость интерполяции V_ИНТ (круговая, винтовая, сплайновая интерполяция), которая одинакова на всей траектории и направлена по касательной к кривой в каждой точке траектории. На основе V_ИНТ с учётом соответствующей оценочной функции в каждой точке траектории рассчитываются скорости по каждой координате V_X и V_Y. Данные значения скорости преобразуются УЧПУ в сигналы задания для следящих приводов координат. Таким образом, основной особенностью контурных устройств является наличие в каждый отдельный момент времени функциональной зависимости между скоростями перемещения по координатным осям. Контурные устройства по сравнению с позиционными отличаются большей сложностью и стоимостью.

К омбинированное устройство ЧПУ имеет в своём наборе команды контурной и позиционной обработки, и используется в основном для управления многооперационными станками (обрабатывающими центрами).

Автоматизированная система централизованного управления - это комплекс металлорежущего оборудования с УЧПУ, связанный единой автоматизированной транспортно-накопительной (транспортно-складской) системой и управляемый от ЭВМ верхнего уровня (ACB-20, ACB-21).

По числу потоков информации устройства ЧПУ подразделяются на разомкнутые, замкнутые и самонастраивающиеся (адаптивные).

Разомкнутые устройства ЧПУ (рис. 1.4) (называемые также импульсно-шаговыми) характеризуются только одним прямым потоком информации, направляемым от программы управления к рабочему органу станка. Перемещения рабочего органа станка при этом не контролируются. Разомкнутые УЧПУ строят на основе применения силовых или несиловых шаговых двигателей. Достоинствами таких устройств являются: отсутствие цепей обратных связей, простота конструкции, наличие надежных и быстроходных шаговых двигателей. Но для высокой точности обработки изделий требуют точных передач винт-гайка качения.

Рис. 1.4. Схема разомкнутого устройства ЧПУ

Замкнутые устройства ЧПУ характеризуются двумя потоками информации: один поток поступает от программы управления, а второй - от датчиков обратной связи, характеризующих внутреннее состояние объекта управления. Эти устройства по сравнению с разомкнутыми обеспечивают более высокую точность обработки, но являются более сложными и дорогими.

Схема замкнутого устройства ЧПУ представлена на рис. 1.5.

Сигналы управления от УЧПУ, характеризующие требуемое положение рабочего органа, поступают на формирователь сигнала управления (ФСУ). Сюда же поступает сигнал от измерительного преобразователя (ИП, обратная связь по положению (ОСП)), который характеризует действительное положение рабочего органа (РО). Формирователь сигнала управления определяет сигнал рассогласования и выдает его на управляющее устройство (УУ). Сюда же поступает сигнал обратной связи по скорости (ОСС) от тахогенератора (ТГ), установленного на валу электродвигателя (М). Сигнал УУ поступает на тиристорный преобразователь (ТП), который управляет электродвигателем постоянного тока М.

Замкнутое УЧПУ характеризуется двумя потоками информации прямым и обратным. Обратные потоки в замкнутых УЧПУ формируются измерительными преобразователями и характеризуют внутреннее состояние ТО при выполнении им технологического процесса.

В микропроцессорных УЧПУ сигнал задания скорости перемещения по координате (прямой поток) рассчитывается вычислителем и выдаётся через модуль приводов в УУ. Замыкание обратной связи по положению (обратный поток) обеспечивается модулями измерительных преобразователей.

Рис. 1.5. Схема замкнутого устройства ЧПУ

Самонастраивающиеся устройства (адаптивные) могут приспосабливаться к изменению внешних условий и являются наиболее прогрессивными. Они имеют помимо основных дополнительные обратные потоки информации, позволяющие корректировать процесс обработки с учетом деформации системы СПИД (станок - приспособление - инструмент-деталь) и ряда случайных факторов, таких, как затупление режущего инструмента, колебание припуска и твердости заготовки и др.

На рис. 1.6. приведена схема адаптивного устройства управления фрезерного станка по одной из координат. Задача адаптивного устройства состоит в стабилизации силы резания Р посредством регулирования подачи по данной координате.

Адаптивное устройство состоит из динамометрического стола ДС, измеряющего силу резания Р_р, блока адаптации, рассчитывающего сигнал рассогласования Р, который равен разности между заданной силой резания Р_з и действительной Р=Р_з-Р_р. Сигнал рассогласования Р поступает в вычислитель и учитывается при расчёте задания на перемещение по координате.

В микропроцессорных УЧПУ обратная связь адаптивного управления замыкается через модули адаптивного управления (модули АЦП). Функции блока адаптации программно выполняет вычислитель.

Рис. 1.6. Схема адаптивного устройства ЧПУ