Разработка функциональной схемы контурной системы ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

За последние годы значительно повысился уровень автоматизации серийного производства в машиностроении за счет широкого применения металлорежущих станков с числовым программным управлением. Опыт эксплуатации таких станков во многих отраслях машиностроения убедительно показал, что при осуществлении определенного комплекса организационно-технических мероприятий, необходимых для внедрения станков с ЧПУ, и при оптимальном использовании их возможностей, эти станки дают значительные преимущества по сравнению с универсальными.

Сменились поколения электронных устройств ЧПУ, принципиально изменились их возможности, что накладывало отпечаток на конструкцию и функциональность самого объекта управления - металлорежущего станка. Это, в свою очередь, ставило новые задачи перед разработчиками устройств ЧПУ. В результате подобного взаимообусловленного развития возникли высокосовершенные устройства ЧПУ, построенные по структуре ЭВМ, а также создало высокопроизводительное технологическое оборудование с ЧПУ, в том числе технологические модули, автоматизированные технологические ячейки, автоматические линии, автоматизированные участки и др.

Прогресс во всех областях техники в несколько увеличил номенклатуру изделий, ускорил их моральное старение. Число типов и типоразмеров машин и изделий в настоящее время резко возросло. Повысились требования к их качеству и надёжности, возникла необходимость в изготовлении большего числа опытных, экспериментальных и специализированных машин. Следствием этого явилось увеличение доли единичного и мелкосерийного производства в общем объеме производства.

Применение систем ЧПУ в станках является наиболее эффективным средством повышения машинного времени и автоматизации мелкосерийного производства, что обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность его и позволяет организовать централизованную подготовку программ обработки, которые легко могут размножены и переданы с одного центра на любые заводы. Научно-технический прогресс предъявляет также повышенные требования и к уровню подготовки специалистов, особенно по профессиям, связанным с новой техникой.

Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнения условий обработки при многоинстументальной, многооперационной обработке заготовок с одного останова. Большое преимущество обработки на станках с ЧПУ заключается также в том, что значительно понижается роль ручного труда, сокращается потребности в квалифицированных станочниках-универсалах, изменяется состав работников металлообрабатывающих цехов. Функции оператора значительно упрощаются и сводятся к установки детали на станок, снятию её со станка и смене инструментов, при этом устраняются ошибки оператора при установке координат благодаря автоматическому позиционированию.

Современное производство немыслимо без оборудования устройством ЧПУ. Число станков с ЧПУ непрерывно растет, быстрыми темпами развивается и видоизменяется само числовое управление, что позволило расширить технологические возможности оснащенного им оборудования, повысить точность обработки, сократить время обработки.

Расширению области применения станков с ЧПУ должна также способствовать их постоянно повышающаяся надёжность, что снижает эксплутационные расходы, сокращает простой, а в конечном итоге ведёт к уменьшению необходимого количества станков. Технический процесс сегодня неразрывно связан с широким внедрением в производство средств вычислительной техники. На машиностроительных заводах работают десятки тысяч станков с ЧПУ. На их основе создаются производственные системы и участки, управляемые от ЭВМ.

Повышение эффективности производства и качества продукции в значительной степени определяется созданием машин, позволяющих осуществить комплексную автоматизацию технологических процессов в машиностроении. Комплексная автоматизация предполагает применение самоуправляемых машин для основных и вспомогательных операций, а также использование средств вычислительной техники для планирования, организации и управления производственными процессами. Комплексно-автоматизированные производства характеризуются применением систем машин.

Осуществление комплексной механизации и автоматизации производства позволяет существенно улучшить условия труда в производственной сфере. Повышение эффективности общественного производства возможно только путём его автоматизации и механизации, оснащения высокопроизводительными станками с числовым программным управлением и промышленными работами.

Стремление увеличить количество продукции, выпускаемой с помощью станков с ЧПУ, ускорить сменяемость изделий в машиностроении и избежать дефицита операторов станков привело к появлению гибких производственных модулей и гибких производственных систем, представляющих собой сочетание многооперационных станков с ЧПУ, роботизированных транспортных средств и микроэлектрических систем управления, областей разветвления гибкой структурой. Благодаря применению гибких производственных моделей и систем решается проблема круглосуточного использования оборудования, открываются возможности практической реализации «безлюдной технологии»



Глава 1.Оборудование и его функции, для которых необходимы контурные СЧПУ

1.1 Классификация технологических средств

Машиностроительное производство по своему характеру подразделяется на массовое, серийное и единичное с внутренним подразделением на мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное.

При массовом производстве технологическое оборудование специализируется на выполнение одинаковых, повторяющихся операций технологического процесса.

При серийном производстве технологическое оборудование специализируется на выполнение двух или нескольких закрепленных операций, чередующихся в определенной последовательности.

При единичном производстве технологическое оборудование загружается различными работами и не имеет закрепленных операций или объектов производства.

Важнейшим показателем, характеризующим тип производства, является номенклатура и количество выпускаемых изделий.

При этом на одном и том же предприятии производство может иметь различный характер.

Так при серийном характере производства основной продукции производство нормалей (болтов, винтов, гаек и т.д.) может носить массовый характер, а продукция инструментальных цехов - мелкосерийный или даже единичный.

Характер производства предъявляет определенные требования к технологическому оборудованию.

Если в условиях массового производства со стабильными характеристиками выпуска продукции главным требованием к рабочим машинам является высокая производительность, то для условий серийного и единичного производства первостепенное значение приобретает универсальность и мобильность средств производства при обеспечении соответствующего качества продукции.

Под универсальностью понимается способность оборудования к переналадке на возможно широкий диапазон обрабатываемых изделий.

Мобильность определяется быстротой перехода с выпуска одних изделий на другие.

Как правило, чем выше производительность оборудования и степень его автоматизации, тем ниже показатели универсальности и мобильности.

Таким образом, массовое производство одних и тех же изделий в течение длительного периода времени требует создания дорогостоящих, предельно автоматизированных, высокопроизводительных машин, длительное время сохраняющих свои эксплуатационные качества.

