книги из ГПНТБ / Маталин, А. А. Многооперационные станки

ческих операций, что определяет тесную связь элементной базы систем с существующим уровнем электронно-вычислительной техники.

Отечественные системы программного управления использу­ ют в качестве элементной базы логические блоки агрегатной системы вычислительной техники АСВТ, предназначенные для построения логических схем цифровых вычислительных машин и устройств дискретной автоматики. Учитывая высокие требова­ ния, предъявляемые к системе программного управления станков по надежности, габаритам, стойкости, в ближайшие годы дол­ жен быть осуществлен перевод систем на интегральные схемы. Большинство зарубежных систем программного управления также построено на интегральных схемах.

К основным достоинствам интегральных схем относятся су­ щественно более высокая надежность, сочетание большого объ­ ема логических функций в малом объеме, что позволяет значи­ тельно уменьшить габариты при расширении технологических возможностей, низкая стоимость и технологичность использо­ вания.

Следует отметить, что для оперативного ввода информации все шире используется клавиатура вместо переключателей.

§ 2. СТРУКТУРА СИСТЕМ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Одним из основных признаков, определяющих структуру си­ стемы программного управления, является число потоков ин­ формации в системе. Первый вид систем программного управле­ ния составляют незамкнутые системы. Характерной особенностью этих систем является наличие только одного потока информации, направленного от устройства, считывающего программы, к ис­ полнительному устройству (рис. 69).

При вводе программоносителя в считывающее устройство, на выходе последнего появляются командные сигналы. После не-

Рис. 69. Блок-схема незамкнутой системы ЧПУ:

186

Рис. 70. Блок-схема замкнутой системы ЧПУ:

обходимых преобразований электронный блок управляет шаго­ вым приводом и исполнительным устройством, которое переме­ щает рабочий орган станка в заданное положение. Соответствие действительного перемещения заданному при этом не контроли­ руется. Примером подобных систем могут служить широко рас­ пространенные системы, использующие в качестве привода подач рабочих органов станка шаговые двигатели или шаговые двига­ тели с гидроусилителями. Схема, изображенная на рис. 69, реа­ лизована на серийно выпускаемых отечественных фрезерных станках мод. 6Н13-ГЭ2, изготовляемых Горьковским заводом фрезерных станков, а также на станках иностранных фирм, ис­ пользующих системы программного управления типа «Sinumr- rik-520» фирмы Siemens (ФРГ) и др.

Второй вид образуют замкнутые системы программного уп­ равления с датчиками обратной связи (рис. 70). Их отличитель­ ная черта — наличие двух потоков информации: одного от счи­ тывающего устройства, второго — от датчика действительного перемещения или положения рабочего органа. При считывании программы на выходе считывающего устройства появляются ко­ мандные сигналы. После необходимых преобразований блок согласования направляет соответствующий сигнал в сравниваю­ щее устройство замкнутой системы. Замкнутая система состоит из сравнивающего устройства, в которое поступают задающие сигналы и сигналы обратной связи, дешифратора и усилителя, исполнительного двигателя и датчика обратной связи. Роль дат­ чика заключается в том, чтобы измерить действительное переме­ щение или положение рабочих органов и преобразовать его

187

в соответствующие сигналы обратной связи. В сравнивающем устройстве сигналы обратной связи, характеризующие действи­ тельное перемещение, сопоставляются с сигналами, соответству­ ющими заданию программы. При наличии рассогласования меж­ ду ними на выходе сравнивающего устройства появляется сиг­ нал, который после преобразования его, например, в напряжение и усиления поступает к двигателю и исполнительному устройст­ ву. Последнее перемещает рабочий орган станка в нужном направлении. Как только величина действительного перемеще­ ния станет равной величине заданного перемещения (рассогла­ сование равно нулю), сигнал на выходе сравнивающего устрой­ ства исчезнет и движение прекращается.

Наиболее распространены замкнутые системы программного управления М552 и П332, изготовляемые отечественными завода­ ми, и серия систем типа «Размер-2М». Такую же структуру имеют системы программного управления фирмы AEG Siemens

формации. Их действие основано на дополнительном измерении какого-либо параметра обработки детали (например, сил реза­ ния). Полученная информация (третий поток) используется для корректирования процесса обработки при отклонении измеряе­ мого параметра от заранее установленных границ (например,

сцелью поддержания максимальных режимов резания).

