Программное и цифровое управление станками

12

Цикловое программное управление станками

Частично или полностью программировать цикл работы станка, режим обработки и смену инструмента, задавать путем предварительно налаживаемых упоров величину перемещений его исполнительных органов можно с помощью системы циклового программного управления (ЦПУ). Будучи аналоговой системой управления замкнутого типа, она обладает высокой гибкостью, обеспечивает легкое изменение последовательности включения аппаратов (электрических, гидравлических, пневматических и т.д.), управляющих элементами цикла. Преимущество системы ЦПУ: простота конструкции и обслуживания, а также низкая стоимость; недостаток -- трудоемкость размерной наладки упоров и кулачков.

Станки с ЦПУ применяют в условиях серийного, крупносерийного и массового производства деталей простых геометрических форм. Этими системами оснащают токарно-револьверные, токарно-копировальные, лоботокарные, вертикально-фрезерные, копировально-фрезерные, вертикально-сверлильные, агрегатные станки, промышленные роботы (ПР) и др.

В систему ЦПУ (рис. 1) входит программатор циклов, схема автоматики, исполнительное устройство и устройство обратной связи. Само устройство ЦПУ состоит из программатора циклов и схемы автоматики. Программатор циклов состоит из блока 1 задания программы и блока 7 поэтапного ее ввода. Часть программы, одновременно вводимую в систему управления называют этапом. Из блока 1 информация поступает в схему автоматики, состоящую из блока 2 управления циклом работы станка и блока 6 преобразования сигналов контроля.

Действия программатора циклов с исполнительными органами станка и датчиком обратной связи согласует схема автоматики, которая усиливает и размножает команды и может выполнять ряд логических функций, в том числе реализацию стандартных циклов. Сигнал из блока 1 через блок 2 поступает в исполнительное устройство, которое обеспечивает отработку заданных программой команд: включает исполнительные элементы 3 (приводы исполнительных органов станка, электромагниты, муфты и т.д.) и исполнительные органы 4 станка (суппорты, револьверные головки, столы и т.д.).

Окончание обработки контролирует датчик 5, который через блок 6 дает команду блоку 7 на включение следующего этапа программы.

В качестве примера на рис. 2, а приведена система ЦПУ станком, исполнительные органы которого (продольные 1 и поперечные 2 салазки) приводятся в движение от электродвигателей 4 и 3 соответственно.

Перемещение салазок 1 ограничивают переключатели К1В и К1Н, а салазок 2 -- переключатели К2В и К2Н. Величину хода салазок задают упорами.

Рис. 1. Функциональная схема системы ЦПУ

Рис. 2 - Система ЦПУ: а -- кинематическая схема (1, 2-- продольные и поперечные салазки соответственно; 3, 4 - электродвигатели); б -- обрабатываемый цикл; в -- штекерная панель с электромагнитом шагового искателя (1 -- щетка; 2, 4 -- горизонтальная и вертикальная шины; 3 -- штекерное гнездо; 5 - 8 -- штекеры); г -- схема управления

Широко распространенным электрическим программатором является штекерная панель, она вместе с шаговым искателем составляет командоаппарат (рис. 2, в). Шаговый искатель состоит из контактного поля и ротора. Контактное поле представляет собой совокупность неподвижных контактных пластин, расположенных по окружности и изолированных друг от друга. Ротор изготавливают в виде щетки с электромагнитным приводом. Он состоит из электромагнита и храпового механизма. При поступлении на вход электромагнита импульсного сигнала ротор поворачивается на один шаг и коммутирует очередную пластину контактного поля. На штекерной панели монтируют горизонтальные 2 и вертикальные 4 шины, соединяя их соответственно с пластинами шагового искателя и с обмотками реле. Количество горизонтальных шин равно числу ходов цикла, а вертикальных шин -- числу команд. В местах пересечения горизонтальных и вертикальных шин располагают штекерные гнезда 3. Они состоят из двух полуколец, одно из которых соединяют с горизонтальной шиной, а другое -- с вертикальной. При установке штекера в гнездо, соответствующие шины соединяются и срабатывает реле. При отсутствии штекера шины разомкнуты и реле не срабатывает.