К таким машинам относятся прежде всего станки-автоматы и полуавтоматы, а в условиях серийного производства - станки с ЧПУ. Из таких станков компонуются в дальнейшем гибкие производственные модули и системы, автоматические линии.

Обработка деталей на металлорежущих станках состоит из рабочих и вспомогательных операций. Во время рабочих операций осуществляется формирование требуемой поверхности, то есть производится процесс резания.

К вспомогательным относят операции управления станком, установки, закрепления и снятия обрабатываемой детали, операции подвода и отвода инструментов, контроля размеров и т.д.

Автоматами называют станки, в которых весь цикл изготовления детали, начиная от загрузки заготовок и кончая выгрузкой готовых изделий полностью автоматизирован, то есть процесс изготовления деталей происходит без участия оператора. Оператор осуществляет только лишь загрузку станка на партию обрабатываемых деталей и первоначальный пуск.

Полуавтоматами называют станки, в которых весь цикл обработки деталей автоматизирован, а операции загрузки станка штучными заготовками, выгрузки готовых изделий, а также операции управления станком, т.е. его включение и выключение производятся оператором вручную при каждом цикле.

К станкам с ЧПУ обычно относят универсальные станки, в систему автоматического управления которых вводят числа или символы, отражающие величину и характер перемещений инструмента и детали относительно друг друга и работают по заданной программе.

Как правило, такие станки характеризуются большой гибкостью, маневренностью и универсальностью в условиях современного динамического производства.

Автоматизированные станки в основном подразделяют по размерам, роду обрабатываемой заготовки, технологическим возможностям (выполняемым операциям), по точности обработки, принципу действия, по конструкции, числу различных органов (шпинделей) и по типам (см. рис. 1.1.).

Так все автоматизированные станки можно подразделить на вертикальные и горизонтальные, которые, в свою очередь делятся на автоматы и полуавтоматы, одношпиндельные и многошпиндельные и т.д.

Вертикальные станки обычно являются более тяжелыми и мощными, чем горизонтальные и предназначаются для обработки деталей большого диаметра и относительно небольшой длины.

Токарные автоматы и полуавтоматы предназначены для обработки деталей из прутка или штучных заготовок соответственно и позволяют выполнить следующие операции: точение продольное и поперечное, подрезание торцев, центрение отверстий, сверление, растачивание, зенкерование, нарезание наружных и внутренних резьб, накатывание рифлений, фасонную обработку, отрезку деталей, а при оснащении станков спец. приспособлениями - фрезерование шлиц, лысок и другие операции.

Рис.1.1. Классификация оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Автоматы фасонно-продольного точения выполняются одношпиндельными для пруткового материала диаметром обычно до 12-16 мм и применяются для обработки детали большой длины и малых диаметров со сложным контуром с точностью по 5-8 квалитету, шероховатостью Ra=1,25 мкм. Они получили широкое распространение в часовой и приборостроительной промышленности, где используются для изготовления различные валы и оси. Повышенные требования к точности обработки и небольшая жесткость обрабатываемых деталей привели к необходимости применения люнетов, которые размещаются в кронштейне близко к месту обработки. В процессе обработки детали пруток, зажатый во вращающемся шпинделе, постепенно перемещается в осевом направлении на заданные величины, а инструменты поочередно подходят к прутку и производят обработку. Инструмент закрепляется в 4-5 поперечных суппорта. Помимо продольного и поперечного точения на таких автоматах можно осуществлять фасонную обработку, точение конусов, обработку отверстий, нарезание резьб и т.д.

Фасонно-отрезные автоматы, работающие из проволки, применяются для выполнения различных фасонно-отрезных работ из материала, диаметром до 8 мм. Чаще всего это обработка шпилек, винтов и других простейших по конструкции деталей. Обработанный материал при обработке деталей не вращается и остается зажатым между двумя зажимными механизмами, один из которых расположен спереди шпинделя, а другой позади него. Вращение получают суппортные головки. Кроме того, в процессе обработки инструменты получают поперечное перемещение. По окончании обработки детали и ее отрезки инструменты возвращаются в исходное положение, зажимные механизмы освобождают пруток и происходит подача новой порции материала, после чего цикл повторяется. Другой характерной особенностью станков этой системы является наличие механизма правки, который осуществляют с помощью роликов, между которыми пропускается проволока.

Одношпиндельные фасонно-отрезные автоматы применяются для обработки коротких деталей из прутка (прутковые) и штучных заготовок (магазинные, бункерные)с точностью по 8..13 квалитету и шероховатостью Ra=2мкм. Наибольшее распространение получили прутковые автоматы для прутков диаметром от 3 до 25 мм. Пруток или штучная заготовка зажимаются во вращающемся шпинделе, а резцы получают поперечную подачу. По окончании обработки детали в зону обработки либо подается новая заготовка, либо выдвигается пруток до упора. При обработке деталей на таких автоматах, как правило, используются фасонные инструменты.

Одношпиндельные токарно-револьверные автоматы применяются для обработки деталей сложной формы из прутков диаметром до 70мм. с точностью по 8..13 квалитету и шероховатостью Ra=2мкм. Автоматы имеют револьверную головку и 2-4 поперечных суппорта. Пруток подается из шпинделя на определенную величину и зажимается, после чего производится последовательная обработка инструментами, закрепленными в револьверной головке и в суппортах. После отрезки готовой детали пруток снова подается до упора на определенную величину и цикл повторяется.

Многошпиндельные автоматы последовательного действия проектируются, как правило, для обработки деталей из пруткового материала диаметром до 100мм, реже для обработки штучных заготовок с магазинным питанием и могут быть 4, 6, 8 и 12 шпиндельными. Автоматы имеют продольный суппорт и поперечные на каждую позицию, а также оснащаются разного рода приспособлениями, расширяющими технологические возможности автомата (резьбонарезное устройство, быстросверлильное, для фрезерования пазов, шлиц и др.). По окончании одного цикла шпиндельный блок поворачивается на одну или несколько позиций и цикл повторяется. За каждый цикл со станка сходит готовая деталь.

