Управление станками и станочными комплексами

Этапы создания и совершенствования систем программного управления

Управление станками и станочными комплексами – это совокупность воздействий на их механизмы, обеспечивающих выполнение этими механизмами технологического цикла обработки.
Система управления – устройство, реализующее эти воздействия. Применительно к отдельным станкам различают два вида управления – ручное и автоматическое.

Ручное управление основывается на том, что решения об использовании тех или иных элементов рабочего цикла принимает человек – оператор станка. Оператор на основании принятых решений включает соответствующие механизмы станка и задает параметры их работы.
Операции ручного управления осуществляются как в неавто­матических универсальных и специализированных станках разно­го назначения, так и в автоматических станках.

Автоматическое управление заключается в том, что решения об исполнении элементов рабочего цикла принимает система управления без участия оператора. Она же выдает команды на включение и выключение механизмов станка и управляет его работой.

По функциональному назначению автоматическое управление делится следующим образом:

С некоторой долей допущения появление программного управления в примитивном варианте можно датировать второй половиной восемнадцатого века.
В этот период интенсивно начало развиваться мануфактурное производство и появились механизированные ткацкие станки.
При этом качество и повторяемость рисунка во многом определялось мастерством человека, управляющего машиной, но в то же время не было застраховано от ошибок

Пример рисунка, полученного на ткацком станке

Перфокарты ткацкого станка

Станок Фалькона, 1728 год

Перфолента

Перфолента

Появившиеся на определённом этапе развития металлорежущие станки-автоматы и полуавтоматы с кулачковыми и копирными системами управления так же можно отнести к группе станков с программным управлением.
Программа для обработки на таких станках фиксировалась на так называемых жёстких программоносителях, в качестве которых использовались кулачки и копирные линейки. Но использование их в единичном и мелкосерийном производстве было нерентабельным из-за больших затрат на изготовление управляющих устройств в виде кулачков и копирных линеек.

Системы управления с распределительными валами
В данных системах управления за счет применения дисковых и цилиндрических кулачков, установленных на распределительных валах, обеспечивается управление большим числом различных рабочих органов с надежной и максимальной синхронизацией их движений.
Путем построения циклограммы для этих систем управления заранее проектируют и рассчитывают рабочий цикл обработки заготовки любой сложности за определенный промежуток времени соответствующий одному обороту распределительного вала.

Системы управления с распределительными валами
Системы управления с распределительными валами подразделяют на три группы по принципу совершения вспомогательных ходов.

Копировальные системы управления
В механических копировальных системах копир выполняет функции управления и подачи режущего инструмента, воспринимая силы резания, а в следящих копировальных системах он осуществляет только функцию управления.

Копировальные системы управления
Функцию рабочей подачи выполняет силовой следящий привод 3, получающий сигналы управления 4 от копировальной головки 6 и обеспечивающий шпиндельной бабке 2 следящее движение подачи DSсл.
Это происходит при задающем движении DSз стола 9 с копиром 8 на расстояние ∆l и подъеме щупа 7 относительно копировальной головки 6 на величину ∆h.

История ЧПУ
1808 год
Жозеф Мари Жаккар считается изобретателем сменных носителей данных. Он использовал перфорированные жестяные челноки для автоматического управления ткацкими станками.
1949 год
ВВС США поручали Массачусетскому технологическому институту разработать систему для фрезерных станков, которая позволила бы управлять производством при помощи вычислительной машины.

История ЧПУ
1952 год
В Массачусетском технологическом институте был запущен первый численно управляемый станок . Оснащенная электронными лампами панель управления получала данные при помощи бинарно кодируемой перфоленте и одновременно обеспечивала движение по трем осям (3-осевая линейная интерполяция).
1954 год
В результате исследовательским результатам, которые получил МТИ, был построен первый в мире промышленный станок ЧПУ.

История ЧПУ
1957 год
В лабораториях ВВС США были установлены первые ЧПУ фрезеры.
1958 год
Изобретен первый символьный язык программирования APT (Automatically Programmed Tools).

История ЧПУ
с 1960 года
Устаревшие станки отправляются на реконструкцию и оснащаются численным программным управлением. Практическое внедрение этих машин на производстве очень скоро показало, что для оптимального использования необходимы специальные конструкции машин.
Были изобретены удовлетворяющие всем требованиям станки с более стабильной конструкцией и оснащенные моторами постоянного тока, гидростатическими или направляющими качения, а также шариковым циркуляционным ходовым шпинделем.
В последующем времени повышалась степень автоматизации производства благодаря автоматическим сменным насадкам (1965), устройствам смены палетт, а также зажимов.