Так, для программирования цикла (см. рис. 2, а), содержащего четыре последовательных хода салазок 1 и 2 (К1В и К1Н -- соответственно ход салазок 1 вперед и назад, К2В и К2Н -- соответственно ход салазок 2 вперед и назад; рис. 2, б), необходимо установить в гнезда штекерной панели штекеры 5, 6, 7 и 8 (см. рис. 2, в). От шагового искателя, при включении станка, напряжение поступает на верхнюю горизонтальную шину штекерной панели. Срабатывает реле К2В (рис. 2, г) и подает команду «Вперед» приводу поперечных салазок. Последние перемещаются вперед до срабатывания переключателя К2В. Контакты К2В замыкаются, что вызывает срабатывание электромагнита шагового искателя. Ротор искателя поворачивается на один шаг, верхняя шина и реле К2В обесточиваются и движение прекращается. Затем напряжение поступает на вторую горизонтальную шину: срабатывает реле К1В и подает команду «Вперед» приводу продольной подачи. Продольные салазки перемешаются справа налево до срабатывания переключателя К1В и, следовательно, шагового искателя; возникает сигнал К2Н (поперечные салазки перемещаются в начальное положение), а затем сигнал К1Н (продольные салазки перемешаются в начальное положение). Ротор шагового искателя на вспомогательном ходу возвращается в исходное положение, после этого цикл повторяется.

Штекеры в отверстия панели вставляет оператор непосредственно на станке. Для избежания ошибок программирования и его ускорения на штекерную панель накладывают бумажные шаблоны, на которых в соответствии с программой пробиты отверстия, через них штекеры вводят в гнезда панели. Для многократного использования исполнительных органов в цикле число конечных переключателей должно быть увеличено. В таких случаях для управления движением по каждой координатной оси целесообразно применять кулачковую панель (рис. 3), представляющую собой плиту 1 с Т-образными пазами 3, в которых устанавливают кулачки, 2, взаимодействующие с блоком 4 путевых переключателей

Рис. 3. Кулачковая панель: 1 - плита; 2 - кулачки; 3 - пазы; 4 - путевые переключатели.

Для задания команд существуют различные по конструкции программаторы. Например, кулачковый командоаппарат является программатором механического типа с кинематическим заданием программы. Его выполняют в виде барабана 1 с приводом 2 от электродвигателя со встроенным редуктором (рис. 4, б). Барабан периодически поворачивается на определенный угол и фиксируется в заданном положении. На его цилиндрической поверхности, выполняющей роль панели, предусмотрены гнезда 3, в которые устанавливают штекеры (шарики или штифты). Количество гнезд по окружности барабана равно числу этапов программы, а вдоль образующей барабана -- числу программируемых параметров. Информация считывается блоком 4 путевых переключателей; при наличии штекера переключатель срабатывает и выдает команду. Конструктивно кулачковый командоаппарат часто выполняют дисковым (рис. 4, б). На торце диска 1, имеющего дискретный привод 2, сделаны гнезда. Информацию считывает блок 3 путевых переключателей.

Рис. 4. Схемы конструкций командоаппаратов: а -- барабанного типа; б -- дискового типа; в -- со сменным перфорированным диском (1 -- электромагнит;2 -- храповый механизм; 3 -- диск).

Рис. 5. Функциональная схема программируемого командоадаптора: 1 - центральный процессор; 2 - постоянное запоминающее устройство; 3 - входное устройство; 4 - сканатор; 5 - выходное устройство; 6 - программная панель

Командоаппарат со сменным алюминиевым диском 3 показан на рис. 4, в. На диске записывают (путем пробивки в определенных местах отверстий 4) требуемую информацию, считывание которой осуществляет фотоэлектрический прибор. Диск можно использовать многократно. Дискретный привод командоаппарата состоит из электромагнита 1 и храпового механизма 2.