Многошпиндельные автоматы непрерывного действия применяются в основном для обработки штучных заготовок с бункерным или магазинным питанием. В процессе непрерывного карусельного вращения шпиндельного блока вокруг неподвижной колонны осуществляется обработка деталей либо путем перемещения заготовок относительно неподвижных инструментов, либо перемещением инструментов относительно заготовок. Полный поворот стола вокруг колонны соответствует времени обработки заготовки и удаления готовых деталей со станка. Как правило, такие автоматы применяются для обработки сравнительно несложных деталей.

Многошпиндельные фасонно-отрезные автоматы являются результатом развития одношпиндельных фасонно-отрезных автоматов и представляют собой, по существу, несколько соединенных в одном корпусе отдельных одношпиндельных автоматов, каждый из которых осуществляет полную обработку детали (автоматы параллельного действия). Они строятся обычно 2, 4, 6 и 8 шпиндельные.

Патронные и центровые многорезцовые одношпиндельные полуавтоматы широко применяются в крупносерийном и массовом производстве тяжелых и сложных работ. Весь процесс обработки производится автоматически, за исключением установки и закрепления заготовок, т.к. конфигурация заготовок в большинстве случаев требует сложных механизмов для автоматического зажима заготовок.

Такие полуавтоматы предназначены для выполнения различных операций, а поэтому кроме поперечных суппортов они снабжаются продольным суппортом. Детали большой длины можно обрабатывать в центрах одновременно несколькими продольными и поперечными суппортами, расположенными по ее длине на круглых скалках (направляющих). Применяя ряд специальных приспособлений, можно осуществлять обработку фасонных поверхностей.

Патронные и центровые полуавтоматы чаще строятся с горизонтальной осью и реже имеют вертикальную компоновку.

Револьверные полуавтоматы предназначены для сложных патронных и центровых работ, требующих большого количества последовательно работающих инструментов. Полуавтоматы этого типа получают все большее применение ввиду их мобильности и широких технологических возможностей в серийном и мелкосерийном производстве деталей длиной до 1750мм, а также деталей типа фланцев, дисков, шкивов, зубчатых колес и др. за один или несколько проходов. Станки могут оснащаться и устройствами для смены инструментов по программе, число которых может достигать 16.

Многошпиндельные полуавтоматы последовательного действия. По принципу действия не отличаются от многошпиндельных автоматов и предназначены для обработки штучных заготовок из различных материалов (втулки, кольца, гильзы, зубчатые колеса и др.). Отличием многошпиндельных горизонтальных полуавтоматов от аналогичных автоматов является отсутствие блока направляющих труб для поддержания вращающихся прутков и наличие зажимных, обычно пневматических патронов. Процесс смены готовой детали на заготовку осуществляется на специально для этого отведенной позиции и производится во время обработки на других позициях. Шпиндель в позиции загрузки не вращается. После установки заготовки оператор включает шпиндель и тем самым снимает блокировку от поворота шпиндельного блока.

Такие полуавтоматы получают широкое применение в крупносерийном и массовом производстве. На них можно выполнять самые разнообразные операции. При оснащении их специальными загрузочными устройствами они могут работать полностью по автоматическому циклу. По специальному заказу они могут выполняться с двойной индексацией шпиндельного блока, то есть могут работать как сдвоенные полуавтоматы с загрузкой в двух позициях, что позволяет обрабатывать одновременно две несложные детали. Производительность при этом значительно возрастает.

Вертикальные многошпиндельные полуавтоматы предназначены для обработки, в основном, крупногабаритных деталей большого диаметра и небольшой длины. Шпиндель в загрузочной позиции не вращается. В остальных позициях шпиндель вращается с частотой, необходимой по характеру обработки в данной позиции.

Шпиндельный блок по окончании обработки во всех позициях по команде оператора поворачивается на одно деление вокруг неподвижной колонны, на гранях которой установлены суппорты. Все суппорты имеют независимый привод. Они могут осуществлять продольную и поперечную обработку, точение конусов и фасонных поверхностей.

Существуют полуавтоматы непрерывного действия с фасонно-продольной обработкой, многошпиндельные полуавтоматы непрерывного действия с невращающейся заготовкой, многошпиндельные полуавтоматы последовательного действия для обработки деталей неправильной формы (рычаги, автотракторные детали и т. д.) в основном для осевой обработки.

1.2 Классификация систем управления

Системы автоматического управления обеспечивают работу станка по заранее заданной программе. Главное отличие автомата от обычного универсального станка состоит в том, что он по точной, заранее составленной программе выполняет определенный повторяющийся цикл работы.

Выбор системы управления во многом зависит от специфики технологического процесса, от конкретных производственных условий, в которых будет эксплуатироваться станок и от требований экономики.

Кроме того, система управления накладывает свои особенности на кинематику и конструкцию станков, систему транспортных и вспомогательных устройств, так как они неотделимы от системы управления.

Однако любая система управления, независимо от ее технологического назначения, должна отвечать следующему ряду основных требований:

высокоточное исполнение команд на перемещение;

синхронизация перемещений в различных циклах;

высокая надежность работы;

мобильность при смене объекта производства;

простота конструкции и низкая стоимость;

оптимальное регулирование процесса обработки;

короткий цикл подготовки программы работы;

выполнение большого количества команд (переключение подач и частот вращения шпинделя, поворот резцовой головки, включение и выключение САЖ, смена инструмента и т.д.);

управление продолжительными циклами обработки без смены программоносителя.

Различают позиционные и контурные СЧПУ.

Позиционные СЧПУ управляют только перемещением рабочих органов в те или иные точки. Например, при сверлении отверстий в печатных платах необходимо задавать только координаты отверстий.

Контурные СЧПУ обеспечивают требуемую скорость в процессе перемещения от одной позиции к другой. Эта скорость является скоростью подачи.

В обозначениях металлорежущих станков предусмотрена возможность указания на тип применяемого СЧПУ. В конце обозначения указывается:

…Ц - цикловое программное управление, управляющими элементами являются концевые переключатели, упоры и т. д.