История ЧПУ
с 1968 года
Решающий прорыв ЧПУ технологиями был совершен благодаря развитию современной электроники. Интегрированные схемы (1968) и микропроцессоры (1976) привели к значительному снижению затрат и повышению производительности.
Аппаратура управления заменяется в большинстве своем на программное обеспечение

Этапы развития станков с ЧПУ
1 этап – начало промышленного выпуска станков с ЧПУ и опробование принципов ЧПУ в промышленности.
ЭВМ использовалась только при подготовке программы для расчета координат траектории РО и других математических расчетов.
Программа записывалась на перфоленту, потом с помощью вынесенного интерполятора преобразовывалась и переписывалась на магнитную ленту, которая использовалась для управления станком.

Этапы развития станков с ЧПУ
Исходная информация
ЭВМ
Интерполятор
УЧПУ
ПЛ
МЛ
В промышленных конструкциях систем программного управления этого поколения станков программа записывалась на 35 мм магнитной ленте.
На ленте располагалось 9 дорожек: по 2 дорожки на каждую координату (для положительного и отрицательного направлений перемещений) и 3 дорожки для технологических команд. При протягивании магнитной ленты в специальном магнитном считывающем устройстве, имеющем 9 считывающих головок, сигналы с них через усилительное устройство поступают на станок, на котором производится обработка.

Этапы развития станков с ЧПУ
На этом этапе конструкция станка практически не изменилась по сравнению с универсальным. На него просто "навешивались" устройства программного управления (двигатели подач с соответствующими редукторами и соответствующие датчики обратной связи), органы ручного управления при этом не менялись. Этот этап можно рассматривать как модернизацию станка под ПУ.
Точность и производительность станков не повысилась. Основная причина низкой точности - большие зазоры в передачах и нежесткость конструкций. Управление станком осуществлялось от несложного универсального пульта ЧПУ.
Этот этап не дал результата ни по повышению точности, ни по повышению производительности. Поэтому от такой модернизации станков отказались

Этапы развития станков с ЧПУ
Достоинства 1-го этапа
Дешевизна
Простота

Этапы развития станков с ЧПУ
Недостатки 1-го этапа
низкая точность
ограниченные технологические возможности из-за работы одним инструментом
невысокая производительность из-за малой скорости холостых ходов, невысоких допустимых рабочих усилий, значительного подготовительно-заключительного времени
невозможность записи большого числа команд, что резко ограничивало возможности оборудования
большой расход программоносителя; трудоемкость редактирования и исправления программ

Этапы развития станков с ЧПУ
2 этап – широкое внедрение в промышленность станков с автономными устройствами ЧПУ постоянной структуры.
Конструкция станка специально разработана для ЧПУ. Обладают более высокой жесткостью элементов станка и, следовательно, более высокой точностью.
Скорости холостых перемещений повышены до 5-10 м/мин..

Этапы развития станков с ЧПУ
Исходная информация
ЭВМ
УЧПУ + интерполятор
ПЛ
Интерполятор встроен в УЧПУ, станок управляется перфолентой, но ЭВМ используется только для подготовки УП, как и у станков 1 поколения.
Все это создает возможность высокопроизводительной и высокоточной обработки.
Часто предусмотрен самоотвод стружки в автономное транспортное устройство.
Недостаток - ручная установка и снятие детали. Освоение систем автоматизированного программирования на ЭВМ

Этапы развития станков с ЧПУ
Станки с ЧПУ второго поколения работают в автоматическом режиме (следящий привод, автоматическая смена инструмента, смена скорости главного движения и т.д.).
Станки для позиционной обработки (координатно-расточные) оснащены поворотными столами, управляемыми по программе, и устройства АСИ и смены числа оборотов шпинделя под инструмент.
Развитие таких станков привело к появлению многооперационных станков.

Этапы развития станков с ЧПУ
Обработка криволинейной поверхности требует выполнения большого количества вычислительных операций и значительного увеличения управляющей программы, так как криволинейный профиль представлялся в виде ломаной линии с малым шагом.
При записи программы каждый шаг записывался отдельным кадром, а величина шага определялась тем минимальным перемещением, которое могла отработать механика станка.

Этапы развития станков с ЧПУ
Совершенствование технологии производства интегральных микросхем и использование их при разработке систем ЧПУ привело к появлению следующего поколения программного управления более высокого уровня.
Интерполятор, который раньше являлся дополнительным устройством для преобразования кодовой информации на перфоленте в соответствующие сигналы для перезаписи на магнитную ленту, встраивается непосредственно в ЧПУ.

Этапы развития станков с ЧПУ
Используются датчики обратной связи. Такие системы выдавали управляющее воздействие на исполнительные органы в соответствии с алгоритмом обработки и информацией о состоянии управляемого объекта. В программе записывалась информация не только о направлении и скорости перемещения, но и задавались величины перемещений в их реальных значениях.
На встроенные в систему элементы вычислительной техники поступали данные от датчиков обратной связи о положении рабочего органа станка, параметров, записанных в программе и состоянии других элементов системы. Эти данные подвергались математической обработке и после анализа преобразовывались в сигналы управления станком.