Программируемые командоаппараты (ПК), построенные на базе микроэлектроники, являются универсальными системами ЦПУ. Они представляют собой управляющие логические машины последовательного действия. Программируемый командоаппарат состоит из центрального процессора (управляющего устройства) 1, постоянного запоминающего устройства 2, входного 3 и выходного 5, устройств сканатора (генератора импульсов) 4 (рис. 5).

Программную панель 6 (загрузчик программ), оснащенную декадными переключателями и клавишами с обозначением логических элементов можно подключать к ПК. Программирование осуществляют последовательным нажатием клавишей. Программа записывается и запоминается в устройстве 2. В режиме работы сканатор 4 поочередно подключает к процессору 1 устройства 3 и 5. В процессоре 1 согласно программе выполняются заданные логические операции, преобразующие состояния входов в состояния выходов.

Прямое цифровое управление

Систему прямого цифрового управления (ПЦУ) можно определить как такую производственную систему, в которой какое-то количество станков управляются в реальном времени ЭВМ, напрямую связанной с ними. В системах ПЦУ нет устройств считывания с перфоленты, что позволяет избавиться от наименее надежного компонента. Управляющая программа обработки детали непосредственно передается станку из памяти ЭВМ. Одну ЭВМ можно использовать для управления более чем 100 отдельными станками. ЭВМ системы ПЦУ предназначена для выдачи команд каждому станку по требованию. ПЦУ предусматривает также сбор и обработку данных, поступающих от станка обратно к ЭВМ.

Составные части системы ПЦУ

На рис. 6 представлена конфигурация типичной системы ПЦУ. В состав системы прямого цифрового управления входят четыре основных компонента:

1. Центральная ЭВМ.

2. Запоминающее устройство большой емкости, где хранятся управляющие программы обработки деталей на станках с ЧПУ.

3. Каналы дистанционной связи.

4. Станки

Рис. 6. Общая конфигурация системы прямого цифрового управления (ПЦУ)

ЭВМ вызывает управляющие команды программ обработки деталей из запоминающего устройства большой емкости и по мере необходимости посылает их отдельным станкам, а также получает от них обратно нужные данные. Происходит двусторонний обмен информацией в реальном времени. Это означает, что запрос каждым станком новых управляющих команд должен быть удовлетворен почти мгновенно. Аналогично ЭВМ всегда должна быть готова принять информацию от станков и выдать соответствующий ответ. Замечательным свойством систем ПЦУ является тот факт, что ЭВМ обслуживает большое число отдельных станков, причем все в реальном времени.

Два типа ПЦУ

Существуют две альтернативные конфигурации систем, с помощью которых устанавливается связь между управляющей ЭВМ и станком. Одна из них получила название «система без считывателя перфоленты», а в другой конфигурации используется специализированное устройство управления станком.

Система без считывателя перфоленты. В этой конфигурации ЭВМ связана непосредственно со стандартным блоком ЧПУ. Замена устройства считывания перфоленты на каналы дистанционной связи с ЭВМ системы ПЦУ объясняет название этой конфигурации (behind the tape reader). Линия связи с ЭВМ проложена здесь как бы «позади» считывателя перфоленты: между ним и устройством управления станком.

За исключением источника управляющих команд, работа такой системы очень похожа на работу обычной СЧПУ. В управляющем устройстве имеются два буфера временной памяти для получения блоков управляющих команд из ЭВМ системы ПЦУ и преобразования их в действия станка. Пока один буфер принимает блок данных, второй посылает управляющие команды станку.