…Ф1 - станок снабжен цифровой индикацией положения инструмента.

…Ф2 - позиционная СЧПУ.

…Ф3 - контурная СЧПУ.

…Ф4, …Ф5 - обрабатывающие центры (ОЦ) - многооперационные станки с позиционным и контурным СЧПУ соответственно.

Также в обозначении станков присутствуют буквы Р и М.

Р - револьверная головка (например, РФ3).

М - оборудование снабжено магазином элементов, что характерно для ОЦ.

В СЧПУ программа работы станка задается в виде определенного комплекса чисел или знаков, записанных на программоносителе (перфоленте, магнитной ленте, перфокарте, ОЗУ и т.д.). Системами с программированием цикла и режимов работы оснащаются станки автоматы и полуавтоматы, а также станки с автоматической сменой режимов работы.

2. По принципу управления движениями: позиционные и контурные. Позиционные системы управления, в свою, очередь делятся на:

а) системы с установкой координат без определенного линейного перемещения между отдельными точками обработки с заданной точностью. При этом все исполнительные узлы могут перемещаться в любом направлении одновременно, но не взаимосвязано. Траектория движения инструмента при этом существенного значения не имеет и определяется в основном конструкцией станка и его кинематической схемой. Например, в станках сверлильно-расточной группы необходимо вначале установить ось сверла над центром будущего отверстия, что может осуществляться одновременным, но несогласованным движением сверла по осям X и Y, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси сверла, а затем дать рабочее движение (т.е. подачу) по оси Z, вдоль оси сверла. Перемещения в таких системах задают в абсолютных координатах или приращениях, а работа систем основана на сравнении показаний абсолютных и неабсолютных датчиков перемещения с координатными данными, заданными программой.

б) системы с прямоугольным последовательным перемещением исполнительных органов от пункта к пункту в процессе формообразования детали. Такие системы можно назвать системами с программированием прямых, параллельных направлению движения исполнительных органов. Перемещения в позиционной системе с необходимой точностью, определяемой ее разрешающей способностью, как правило, задают в абсолютной системе координат, имеющей фиксированное начало отсчета, которое может изменяться по программе или вручную.

Рабочее движение в позиционных системах ПУ, т.е. движение подачи, всегда осуществляется по одной координате. Системами с программированием прямых могут считаться токарные, карусельные и фрезерные станки.

Системы контурного (непрерывного) управления являются функциональными. В таких системах производится непрерывное, одновременное и согласованное движение исполнительных органов и заготовки, что обеспечивает обработку криволинейных контуров и поверхностей на станках токарной, фрезерной, строгальной и др. групп. Программа задается в относительных координатах или в приращениях, определение которых на криволинейных участках контура производится автоматически, с помощью специальных устройств - интерполяторов.

Само собой разумеется, что контурные СПУ в принципе можно применять вместо позиционных, т.к. они также обеспечивают приход инструмента в заданную точку с высокой точностью, хотя координаты у них обычно заданны в относительной системе. Однако из-за наличия интерполятора контурные СПУ всегда были намного сложнее и дороже позиционных и в связи с этим их применяли только в станках, предназначенных для обработки деталей с криволинейными образующими взамен копировальных станков, где эффект от применения СПУ был особенно велик.

Появление инструментальных магазинов в среднем на 30-40 инструментов, необходимость в связи с этим автоматически изменять частоту вращения шпинделя в широких пределах, иметь коррекцию размеров инструментов и индикацию положений рабочих органов станка, упрощения программирования за счет введения стандартных циклов, переход на следящий режим позиционирования для обеспечения высокой точности - все это привело к резкому усложнению позиционных СПУ. Добавление в такую СПУ интерполятора не на много увеличивает ее сложность и стоимость, но делает ее универсальной.

В связи с этим большинство современных СПУ выполняют как универсальные. И только простейшие СПУ до некоторой степени сохраняют это разделение.

Подразделение СПУ на позиционные, контурные, универсальные привело к некоторым изменениям в нумерации и обозначении станков с ЧПУ. Так, в обозначении станков с ЧПУ обозначают дополнительным индексом в конце: Ф1 - станки с цифровой индикацией и пред набором координат, Ф2 - с позиционными системами ПУ, Ф3 - с контурными системами ПУ , Ф4 - с универсальными системами для позиционной и контурной обработки, С1, С2, С3 - количество управляемых координат. Например, токарный станок с контурной СПУ и управлением по 2-м координатам обозначают 1А616Ф3С2.

В зависимости от наличия или отсутствия обратной связи СПУ подразделяются на замкнутые и разомкнутые системы управления. Система управления с разомкнутым контуром значительно проще и дешевле в изготовлении, но в ней отсутствует контроль исполнения команды, что снижает ее точностные показатели. В СПУ с замкнутым контуром датчик обратной связи следит за положением исполнительного органа и вносит необходимые коррективы в работу СПУ. Такие системы обладают большей точностью, но они сложнее, менее надежны и соответственно дороже СПУ с разомкнутым контуром.

По характеру информации, выраженной в программе различают системы непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.

Программа в СПУ с фазовой модуляцией считывается с магнитной ленты в виде синусоидального напряжения, имеющего угол сдвига фазы относительно опорного напряжения, пропорциональный заданному перемещению, а воспроизведенное движение контролируется датчиками перемещения также в угол сдвига фаз синусоидальных напряжений. Фаза напряжений, характеризующее заданное и фактическое перемещения, сравниваются в так называемом фазовом индикаторе, который выдает сигнал следящему приводу в виде выпрямленного напряжения. Фазовая система ПУ по сравнению с другими СПУ имеет минимальный объем электронного оборудования и надежные в работе датчики положения.

Дискретная (импульсная) система - это такие СПУ, в которых информация о перемещении инструмента или изделия выражена соответствующим числом импульсов.

В разомкнутых импульсных системах в качестве исполнительных устройств применяют шаговые двигатели, поэтому их часто называют шагово импульсными. В таких системах каждый импульс преобразуется в поворот вала шагового двигателя на определенный строго фиксированный угол. Число импульсов определяет величину перемещения, а частота их следования - скорость движения рабочего органа станка.