§3. СИСТЕМА ПОЗИЦИОННОГО ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Позиционным управлением называют управление, позволяю­ щее осуществлять перемещение исполнительных органов станка от одной точки к другой по заданным координатам, где будет происходить обработка. Это управление применяется в расточ­ ных и сверлильных станках. Разновидностью позиционного управления является линейное (прямоугольное) управление, при котором обработка происходит только по траекториям, парал­ лельным направляющим станка. Такое управление имеет место на токарных станках для обработки ступенчатых валиков или на фрезерных станках для обработки заготовок с прямоуголь­ ными контурами.

Позиционные системы, применяемые в многооперационных станках расточно-сверлильно-фрезерной группы, позволяют про­ изводить как позиционирование, так и фрезерование параллель­ но направляющим. Эти системы имеют до пяти управляемых по программе перемещений с одновременным управлением двумя перемещениями, например стола и салазок (крестового стола). Поскольку траектория движения крестового стола при позицио­

188

нировании может быть произвольной, то стол и салазки движутся одновременно, причем скорости перемещений не связаны функ­ циональной зависимостью.

Так как при обработке деталей затраты времени на переме­ щение стола для установки в рабочее положение составляют су­ щественную часть вспомогательного времени, желательно осу­ ществлять установочные перемещения с возможно большей скоростью и минимальной затратой времени на остановку. Сохра­ нение высокой скорости вплоть до прихода стола в конечное по­ ложение нецелесообразно, так как возникающие в результате этого при выключении подачи силы инерции могут привести к перебегу стола далеко за требуемое положение или к созданию нежелательных напряжений в цепи подачи. В связи с этим необ­ ходимо обеспечить замедление скорости перемещения стола пе­ ред его остановкой. У большинства систем рассматриваемого типа предусматривается ступенчатое снижение скорости переме­ щения стола: быстрое перемещение на большей части пути и медленное (для точной установки) на оставшемся участке, пред­ шествующем достижению столов конечного положения. Большей частью переход от большой скорости к медленной производится не сразу, а постепенно — с двух-трех и даже четырехступенчатым снижением скорости перемещения. Скорость ускоренного хода ограничивается необходимостью обеспечить минимальный износ трущихся поверхностей соответствующих элементов станка, но непрерывно возрастает и в современных станках достигает

4000—10 000 мм/мин.

Скорость точного перемещения выбирается исходя из усло­ вия возможности мгновенного прекращения движения станка после прихода в требуемое положение, с обеспечением необходи­ мой точности остановки. В выполненных конструкциях станков с позиционным программным управлением скорость этого пере­ мещения составляет 0,2—3 мм/мин и определяется точностными и динамическими характеристиками станка и привода.

Получение различной скорости при ускоренном и установоч­ ном перемещениях достигается различными способами. Большей частью в этих целях система позиционного управления имеет регулируемый привод с большим диапазоном регулирования ско­ рости (до 2000—5000) в сторону уменьшения от номинальной. Иногда применяются два двигателя: один — основной для осу­ ществления быстрых перемещений и другой (большей частью постоянного тока и, реже, переменного тока или шаговый) для осуществления установочного перемещения.

В зависимости от требуемой точности позиционирования при­ меняются различные методы остановки стола в рабочее положе­ ние. Если точность остановки стола не имеет значения, например, при фрезеровании с выходом фразы за плоскость детали, приме­ няется торможение со скорости холостого перемещения до пол­ ного останова без промежуточных ступеней (рис. 71, а) с недо-

189

бегом либо перебегом. С применением ступенчатого торможения точность позиционирования повышается и приближается к ве­ личине одно-двух дискрет отсчета отсчетно-измерительной систе­ мы (рис. 71,6).

Для исключения влияния люфтов, натяга ходового винта и перекоса стола в направляющих на точность позиционирования стола и для получения более высокой точности позиционирова­ ния подвод стола к заданной координате производят всегда с одной стороны. При движении в противоположном направле­ нии стол на ускоренном ходу или большой подаче проходит за­

стола не было нарушено действием сил резания, на многих стан­ ках предусмотрен зажим стола в рабочей позиции. Для снятия напряжений кинематической цепи, приводящих к смещению ис­ полнительного органа после его остановки, применяются различ­ ные способы. К ним относятся реверс привода подачи на величи­ ну, соответствующую внутренним напряжениям и равную части люфта, освобождение опор силовых элементов привода или ос­ циллирующая составляющая в подаче.