Специализированное устройство управления станком

Второй подход к реализации ПЦУ состоит в том, чтобы вообще убрать стандартное устройство ЧПУ и заменить его специализированным устройством управления станком (УУС). Специализированное УУС обычно предназначается для обеспечения более эффективной связи между станком и ЭВМ. Одной из задач, где эффективность канала связи важна, является круговая интерполяция траектории режущего инструмента. Конфигурация со специализированным УУС позволяет достичь более удачного компромисса между точностью интерполяции и высокой скоростью резания металла, чем это обычно возможно при использовании системы без считывателя перфоленты.

Специализированное УУС является гибкопрограммируемым, тогда как обычные устройства ЧПУ строятся на «жестко запаянной» аппаратуре. Преимуществом программируемых систем является гибкость: в них функции управления можно сравнительно легко изменить для внесения усовершенствований. Внести изменения в стандартное устройство ЧПУ намного труднее, так как необходимо заново монтировать аппаратуру.

Функции ПЦУ

Основными функциями ПЦУ являются следующие:

1. ЧПУ без перфоленты.

2. Хранение управляющих программ обработки деталей.

3. Сбор, обработка и представление данных.

4. Обеспечение связей.

Хранение управляющих программ обработки деталей. Подсистема хранения программ должна иметь такую структуру, чтобы удовлетворялось несколько требований. Во-первых, необходимо, чтобы программы были доступны для пересылки их к станкам с ЧПУ. Во-вторых, подсистема должна допускать загрузку новых, удаление старых и редактирование существующих программ по мере необходимости. В-третьих, программное обеспечение системы ПЦУ должно выполнять функции программы-постпроцессора. Управляющие программы обработки деталей в системе ПЦУ, как правило, хранятся в виде массива последовательных положений режущего инструмента CLFILE. Этот массив CLFILE должен затем преобразовываться в набор команд для конкретного станка. Такое преобразование осуществляется программой-постпроцессором. В-четвертых, структура подсистемы хранения должна давать возможность выполнения определенных функций управления и обработки информации, таких, как обеспечение безопасности хранящихся массивов, выдачу программ на дисплей, манипулирование данными и т.п.

Сбор, обработка и представление данных. Эта функция ПЦУ относится к каналу обратной связи, обеспечивающей передачу данных от станка в центральную ЭВМ. Процесс ПЦУ предусматривает двусторонний обмен информацией.

Обеспечение связей. Для реализации трех перечисленных функций требуется коммуникационная сеть. Обеспечение связи между различными подсистемами - центральная функция при работе любой системы ПЦУ. Для прямого цифрового управления существенны каналы связи между следующими компонентами:

1. Центральной ЭВМ и станками.

2. Центральной ЭВМ и терминалами технологов-программистов.

3. Центральной ЭВМ и запоминающими устройствами большой емкости, где хранятся управляющие программы обработки деталей.

Кроме того, при желании можно организовать связь между системой ПЦУ и любой из следующих дополнительных систем:

1. САПР.

2. Цеховой системой управления.

3. Информационной системой предприятия.

4. Диагностической системой дистанционного контроля и технического обслуживания.

5. Другими автоматизированными системами.

Эти типы связей становятся все более распространенными по мере развития технологии ПЦУ в направлении создания комплексно автоматизированных промышленных предприятий будущего.

Преимущества ПЦУ

1. Исключение перфоленты и считывающих устройств.

2. Повышенные вычислительные возможности и гибкость.

3. Удобное хранение управляющих программ обработки деталей в виде машинных файлов.

4. Хранение программ в виде массивов данных о последовательных положениях режущего инструмента.

5. Выдача сообщений о ходе производственного процесса.

6. Создание основ для перехода к автоматизированным предприятиям будущего.

Список литературы

1. Харченко А.О. Станки с ЧПУ и оборудование гибких производственных систем: Учебное пособие для студентов вузов. - К.: ИД «Профессионал», 2004. - 304 с.

2. Автоматизированная подготовка программ для станков с чпу, (Справочник) /Р.Э. Сафраган, Г.Б. Евгенев, А.Л. Дерябин и др.; Под общей ред. Р.Э. Сафрагана. - К.: Техника, 1986. - 191 с.