Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Управление системами и процессами в машиностроении. Учебное пособие
.pdf
Вместо распределительного вала применен крестовый суппорт,
обеспечивающий синхронизацию ведущего движения S
дра 1 при движении продольной каретки 2 со следящим движением S
от гидроцилин-
вед
сл
щупа 3, получаемым от копира 4 (движение поперечной каретки 5). Резец 6
совершает одновременное (суммарное) движение в продольном и поперечном направлениях.
В этой системе программоносителем является профиль копира, а
траектории простых движений резца определяются направляющими суппорта (внутренним источником информации станка). В копировальных системах управления отсутствует активный
поток информации о фактическом положении исполнительного устройства (обратная связь), поэтому их
относят к системам управления разомкнутого типа.
Недостатками всех копировальных систем управления являются:
- необходимость точно изготовлять и устанавливать копир;
- трудность автоматизации изготовления копира;
- невозможность автоматизации установки копира;
- невысокая точность задания закона движения профилем копира;
- крайне низкая мобильность.
Область применения копировальных систем – среднесерийное и
крупносерийное производство.
2.5. Системы числового программного управления
К системам числового программного управления (СЧПУ) относятся
такие системы автоматического управления, в которых задающая информация (программа) выражена последовательностью чисел, зафиксированных на перфолентах, магнитных лентах и других быстросменяемых носителях.
Эти системы управления предназначены для автоматизации
технологического оборудования, применяемого в мелкосерийном производстве
при частой смене объектов производства.
Например, в технологических процессах обработки резанием системы программного управления особенно эффективны для обработки деталей со сложными криволинейными поверхностями. Обработка таких деталей на станках с программным управлением более выгодна, чем на копировальных или других станках общего
назначения, тем, что не требует изготовления сложной оснастки, а переналадка станка при переходе на изготовление новой детали занимает несколько секунд (время на замену программы).
Аналогичные примеры можно привести для контрольных, сборочных и других технологических операций. В настоящее время на предприятиях страны эксплуатируются сотни устройств ЧПУ,
построенных на со-
31
вершенно разных принципах. Это разнообразие объясняется различными
типами технологического оборудования, широкой номенклатурой и серийностью выпускаемых изделий и т.п.
Особенность задания программы в ЧПУ в виде чисел позволяет полностью автоматизировать процесс расчета и ее изготовления (программы)
путем использования для этого электронных вычислительных машин, причем организация централизованного ее изготовления
и передача по каналам связи к потребителю значительно снижают стоимость и упрощают
хранение. Такая форма программы повышает точность выполнения технологического процесса, а также значительно облегчает автоматическое корректирование ее в зависимости от изменившихся условий.
Применение ЧПУ, совместно с CALS-технологиями, позволяет значительно сократить время на конструкторско-технологическую подготовку
производства и управлять целыми производственными комплексами (ГПС,
ГПК, ГПМ).
С точки зрения задач управления, системы ЧПУ способны выполнять
все функции по управлению: осуществлять управление перемещением, положением исполнительных органов; включать и переключать приводы;
синхронизировать выполнение отдельных циклов отдельных механизмов;
вести сбор, переработку информации о течении техпроцесса и его корректирование при
изменении условий обработки и характеристик изделия.
Структуру комплекса «станок с ЧПУ» можно представить в виде трех
блоков, каждый из которых выполняет свою информационную задачу:
1) управляющая программа;
2) устройство ЧПУ и управления автоматикой станка;
3) собственно станок.
Управляющая программа содержит укрупненное кодированное описание всех стадий геометрического и технологического образования изделия
. Главное (с информационной точки зрения) в этом описании то, что
оно не допускает двусмысленных трактований.
В устройстве ЧПУ управляющая информация транслируется, а затем используется в вычислительном цикле, результатом которого является
формирование оперативных команд в реальном масштабе машинного времени станка.
Станок представляет собой объект управления, исполнительную
часть, т.е.
несущую конструкцию, на которой смонтированы механизмы с
автоматическим управлением, приспособленные к приему оперативных
команд от устройства ЧПУ.
К числу подобных механизмов относятся, прежде всего, те, которые
непосредственно участвуют в геометрическом формообразовании изделия,
например механизм координатных подач. В зависимости от числа движений, задаваемых механизмами подач, складывается та или иная система
32
координат обработки – плоская, пространственная трехмерная, пространственная многомерная.
К устройству ЧПУ сходятся все «нити управления» механизмами
станка. Конструктивно устройство ЧПУ представляет собой автономный
электронный агрегат, имеющий устройство ввода управляющей программы, скрытую от внешнего наблюдения вычислительную часть, электрический канал связи с автоматическими механизмами станка.