190

Рис. 72. Блок-схема позиционного ЧПУ:

куда относятся узлы обслуживания и контроля, устройство счи­ тывания с перфоленты и приборы ручного ввода данных (напри­ мер, величины коррекции); центральный блок управления и памяти БУ; координатный блок К, в который входят все функ­

191

циональные элементы, непосредственно воздействующие на пе­ ремещение по осям координат станка. Обмен информацией между системой управления и станком осуществляется через блок УП.

Использование технических данных и функций станка требу­ ет в большинстве случаев расшифровки и промежуточного хра­ нения данных. Блок УП имеет существенно больше связей с си­ стемой ЧПУ, чем со станком. Все функции управления (рис. 72), связанные с координатными перемещениями (направление дви­ жения, включения привода подач и блокирование), перерабаты­ вают элементы 15, 16, 17, 18 и 19. Команды от пульта управления станка передаются через промежуточную схему 19 на управляю­ щее устройство 30 и выдаются оттуда или из памяти на станок. Элемент 20 соединяется с силовой сетью станка и управляет главным приводом.

Блок В составляется как стандартная конструкция из трех четко определенных групп: считывателя 40, узлов контроля и обслуживания 38 и узла коррекции или размера инструмента 39.

Узлы контроля и обслуживания в системах ЧПУ имеют сле­ дующие функции и особенности: а) пуск-останов станка; б) вы­ бор режимов работы; в) выбор координат и адресов; г) вид уп­ равления считывателем; д) зеркальная обработка; е) компенса­ ция положения начала координат; ж) информация о смене инструмента; з) нормализация элементов управления; и) ввод данных для позиционирования, причем информационный блок может быть расширен для ручного ввода; к) индикация значения

.координат, номера кадра программы, инструмента и т. д. Важнейшие задачи центрального управляющего блока БУ:

а) передача, запоминание и расшифровка информации из вход­ ных устройств; б) обработка и распределение данных; в) коор­ динация и наблюдение за согласованностью работы всех прочих функциональных групп; г) выдача и индикация данных на пуль­ те управления.

Блок программного управления 31 координирует переработ­ ку информации и распределение ее во всей системе, связывая почти все функциональные группы. От блока управления посту­ пают решающие сигналы: выбор вида обработки, координаты, а также сигналы о желаемом ходе программы. Состояние про­ цесса обработки от станка через блок УП и блок управления станком 30 поступает в блок программного управления 31. Туда же от блока считывания передается информация о наиболее важных программных функциях перфоленты (начало и конец программы, компенсация положения начала координат), а так­ же о функциях, определяющих тип требуемой переработки ин­ формации, например исходные размеры и размерные цепи. Из всех этих сигналов блок 31 совместно с так называемой приори­ тетной логикой образует сигналы для других функциональных групп.

192

Для управления считывателем служит блок 32. Принципиаль­ но важные сигналы на считывание приходят из блока 31\ блок 32 связывает приказы на чтение с контрольными сигналами про­ граммированной информации и придает им соответствующую для управления считывателем,форму. При приеме информации от запоминающего устройства блок управления считывателем управляет также приемом данных от буферного накопителя 33. Считываемая информация проверяется на четность (код ISO) или нечетность (код EIA), на запрещенные знаки, неправильную длину слов, а в ряде случаев также на синтаксис, т. е. на пра­ вильность следования управляющих знаков и информации.

Буферный накопитель 33 в будущем станет, вероятно, стан­ дартным узлом. Он необходим в первую очередь для связывания отдельных фраз с определенным временем чтения. Это время, составляющее при скорости чтения 300 знаков в 1 с (100— 200 мкм/с) может вызывать короткие перерывы в движении по­ дачи, что недопустимо, в особенности при фрезеровании или шлифовании. Считывание в буферный накопитель происходит со скоростью, синхронной считыванию с перфоленты; считывание нз накопителя происходит в 100—200 раз быстрее, что обеспечи­ вает непрерывность движения даже весьма быстроходных серво­ приводов.