Замкнутые импульсные системы называют счетно-импульсными, т.к. в них использована счетная схема. В счетно-импульсных суммирующих системах величина перемещения рабочего органа задается в виде суммы импульсов. Каждому импульсу соответствует перемещение, например, на 0,01 мм. Заданное число импульсов фиксируется и сравнивается с числом импульсов, поступающих по мере перемещения рабочего органа от датчика обратной связи. Когда число импульсов, поступивших от датчика обратной связи сравняется с заданным числом импульсов, подается команда для прекращения движения рабочих органов.

Однако импульсные СПУ имеют и недостатки:

1. Возможность потери информации (пропадания импульсов программы), что приводит к изменению размеров детали.

2. Задание размеров в приращениях приводит к накопленной ошибке.

3. Введение в систему обратной связи с целью повышенной точности обработки усложняет конструкцию станка, снижает их надежность и долговечность.

Системы же с фазовой модуляцией в значительной мере свободны от этих недостатков благодаря непрерывному характеру управляющей информации, имеющей вид фазомодулированных синусоидальных сигналов переменного тока. Для получения информации в импульсных системах применяют преобразователь унитарного кода в фазовый, что обеспечивает простоту и надежность управления.

Шагово-импульсные системы применяют в станках с точностью обработки не выше +-0.1 мм и шероховатости поверхности 5-6 при максимальном времени обработки деталей в цикле не более 30-40 мин.

Счетно-импульсные системы с обратной связью находят применение в станках для обработки крупногабаритных деталей с циклом обработки до 2-3 часов, точностью до +- 0.1 мм и 5. Станки 6441Пр, ГФ-628, СФП-1, СФП-2 и др.

Дискретно-непрерывные системы подразделяются на аналого потенциометрические (АПСПУ) и импульсно-фазовые.

В АПСПУ происходит непрерывно воспроизведение и обработка текущих значений координатных точек траектории центра фрезы, вычисленных относительно начала координат, принятых для системы. АПСПУ является системой абсолютного отсчета со встроенным линейным интерполятором электромеханического типа. В системе предусмотрен датчик обратной связи потенциометрического типа. Программоносителем является обычно 80-колонковые перфокарты. В таких системах сравнивающие устройство сравнивает число импульсов, заданных программой с числом импульсов системы обратной связи (с числом фактически отработанных импульсов) и выдает аналоговый сигнал, пропорциональный отклонению скорости и величины перемещения рабочих органов станка от заданных программой. Этот сигнал образуется в результате отклонения от нулевого положения реверсивного счетчика, в котором выполняется одновременное сложение импульсов программы и вычитание импульсов обратной связи.

В импульсно-фазовых системах аналоговый сигнал управления образуется в результате сдвига по фазе последовательности импульсов обратной связи по отношению к последовательности импульсов программы.

АПСПУ обеспечивает выполнение следующих функций: работу станка в позиционном и контурном режиме, одновременную продольную и поперечную подачу при включенной вертикальной подаче, линейную интерполяцию контура детали, изменение положения начала координат в системе воспроизведения.

Таким образом АПСПУ характеризуется непрерывным управлением приводами продольной и поперечной подач и позиционным управлением приводом вертикальной подачи станка.

Системы ПУ, в которых помимо основного потока информации на перемещение какого-либо исполнительного узла по определенным направлениям с коррекцией или без коррекции этого перемещения, имеется ряд дополнительных воздействий в зависимости от факторов случайного характера (состояния режущей кромки инструмента, физические свойства обрабатываемого материала, тепловые колебания и другие силовые воздействия на систему СПИД), называются самонастраивающимися или адаптивными системами ПУ. Такие системы можно отнести к системам с программированием цикла и режима обработки.

1.3 Приемущества контурного вида управления

Данное устройство ЧПУ относится к устройствам ЧПУ третьего поколения. Оно построено на базе кремневых интегральных микросхем третьего поколения. Такие устройства характеризуются только одним потокам интерполяции направленным от программы к рабочим органам станка. Перемещение рабочих органов станка не контролируется и не сопоставляется с перемещением, заданным в программе. В принципе они обеспечивают меньшую точность обработки, по сравнению с замкнутыми устройствами, однако они имеют ряд преимуществ:

- простота конструкции;

- высокая надёжность;

- наличие быстроходных и надёжных шаговых двигателей.

По своим функциональным возможностям данное устройство ЧПУ может относиться к классу NC, то есть происходит запоминание информации только на один кадр. Оно может обеспечить достаточно большую скорость перемещения рабочих органов станка, а также широкий диапазон регулируемых скоростей. Это устройство применяется для управления фрезерными станками средних размеров с автоматической сменой режущего инструмента, и используется для обработки деталей сложной конструкции. Устройство может работать в ручном и автоматическом режиме. Оно оснащено цифровой информацией и позволяет вводить технические вспомогательные команды, а также коррекцию на длину и радиус режущего инструмента. Устройство обеспечивает постоянство контурной скорости и осуществляет линейную и круговую интерполяцию по методу цифровых дифференциальных уравнений.



Глава 2.Разработка функциональной схемы контурной системы ЧПУ

2.1 Устройство ввода-вывода прогаммы управления

Данное устройство ЧПУ осуществляет переработку информации аппаратным способом. Конструктивно устройство ЧПУ, рисунок 1, выполнено в виде двух частей:

- вычислитель А;

- устройство управления шаговым приводом Б.

Рис. 2.1. Функциональная схема СЧПУ

Вычислитель является основной частью устройства и предназначен для ввода информации с перфоленты или переключений пульта оператора, для преобразования вводимой информации к виду необходимому для интерполирования, к выполнению линейной и круговой интерполяции с выдачей сигнала в устройство привода, индикации номера кадра, коррекции управляющей технической операции станка с других операций.