В общем случае систему числового программного
управления можно
упрощенно представить в виде блок-схемы, показанной на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Блок-схема системы числового программного управления
Вся задающая информация по управлению (технология обработки),
представленная последовательностью чисел и зафиксированная в определенном коде на программоносителе, считывается устройством ЧПУ. В
устройство ЧПУ также поступает информация от датчика обратной связи.
В результате сравнения задающей информации и информации обратной
связи вырабатывается сигнал ошибки (сигнал рассогласования), который
служит для управления работой привода
станка, перемещающего рабочий
орган по определенному закону, заложенному в сигнале управления. В некоторых системах после сравнивающего устройства (или перед ним) устанавливают еще одно устройство, преобразующее выходной сигнал в сигнал, удобный для управления приводом.
Классификация систем числового программного управления
Классификационными признаками систем программного управления
являются те же признаки,
что и для всех систем управления. В зависимости от технологического назначения системы программного управления
можно разделить на позиционные, контурные и комбинированные.
33
Позиционные системы ЧПУ
К позиционным (или координатным) системам ЧПУ относятся такие
системы числового программного управления, которые управляют прямолинейным перемещением исполнительного органа станка (стола станка,
суппорта и т.п.) от позиции к позиции.
Они позволяют автоматически установить рабочие органы в позицию, заданную программой управления станком, причем в период перемещения
рабочего органа обработка не ведется.
В качестве системы координат для детали принимается прямоугольная система. Координаты X и Y, соответственно, означают перемещение в
продольном и поперечном направлениях, в горизонтальной плоскости
станка (рис. 2.7). Программа содержит числовую информацию о значении
длины пути исполнительного органа или инструмента до заданного положения по каждой
из координат. Управление здесь однокоординатное, так
как отсутствует функциональная связь между координатами, хотя исполнительный механизм может перемещаться по нескольким координатам одновременно.
Рис. 2.7. Схема позиционной системы ЧПУ
В этих СУ неважно, по какой траектории перемещается рабочий орган, важно, чтобы он пришел точно в заданное положение, затратив при
этом минимум времени. Наименьшее расстояние между двумя точками в
пространстве – прямая. Последнее обстоятельство связано с производительностью оборудования.
Учитывая значительный процент холостых ходов в станках с позиционными системами ЧПУ
, с целью увеличения производительности за
счет сокращения потерь на холостые хода необходимо стремиться перемещать рабочие органы на высоких скоростях. В современных позиционных
СЧПУ скорости достигают 8 м/мин. При таких скоростях возможны большие перебеги при позиционировании, связанные с инерционностью движу-
34
щихся масс. Чтобы уменьшить эти перебеги, скорость движения при подходе к заданной координате снижают до величины «ползучей» (2–10 мм/мин).
Переход на «ползучую» скорость можно осуществить с помощью изменения механической редукции либо использованием двух асинхронных двигателей или одного многоступенчатого, а сигнал на переключение подавать от специальных устройств. Таким
образом, в позиционных системах
ЧПУ следящий привод в принципе не обязателен. Это упрощает конструкцию системы. При позиционировании рабочего органа станка происходит
ступенчатое снижение скорости перемещения: быстрое – на большей части
пути (холостой ход) и медленное – для точной установки при подходе к
заданной точке для уменьшения влияния инерционных и упругих сил (
в
процессе резания).
Технологическое назначение позиционных СЧПУ – автоматизировать те процессы, где необходимо перемещать исполнительный механизм
в точку, заданную координатами программы, и чем больше этих точек, тем
применение систем эффективнее. Точность позиционирования составляет
от десятых долей до нескольких микронов: при расточных работах –
0,005–0,010 мм, при сверлильных – 0,05–0,10 мм.
Позиционные устройства ЧПУ применяются
для управления станка-
ми сверлильной, расточной, координатно-расточной групп.
Станки с позиционным управлением имеют специальное обозначение: к номеру модели станка добавляют индекс Ф2.
Такие системы ЧПУ нашли применение в координатно-измерительных
машинах (КИМ) с ЧПУ. К их достоинствам относятся: сокращение времени
измерений (в среднем на 50–80 %); устранение субъективных факторов, влияющих
на точность измерения; универсальность применения и несложное
обслуживание. Требования по точности, предъявляемые к ним, так же разнообразны, как и их применение.
Эффективность позиционных СПУ возрастает, если наряду с автоматизацией многочисленных координатных перемещений автоматизируются
все или большинство вспомогательных команд по управлению циклом работы оборудования.