Этапы развития станков с ЧПУ
Совершенствование математического аппарата вычислительных машин, встраиваемых в системы программного управления, позволило упростить подготовку управляющих программ.
Длина кадра программы стала переменной, появились стандартные циклы обработки, расширился список вспомогательных команд.
Выполнение отдельных переходов и некоторых операций программировалось одной командой, например, цикл глубокого сверления, обработка галтели и т.д.

Этапы развития станков с ЧПУ
Для работы на таких станках уже не требовалась высокая квалификация рабочих, потому что качество обработки обеспечивалось программой и техническими характеристиками станка.
Однако трудоёмкость подготовки управляющей программы оставалась довольно высокой. Разработка программы выполнялась высококвалифицированными программистами, после чего она переносилась на программоноситель на специальном оборудовании.
При обнаружении ошибок в программе в процессе её отладки необходимо было изготавливать новый программоноситель и снова проверять программу.

Этапы развития станков с ЧПУ
3 этап – создание устройств ЧПУ на микроЭВМ и многоцелевых станков.
Развитие микроэлектроники привело к появлению систем управления следующего поколения.
Станок с числовым программным управлением выполняется в виде двух самостоятельных агрегатов: непосредственно металлорежущего станка и собственно системы программного управления.
Система управления представляет собой стойку с электронными устройствами и панелью управления и монтируется рядом со станком.

Этапы развития станков с ЧПУ
Функции интерполятора переданы ЭВМ. Управляющая программа записывается непосредственно с пульта управления в память ЭВМ.
Такие системы еще называют системами оперативного программного управления (ОПУ).
Сначала использовалась одна ЭВМ на группу станков. Появление микро-ЭВМ позволило встроить ЭВМ в УЧПУ станка. УЧПУ этих станков позволяют управлять большим количеством координат одновременно.
Разработка новых конструктивных компоновок станков.

Этапы развития станков с ЧПУ
Использование микропроцессорной техники позволило использовать программный метод реализации функций управления станком вместо аппаратного.
Повысилась универсальность управляющего устройства, гибкость и эффективность программирования, расширились технологические возможности. Для этих станков характерен модульный принцип компоновки, короткие передачи в системе привода РО.

Этапы развития станков с ЧПУ
Точность выполнения заданного размера уже не зависит от точности настройки станка, так как в этой системе отсутствуют концевые выключатели, ограничивающие величину перемещений, а определяется кинематической точностью передаточного механизма от шагово-импульсного двигателя до рабочего органа станка.

Этапы развития станков с ЧПУ
Следующее поколение систем программного управления позволило отказаться от использования внешних программоносителей, таких как перфолента и магнитная лента.
Программа обработки записывалась в долговременную память системы непосредственно с клавиатуры пульта оператора. Это предоставило широкие возможности для редактирования программ непосредственно у станка.
Отлаженная программа переносилась на внешний программоноситель для хранения в библиотеке программ.

Этапы развития станков с ЧПУ
Совершенствовалась система индикации и диагностики. На пульте оператора можно прочитать параметры выполняемого перехода: обрабатываемый размер, величина подачи и т.д.
В случае возникновения сбоев в системе управления на пульте оператора отображается вид неисправности и код того элемента, где она возникла.
Многие модели пультов оператора снабжались дисплеем, на который выводилась вся информация, вплоть до конфигурации детали, траектории движения инструмента и выполняемой в данный момент технологической команды.

Этапы развития станков с ЧПУ
Вносились изменения в конструкцию станков. В приводах главного движения подач устанавливаются регулируемые двигатели постоянного или переменного тока, что позволило отказаться от громоздких и тяжёлых коробок скоростей и использования гидравлики в качестве усилителей крутящего момента.
При этом появилась возможность плавного регулирования скоростей и подач, что расширило технологические возможности оборудования.

Этапы развития станков с ЧПУ
Совокупность прогрессивных технических решений в области механики и электроники привело к созданию уникальных металлообрабатывающих станков с очень широкими технологическими возможностями, которые получили название обрабатывающие центры.
На таких станках обрабатываются сложные корпусные детали с высокой точностью почти полностью с одной установки.
Для выполнения большого количества видов работ такие станки оснащаются инструментальным магазином и устройством для автоматической его замены.

Этапы развития станков с ЧПУ
4 этап – объединение станков с ЧПУ в общую систему автоматизированного управления технологическим процессом (создание ГПС).
Для этих станков характерен модульный принцип компоновки, появились многооперационные станки с автоматической сменой многошпиндельных головок и насадок, столов, зажимных патронов и планшайб.
Повышение степени автоматизации привело к появлению многошпиндельных и многокоординатных танков с ЧПУ, причем каждый шпиндель может работать автономно по собственной программе одновременно с другими.