Вычислитель является одним из основных частей устройства и предназначен для управления технологическими станками, индикации геометрической информации, номера кадра и технологических команд и других функций приведенных ранее. В состав вычислителя входит:

- блок входных реле;

- блок индикации;

- вычислитель;

- БЗС

- УВВ;

- фотосчитывающее устройство;

- блок памяти S;

- интерполятор;

- выходной блок;

- генератор тактов и стробов;

- блок питания;

- устройство управления шаговым двигателем.

Блоки входных и выходных реле предназначены для связи станка с устройством ЧПУ. Они воспринимают и передают информацию в двоично-десятичном коде на станок с УВВ и со станка в УВВ.

Блок индикации осуществляет индикацию номера кадра инструмента ИНТ и БЗС. Одновременно можно индицировать содержимое только одного регистра.

Вычислитель имеет несколько пультов управления, например, пульт оператора, пульт коррекции и другие. Пульт оператора расположенный на передней панели вычислителя, задаёт режим работы. Ряд операций блок выполняет совместно с блоком регистров. Пульт коррекции служит для набора величин коррекции на длину при линейной интерполяции и на радиус, при круговой интерполяции. Величина коррекции набирается переключателями в виде четырёхзначных чисел и поступает в дешифратор. Затем в двоично-десятичном коде оно записывается в регистр ввода-вывода.

БЗС обеспечивает формирование сигналов, частота следования которых соответствует заданной скорости перемещения рабочего органа станка; поддержание постоянства контурной скорости в случае перемещения режущего инструмента по криволинейным траекториям; поддержку режима разгона; поддержку режима торможения.

Рабочая подача может достигать 4800 мм/мин. В блоке задания скорости предусмотрен автоматический разгон и торможение рабочего органа станка, а также автоматическое вычисление тормозного пути в соответствии с заданной скоростью. Время разгона в пределах от 1,1 до 2,1 сек.

УВВ обеспечивает считывание и дешифрацию управляющей информации, также контроль по паритету и структуре кадра, преобразует часть информации из двоично-десятичного в двоичный код, производит ручной ввод ряда данных, вводит информацию в интерполятор и БЗС ,в блоке цифровой индикации, технологической информации на блок реле.

УВВ включает в себя фотосчитывающую приставку и блок регистров ввода, управления и памяти. Фотосчитывающая приставка обеспечивает считывание информации с перфоленты блока управления. Скорость считывания не менее трёхсот строк в секунду. Блок регистров ввода предназначен для ввода информации с одной строки в регистр ввода и до прихода следующей контрольной строки на четность и дешифровки некоторых команд.

Блок памяти включает в себя блоки памяти основных команд (N,S,T) и блоки памяти вспомогательных команд (L,N). Блоки памяти L-номер и координата коррекции, N-номер кадра, хранит номер кадра, выполняет необходимые операции на пульте и выводит её по соответствующей координате.

Блок памяти S-скорость главного движения, T-номер сигнала,M- вспомогательная функция, используется для хранения информации технических команд на релейные регистры.

Интерполятор является основной частью вычислителя. Интерполятор осуществляет коррекцию по длине и по диаметру режущего инструмента.

Генератор тактовых стробов используют в организации работы всех работ вычислителя. Блок питания предназначен для питания всех устройств ЧПУ.

Устройство управления шаговым приводом содержит пульт контроля, блоки управления шаговым двигателем, блоки фиксации регистров. Оно предназначено для преобразования, формирования и усиления сигналов, поступающих и интерполируемых в сигналы управления шаговыми привадами станка.

УУШП может работать в двух режимах:

- «Работа» - по сигналу интерполятора, используемых при автоматическом управлении станка;

- «Проверка» - по сигналам автоматического генератора, используемого при настройки и проверки работоспособности устройства.

В процессе работы металлорежущего станка фотосчитывающее устройство осуществляет построчное считывание информации с перфоленты, закодированной в коде ISO-7bit, и направляет её в УВВ.

Последнее обеспечивает контроль и предварительную обработку считываемой информации. Информация из УВВ поступает в зависимости от её назначения, блок реле, устройство задания скорости и интерполятор.

Рис.2.2. Устройство ввода-вывода

Устройство ввода-вывода состоит из:

основног узла управления;

блоков управления ввода и вывода;

печатующее устройство и устройство наблюдения;

механизмы протягивания прогаммоносителя;

блок усиления сигналов считывания;

система линеек усилителей.

Процесс считывания информации осуществляется циклами. Характеристика цикла:

Рис. 2.3. Характеристика цикла

ИРВ- импульс разрешения ввода;

Ивыб- импульс выборки;

ИГ- импульс готовности.

Действия, выполняемые в устройстве ввода-вывода и длительность управления.

включение устройства и начало считывания;

импульс разрешения ввода;

время на участке определяется от места расположения кадров начала считывания программ, между импульсом готовности и импульсом выборки стоит 6мкс и импульс готовности выдается по мере накопления «слова», «числа», «команды».

2.2 Счетчики импульсов и преобразователи

Счетчиком называют цифровое устройство, обеспечивающее подсчет числа электрических импульсов. Коэффициент пересчета счетчика равен минимальному числу импульсов, поступивших на вход счетчика, после которых состояния на выходе счетчика начинают повторяться. Счетчик называют суммирующим, если после каждого очередного импульса цифровой код на выходе счетчика увеличивается на единицу. В вычитающем счетчике после каждого импульса на входе счетчика цифровой код на выходе уменьшается на единицу. Счетчики, в которых возможно переключение с режима суммирования на режим вычитания, называются реверсивными.

Рис. 2.4. Функциональная схема счетчика К155ИЕ5

Счетчики могут быть с предварительной установкой. В таких счетчиках информация с входов предварительной установки передается на выходы счетчика по сигналу на специальном входе предварительной установки. По своей структуре счетчики делятся на последовательные, параллельные и параллельно-последовательные. Последовательный двоичный счетчик образован цепочкой последовательно включенных счетных триггеров. В параллельном счетчике счетные импульсы подаются одновременно на входы всех разрядов счетчика. Параллельные счетчики имеют большее быстродействие по сравнению с последовательными. Параллельно-последовательные счетчики имеют высокое быстродействие и большое значение коэффициента пересчета.