Контурные системы ЧПУ
Контурные
системы ЧПУ обеспечивают автоматическое перемещение рабочего органа станка по произвольной траектории с контурной скоростью, заданной программой управления станком. При механической обработке эта траектория определяет контур будущей детали или части ее.
Поэтому очень важно при управлении контурными СЧПУ обеспе-
чить, чтобы траектория рабочего органа в каждый момент времени совпа
-
дала с заданной. В общем случае эта траектория представляет собой сложную функцию типа у = f(x) или r = f(x, y, φ). Ввиду невозможности воспроизведения такой траектории одним движением ее заменяют несколькими
35
простыми (однокоординатными) движениями поступательного и вращательного типа. Движение по заданной траектории предполагает интерполяцию, т.е. получение (расчет) координат промежуточных точек движения
рабочих органов объекта (станка, робота) на плоскости или в пространстве.
Чтобы движение исполнительного органа соответствовало заданной траектории (чаще всего криволинейной), необходимо в каждый момент времени
поддерживать определенное
соотношение скоростей и перемещений по
управляемым координатам, между ними должна быть функциональная
связь. Эту функциональную связь с высокой степенью точности выполняет
устройство, называемое интерполятором.
На рис. 2.8 показана принципиальная схема контурной системы ЧПУ.
Рис. 2.8. Принципиальная схема
контурной системы ЧПУ
Контурные системы применяют для автоматизации технологического
оборудования, где необходимо перемещать исполнительный механизм (стол
станка, суппорт и т.п.) по сложной криволинейной траектории. Область
применения контурных систем – токарные, фрезерные, расточные, координатно-расточные станки с ЧПУ.
Эффективность применения контурных СЧПУ особенно возрастает
для технологических процессов, где длительность перемещения по сложному контуру
значительно превышает длительность холостых и вспомога-
тельных операций при мелкосерийном характере производства.
В авиационной промышленности несущие конструкции самолета
(панели, стрингера, нервюры, лонжероны и др.) имеют сложный профиль и
значительные размеры. Как правило, длительность обработки таких деталей зачастую составляет несколько смен. В таких производственных процессах применение контурных СПУ целесообразно
с экономической точки
зрения.
Токарные и фрезерные станки с программированием криволинейных
поверхностей (контурные СЧПУ) имеют специальное обозначение: к номеру модели станка добавляют индекс Ф3.
36
В контурных СЧПУ объем задающей информации может быть значительным (в зависимости от сложности технологического процесса), поэтому для разработки программ здесь целесообразно применять ЭВМ.
Контурно-позиционные (комбинированные) системы ЧПУ
В многоцелевых станках применяют комбинированные системы ЧПУ,
в которых сочетаются достоинства позиционных и контурных систем
управления.
Многооперационные станки, для которых
желательно иметь универсальные (контурно-позиционные) системы управления, имеют специальное обозначение: к номеру модели станка добавляют индекс Ф4.
Комбинированное числовое программное управление сочетает
функции контурного и позиционного числового программного управления
станками (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Блок-схема комбинированной
(контурно-позиционной) системы ЧПУ
Из рассмотрения различных устройств ЧПУ следует, что их функционирование подчиненно принципу «как сделать». В самом деле, управляющая программа содержит набор конкретных инструкций. Контролю подлежит не качество обработки детали, а правильность выполнения этих инструкций.
Случайные и систематические факторы, неизбежно сопутствующие
процессу резания, вызывают ситуацию, в которой теряется точность
, производительность и вполне вероятен брак. По этой причине программное
управление должно иметь замкнутую систему управления. Каналы обратной связи позволяют производить анализ текущего состояния системы и в
случае проявления различных отклонений производить корректировку и
подналадку.
37
2.6. Микропроцессорные устройства числового программного
управления
Разработчики систем управления станков с ЧПУ имеют принципиально новые технические средства – микропроцессоры для управления и
микроЭВМ для отладки процессов управления. С появлением микропроцессоров конструкторы стали активно использовать большие интегральные схемы (БИС). В связи с этим стало возможным (с экономических позиций)
привлекать современные средства автоматики и вычислительной
техники к решению обычных (неуникальных) технических задач. Микропроцессорные устройства ЧПУ создают на базе микропроцессорных
устройств автоматики с наращиванием их структуры всевозможными дополнительными модулями, интерфейсами и периферийными устройствами. Как правило, за базовый вариант принимаются микропроцессорные
системы на базе разработанных универсальных мини-ЭВМ с
функциональной структурой и математическим обеспечением, проблемно ориентированным на управление технологическим оборудованием в реальном
масштабе времени.