§ 4. СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОГО ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Характерной чертой непрерывных систем программного уп­ равления является наличие функциональной зависимости между скоростями перемещений рабочих органов станка. Системы раз­ личают по количеству одновременно управляемых и взаимосвя­ занных координат.

Двухкоординатные системы программного управления дают возможность осуществить согласованные перемещения двух взаимноперпендикулярных или линейного и поворотного рабо­ чих органов. Если обозначить скорость одного из них vx, а дру­ гого Уу, то между значениями их и vy должна существовать функциональная зависимость vx = f(v y) или vy = f(v x). В зави­ симости от принятой для управления функциональной зависимо­ сти станки, оборудованные двухкоординатными системами, по­ зволяют вести обработку произвольных прямолинейных и криво­ линейных контуров, лежащих в одной плоскости. Автоматизация перемещения третьего направления в этих системах отсутствует. Часто такие системы называют контурными. Встречаются 2,5-ко- ординатные контурные системы ЧПУ (это название условно). Имеются в виду системы программного управления, у которых непрерывное управление перемещением может быть осуществле­ но только для двух направлений, а по третьему производится

«строчная» подача с позиционным управлением. Такое управле­ ние иногда применяют при обработке на фрезерных станках.

Трехкоординатные системы программного управления позво­ ляют вести непрерывную обработку в трех направлениях, обеспе­ чивая необходимую функциональную связь между перемещения­ ми или скоростями трех рабочих органов станка.

Обработка особо сложных объемных детален связана с не­ обходимостью иметь возможность непрерывного управления не только поступательными перемещениями трех взаимно перпен­ дикулярных рабочих органов, но и поворотом деталей вокруг одной (четырехкоординатные системы) или двух осей (пятико­ ординатные).

Перемещения рабочих органов в непрерывных системах ис­ пользуются как для установочных движений, так и для подачи при резании. Холостые перемещения могут совершаться на зна­ чительные расстояния и для сокращения затрат времени долж­ ны происходить с возможно большими скоростями — такими же, как и при позиционном управлении. Рабочие подачи выбираются в зависимости от условий работы. Для обработки криволиней­ ных поверхностей между скоростями перемещения соответству­ ющих органов должна существовать нужная функциональная зависимость. Она может быть различной для разных участков обрабатываемой поверхности, имеющих различные геометричес­ кие параметры. Для удовлетворения этих требований привод подачи должен обладать возможностью бесступенчатого измене­ ния скорости в очень широком диапазоне, большим быстродей­ ствием и малыми динамическими и статическими погрешностя­ ми. Для этих целей в современном станкостроении широко при­ меняются гидравлические двигатели или тиристорные следящие

с контурными системами программного управления необходимо, чтобы в каждый момент времени обеспечивалось согласованное движение исполнительных органов станка по двум или больше­ му числу координат. Для этого информация должна поступать в систему управления непрерывно в соответствии с требуемым законом движения по каждой координате. Однако отличительной особенностью систем числового программного управления яв­ ляется то, что исходная программа в них всегда задается в виде отдельных числовых блоков информации или кадров, которые рассчитываются по чертежу детали только для конечного числа точек на ее поверхности. В системах непрерывного управления эти точки называются опорными. Они выбираются на обрабаты­ ваемой поверхности таким образом, чтобы была обеспечена требуемая точность изготовления детали. При этом заданная

194

верхности рельсового профиля, должны предъявляться более высокие требования — глубина допустимых де­ фектов на широких гранях слябов не должна превышать 3,6 мм. Наиболее нерациональной с точки зрения каче-

II /

Рис. 94. Допустимая глубина (на рисунке залито черным) поверхностных дефектов по периметру сечения исходно­ го слитка 875X770 дом (/), литого сляба 700X150 мм (//), литого (обжатого) блюма 280X320 мм {III) и промежу­ точной полосы 140X330 мм (IV)

ства поверхности головки и подошвы является технология производства рельсов из литых блюмов сечением 280X320 мм, равновеликих применяемым обжатым блю­ мам, получаемым из рельсового слитка. Глубина полно­ стью выкатываемых дефектов на гранях блюмов, обра­ зующих головку и подошву, составляет всего лишь 3,0—4,5 мм, т. е. она в два — три раза меньше глубины

190