Рис. 2.5. Временная диаграмма работы

Счетчики электрических импульсов имеются как в ТТЛ, так и в КМОП сериях. В качестве примера счетчика ТТЛ рассмотрим микросхему К155ИЕ5. Функциональная схема счетчика К155ИЕ5 приведена на рисунке 2.4.,а, а его условное обозначение на принципиальных схемах на рисунке 2.4.,б. Счетчик К155ИЕ5 имеет фактически два счетчика: с коэффициентом пересчета два (вход С0 и выход Q0) и с коэффициентом пересчета восемь (вход С1 и выходы Q1, Q2, Q3). Счетчик с коэффициентом пересчета шестнадцать легко получается, если соединить выход Q0 с входом С1, а импульсы подавать на вход С0. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рисунке 2.5.

Рис. 2.6. Схемы подключения

На рисунке 2.6. приведены схемы подключения, изменяющие коэффициент пересчета счетчика К155ИЕ5. Выходы счетчика Q0, Q1, Q2, Q3 имеют соответственно весовые коэффициенты 1, 2, 4, 8. Соединив выходы Q1, Q2 с входами установки счетчика в нуль, получим счетчик с коэффициентом пересчета шесть (рис. 2.6.,а). На рисунке 2.6.,б показана схема подключения для получения коэффициента пересчета десять, а на рисунке 2.6.,в - двенадцать. Однако в схемах, приведенных на рисунках 2.6.,а - в, отсутствует возможность установки счетчиков в нулевое состояние.

Рис. 2.7. Счетчики

На рисунках 2.7.,а, б приведены соответственно счетчики с коэффициентами пересчета шесть и семь, в которых предусмотрен вход установки счетчика в нулевое состояние. Анализ работы схем, приведенных на рисунках 2.6. - 2.7., показывает, что для получения заданного коэффициента пересчета соединяют с входами логического элемента И те выходы счетчика, весовые коэффициенты которых в сумме дают необходимый коэффициент пересчета.

В таблице1 приведены состояния на выходах счетчика с коэффициентом пересчета десять после поступления каждого очередного импульса, причем счетчик предварительно был установлен в нулевое состояние.

Таблица1

Рассмотрим некоторые из счетчиков КМОП серии. На рисунке приведено условное обозначение микросхемы К561ИЕ8 - десятичного счетчика с дешифратором. Микросхема имеет вход установки в нулевое состояние R, вход для подачи счетных импульсов положительной полярности CP и вход для подачи счетных импульсов отрицательной полярности CN.



Переключение счетчика происходит по спадам импульсов положительной полярности на входе CP, при этом на входе CN должна быть логическая единица. Переключение счетчика будет происходить по спадам импульсов отрицательной полярности на входе CN, если на входе CP логический нуль. На одном из десяти выходов счетчика всегда присутствует логическая единица. Установка счетчика в нуль происходит при подаче на вход R логической единицы. При установке счетчика в нулевое состояние на выходе «0» установится логическая единица, а на всех остальных выходах - логические нули. Микросхемы К561ИЕ8 можно объединять в многоразрядные счетчики с последовательным переносом, соединяя выход переноса предыдущей микросхемы с входом CN последующей. На рисунке приведена схема многоразрядного счетчика на микросхемах К561ИЕ10.

Промышленностью выпускаются счетчики для электронных часов. Рассмотрим некоторые из них. На рисунке приведено условное обозначение микросхемы К176ИЕ3, а на рисунке- микросхемы К176ИЕ4. На этих рисунках выходы микросхем показаны для стандартного обозначения сегментов индикатора, приведенного на рисунке. Эти микросхемы отличаются друг от друга коэффициентом пересчета. Коэффициент пересчета микросхемы К176ИЕ3 равен шести, а коэффициент пересчета микросхемы К176ИЕ4 равен десяти. Установка в нуль рассматриваемых счетчиков осуществляется подачей сигнала логической единицы на вход R. Переключение триггеров счетчика происходит по спаду положительных импульсов на входе С. Микросхемы имеют выход переноса р (вывод 2), к которому подключается обычно вход следующего счетчика. Спад напряжения на этом выходе формируется в момент перехода счетчика из состояния 9 в состояние 0. Микросхемы различаются сигналами на выводе 3. Для микросхемы К176ИЕ3 на выводе 3 появляется логическая единица при установке счетчика в состояние 2, а для микросхемы К176ИЕ4 - в состояние 4. Это необходимо для обнуления показаний часов в 24 часа.

При подаче сигнала логического нуля на вход S логические единицы на выходах счетчика будут на тех сегментах, которые отображают число импульсов, поступивших на вход счетчика. При подаче на вход S логической единицы полярность выходных сигналов изменяется. Возможность переключения полярности выходных сигналов позволяет достаточно просто изменить схему подключения цифровых индикаторов.

На рисунке приведена схема подключения люминесцентного индикатора к выходам микросхемы К176ИЕ4. Подключение индикатора к выходам микросхемы К176ИЕ3 будет аналогичным.

Схемы подключения светодиодных индикаторов к выходам микросхемы 176ИЕ4 приведены на рисунках. На входе S устанавливается логический нуль для индикаторов с общим катодом и логическая единица для индикаторов с общим анодом.

Описание микросхем К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ13, К176ИЕ17, К176ИЕ18, К176ИД2, К176ИД3 и их применение в электронных часах можно найти в [29]. Микросхемы К176ИЕ12, К176ИЕ13, К176ИЕ17, К176ИЕ18 допускают напряжение питания от 3 до 15 В.

Универсальные счетчики могут работать в режимах сложения, вычитания, установки начального кода, установки счетчика в нуль. К универсальным счетчикам относятся К155ИЕ6, К155ИЕ7, К561ИЕ11, К561ИЕ14. Алгоритм работы счетчика К155ИЕ6 рассматривается во второй главе.

Преобразователь

Недостатком известного преобразователя является то, что выключение одной пары силовых тиристоров производится одновременно с включением другой пары, что не позволяет регулировать (стабилизировать) и изменять вид преобразования тока.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя и повышение его КПД.