Микропроцессор (МП) – это микросхема, выполняющая над данными
арифметические и логические операции и осуществляющая программное
управление вычислительным процессом.
Мини-ЭВМ называют устройство обработки данных, содержащее
один или несколько микропроцессоров, постоянной и оперативной памяти,
управления
вводом и выводом информации. Процессор микроЭВМ осуществляет сложение, вычитание, производит сдвиги влево и вправо, в силу
чего возможны умножение и деление, выполняет логические операции
«И», «ИЛИ».
Программный способ позволяет легко заменить рабочие программы
при переходе на изготовление нового изделия и быстро перестраивать алгоритм работы объекта управления (станка, промышленного
робота, КИМ
и т.п.). Имея набор отдельных блоков программ, можно скомпоновать программу для нужного процесса. Перенастройка устройства сводится к вводу
в перепрограммируемую память ЭВМ новой программы. Применение
микропроцессорных систем позволяет решить проблему повышения гибкости производства.
2.7. Системы ЧПУ классов HNC, CNC, DNC
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 управляющих программ (УП). Нали-
38
чие микропроцессора или мини-ЭВМ в системе УЧПУ обеспечивает ей
большие возможности. В настоящее время на предприятиях страны эксплуатируются сотни устройств ЧПУ, построенных на совершенно разных
принципах. Это многообразие объясняется различными типами технологического оборудования, широкой номенклатурой и серийностью выпускаемых изделий. Системы числового программного управления технологическим оборудованием могут
строиться по разным принципам.
В настоящее время в промышленности нашли применение системы
ЧПУ классов HNC, CNC, DNC. Все эти системы имеют специфические
особенности. Характеристики этих систем рассмотрены ниже.
2.7.1. Системы ЧПУ класса HNC
HNC (Hand Numerical Control) – система ЧПУ, в которой управляющая программа вводится оператором вручную с пульта управления станком.
Станки с ЧПУ первого и второго
поколений, работавшие на лампах и
твердотельных цепях, считывали программу исключительно с перфолент.
В то время не было возможности хранить программу в MCU, а обрабатывать команды этот блок мог только по одной. Станки такого класса называются станками с ЧПУ типа NC или просто станками с ЧПУ.
Системы класса NC работают в следующем
режиме. После включения станка и системы ЧПУ читаются первый и второй кадры программы.
Как только закончилось их чтение, станок начинает выполнять команды
первого кадра. В это время информация второго кадра программы находится в запоминающем устройстве системы ЧПУ. После выполнения первого кадра станок начинает отрабатывать второй кадр, который 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.
У оперативных систем ЧПУ класса HNC основным является режим
ручного ввода программ в электронную память мини-ЭВМ с пульта
УЧПУ. Программа из
достаточно большого числа кадров легко набирается
и исправляется с помощью клавиш или переключателей на этом пульте.
После отладки программа фиксируется до окончания обработки партии
одинаковых деталей. Блок-схема такой системы управления показана на
рис. 2.10.
Подобные системы позволяют вести программирование с пульта
УЧПУ в режиме диалога с использованием стандартных подпрограмм из
памяти
, вызываемых по команде с пульта на экран дисплея. При этом на
экране высвечиваются схема обработки и текст – перечень необходимых
данных по выбранной подпрограмме для ввода в УЧПУ. Рассматриваемые
системы дают также возможность осуществлять выбор инструмента из
39
набора, имеющегося в магазине станка, определять для него режимы обработки, ее оптимальную последовательность и т.д.
Рис. 2.10. Блок-схема системы ЧПУ класса HNC:
1 – справочники; 2 – каталог инструментов; 3 – чертеж детали;
4 – оператор и пульт управления; 5 – станок
В общем случае такие системы позволяют вести подготовку управляющей программы непосредственно у станка по чертежу детали без каких-либо особых предварительных работ технологического характера, т.е.
оператор 4 (станочник), получив чертеж детали 3 и технологию ее обработки, используя справочники 1 и каталоги 2, сам (вручную) программирует станок
с помощью клавиш или переключателей на пульте управления
станка 5. Это, естественно, предъявляет повышенные требования к профессиональной подготовке оператора.
Основным недостатком рассмотренного режима работы является то,
что для обработки каждой следующей заготовки из партии системе ЧПУ
приходится вновь читать все кадры перфоленты. В то же время в процессе
чтения
перфоленты 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 HNC 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.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]