Этапы развития станков с ЧПУ
Следующее поколение систем программного управления оснащалось настолько мощным математическим аппаратом, что позволило решать ряд технологических задач непосредственно оператору станка.
Работа по вводу управляющей программы ведётся в диалоговом режиме. Оператор с пульта управления выводит на дисплей чертёж обрабатываемой детали с указанием заданных размеров с допусками и материал заготовки. На дисплее появляются вопросы, на которые должен отвечать оператор, вводя соответствующую информацию. Например, какой режущий инструмент, какова твёрдость обрабатываемого материала, какой элемент заготовки подвергается обработке на данном переходе и т.д.
На основе полученной информации система предлагает рациональную траекторию перемещения инструмента и режимы обработки.

Станочные модули и станочные комплексы, созданные на базе ЧПУ, предназначенные для автоматизированной обработки деталей:
ГПМ (FMM) – гибкий производственный модуль – единица технологического оборудования с системой автоматической загрузки/выгрузки деталей, локальным накопителем, транспортером деталей и инструмента.

ГАЛ –гибкая автоматическая линия – система, включающая в себя несколько ГПМ, с общими управлением от ЭВМ, транспортной системой и складом заготовок.
ЭВМ выполняет функции хранения и передачи к устройству ЧПУ станков управляющих программ, а также осуществляет текущее управление и оперативное планирование

ГПС (FMS) – гибкая производственная система – комплекс технологического оборудования и системы управления от ЭВМ, обладающий свойством автоматизированной переналадки.
ГАЦ (FMF) – гибкий автоматизированный цех – система, включающая в себя несколько ГАЛ и ГПМ с общими транспортной системой, складом, многоуровневой (иерархической) системой управления от ЭВМ.

AЗ – автоматический завод – система, состоящая из ГАЦ, в том числе цеха автоматической сборки и упаковки готовой продукции.
Центральная ЭВМ осуществляет управление всеми подразделениями завода и долгосрочное планирование.

Области применения автоматизированного оборудования с ЧПУ

Преимущества станков с ЧПУ
Повышение точности и однородности размеров и формы получаемых деталей, полностью определяемых правильностью программирования, точностью автоматических перемещений узлов станка и наличием адаптивного контроля.
Повышение производительности обработки, связанное с уменьшением доли вспомогательного времени tвсп с 70…80% (универсальные станки с ручным управлением) до 40…50% , а при использовании многооперационных станков – и до 20…30%; а также с интенсификацией режимов резания. В среднем, при переводе обработки на станки с ЧПУ производительность возрастает: для токарных станков – в 2…3 раза, для фрезерных – в 3…4 раза, для обрабатывающих центров (ОЦ) – в 5…6 раз.

Преимущества станков с ЧПУ
Снижение себестоимости обработки, связанное с повышением производительности, понижением требований к квалификации станочника, а также в снижении затрат на приспособления и переналадку, потребность в которых (особенно для ОЦ) значительно уменьшается.
Возможность обрабатывать детали сложной формы; многофункциональность станков с ЧПУ (особенно ОЦ) позволяет производить несколько операций с одного установа, что повышает точность и устраняет потери времени на загрузку и транспортировку.
Исключение брака. В ряде производств требования безопасности предполагают полное исключение брака, поэтому выполняется полный контроль всей продукции. Оборудование же с ЧПУ благодаря обратной связи может выполнять такой контроль автоматически, в процессе обработки.

Возможности современных станков с ЧПУ
дискретность позиционирования 0,5…1мкм, а в некоторых случаях и до 0,25 мкм
адаптивное управление по силе и мощности резания, изменяющее n и S за несколько миллисекунд, что важно при значительных колебаниях припуска и механических свойств материала заготовки

Возможности современных станков с ЧПУ
бесступенчатое регулирование n с сохранением V=const при технологических переходах
автоматические ограничители по предельной мощности резания, силе, крутящему моменту для предотвращения поломки инструмента и появления брака
компенсацию систематических погрешностей обработки, связанных с тепловыми деформациями технологической системы

Возможности современных станков с ЧПУ
компенсацию погрешности закрепления заготовки путём коррекции её положения
компенсацию погрешностей перемещений инструмента

Возможности современных станков с ЧПУ
возможность углового позиционирования шпинделя для ориентированной установки в патрон несимметричной заготовки, для осуществления внеосевой (поперечной) обработки сверлением или фрезерованием
автоматическое измерение размеров заготовки при помощи датчиков контактного типа

Возможности современных станков с ЧПУ
автоматические устройства для контроля состояния режущего инструмента, программная смена режущего инструмента
устройства для смены отдельных инструментов, многошпиндельных головок и даже инструментальных магазинов