Цель достигается тем, что преобразователь, содержащий входные и выходные выводы, пары силовых тиристоров, аноды первых тиристоров которых соединены с первым входным выводом, катоды вторых с вторым входным выводом, а катоды первых и аноды вторых с выходными выводами, вспомогательный тиристор заряда, анод которого соединен с первым входным выводом, вспомогательные тиристоры разряда и формирователь импульсов тока, снабжен конденсатором и вспомогательным ключом заряда и ключом разряда конденсатора, а формирователь импульсов тока снабжен устройством задержки импульсов тока, при этом катод вспомогательного тиристора заряда соединен с первой обкладкой конденсатора и первым выводом вспомогательного ключа разряда, второй вывод которого соединен с катодами вторых тиристоров пар силовых тиристоров, аноды вторых тиристоров соединены с анодами вспомогательных тиристоров разряда, катоды которых соединены с второй обкладкой конденсатора и первым выводом вспомогательного ключа заряда, второй вывод которого соединен с вторым входным выводом, выходные выводы формирователя импульсов тока соединены с управляющими выводами пар силовых тиристоров и вспомогательных тиристора заряда и ключа заряда, выходные выводы устройства задержки импульсов тока с управляющими выводами вспомогательных тиристоров разряда и ключа разряда конденсатора.

управление счетчик импульс

Рис 2.8. Функциональная схема преобразователя.

Преобразователь содержит первый 1 и второй 2 входные выводы и первый 3 и второй 4 выходные выводы, первую 5 и вторую 6 пары силовых тиристоров, аноды первых тиристоров 5', 6' которых соединены с первым входным выводом 1, катоды вторых тиристоров 5'', 6'' с вторым входным выводом 2, а катоды первых тиристоров 5', 6' и аноды вторых тиристоров 5'', 6'' с первым 3 и вторым 4 выходными выводами, вспомогательный тиристор 7 заряда, анод которого соединен с первым входным выводом 1, вспомогательные тиристоры 8, 9 разряда, формирователь 10 импульсов тока, конденсатор 11, вспомогательные ключ 12 заряда и ключ 13 разряда, например транзисторы, устройство 14 задержки импульсов тока. Катод вспомогательного тиристора 7 заряда соединен с первой обкладкой конденсатора 11 и первым выводом вспомогательного ключа 13 разряда, например коллектором, второй вывод которого (эмиттер) соединен с катодом вторых тиристоров 5'', 6'' пар силовых тиристоров. Аноды вторых тиристоров 5'', 6'' соединены с анодами вспомогательных тиристоров 8, 9 разряда, катоды которых соединены с второй обкладкой конденсатора 11 и первым выводом вспомогательного ключа 12 заряда, второй вывод которого соединен с вторым входным выводом 2. Выходные выводы 15-22 формирователя 10 импульсов тока соединены с управляющими выводами 15-22 пар 5, 6 силовых тиристоров и вспомогательных тиристоров 7 заряда и ключа 12 заряда, выходные выводы 23-26 устройства 14 задержки импульсов тока с управляющими выводами 23-26 вспомогательных тиристоров 8, 9 разряда и ключа 13 разряда.

Формирователь 10 импульсов тока формирует на выходах 15-18 короткие синфазные импульсы тока, которые включают первую пару 5 силовых тиристоров и вспомогательные тиристор 7 заряда и ключ 12 заряда, при этом через пару 6 силовых тиристоров и выходные выводы 3, 4 протекает ток одного направления, а конденсатор 11 заряжается до напряжения на входных выводах 1, 2. Преобразователь находится в этом состоянии по окончании действия импульсов тока (вспомогательные тиристор 7 заряда и ключ 12 заряда выключены, конденсатор 11 заряжен, а первая пара 5 силовых тиристоров включена). Через заданный промежуток времени устройство 14 задержки импульсов тока формирует на выходах 23, 24 задержанные относительно импульсов тока на выходах 15-18 короткие синфазные импульсы тока, которые включают вспомогательные первый тиристор 8 разряда и ключ 13 разряда, при этом второй тиристор 5'' первой пары 5 силовых тиристоров выключается, а конденсатор 11 разряжается через выходные выводы 3, 4 и первый тиристор 5' первой пары 5 силовых тиристоров. По окончании действия импульсов тока вспомогательные тиристор 8 разряда и ключ 13 разряда выключаются, одновременно с ними выключается и первый тиристор 5' первой пары 5 силовых тиристоров и ток через выходные выводы 3, 4 прерывается. Формирователь 10 импульсов тока и устройство 14 задержки импульсов тока при непрерывной работе формируют последовательности коротких синфазных импульсов тока по заданному закону, например, только на выходах 15-18 и 23, 24 или на выходах 19-22 и 25, 26, или поочередно, при этом изменяется направление тока через выходные выводы 3, 4, т.е. изменяется вид преобразования тока. Преобразователь, содержащий входные и выходные выводы, пары силовых тиристоров, аноды первых тиристоров которых соединены с первым входным выводом, катоды вторых с вторым входным выводом, а катоды первых и аноды вторых с выходными выводами, вспомогательный тиристор заряда, анод которого соединен с первым входным выводом, вспомогательные тиристоры разряда и формирователь импульсов тока, отличающийся тем, что он снабжен конденсатором и вспомогательными ключом заряда и ключом разряда, а формирователь импульсов тока устройством задержки импульсов тока, при этом катод вспомогательного тиристора заряда соединен с первой обкладкой конденсатора и первым выводом вспомогательного ключа разряда, второй вывод которого соединен с катодами вторых тиристоров пар силовых тиристоров, аноды же вторых тиристоров соединены с анодами вспомогательных тиристоров разряда, катоды которых соединены с второй обкладкой конденсатора и первым выводом вспомогательного ключа заряда, второй вывод которого соединен с вторым входным выводом, а выходные выводы формирователя импульсов тока соединены с управляющими выводами пар силовых тиристоров и вспомогательных тиристора заряда и ключа заряда, выходные же выводы устройства задержки импульсов тока с управляющими выводами вспомогательных тиристоров разряда и ключа разряда.