Числовое программное управление

Числовое программное управление (ЧПУ) означает компьютеризованную систему управления, считывающую инструкции специализированного языка программирования (например, G-код) и управляющую приводами металло-, дерево- и пластмасообрабатывающих станков и станочной оснасткой. Станки, оборудованные числовым программным управлением, называются станками с ЧПУ. Помимо металлорежущих (например,фрезерные или токарные), существует оборудование для резки листовых заготовок, для обработки давлением.

Система управления на ЧПУ-станке компьютеризирована, и компьютер считывает инструкции и управляет приводами обрабатывающих станков и станочной оснасткой. Оборудование с ЧПУ характеризуется исключительно высокой скоростью, точностью и надежностью работы. Для обслуживания такого оборудования требуется гораздо меньше работников. Еще один плюс станков с ЧПУ – возможность реализовывать сложные и невыгодные проекты с точки зрения ручной обработки.

Станки с ЧПУ должны обеспечивать высокие точность и скорость отработки перемещений, заданных УП, а также сохранить эту точность в заданных пределах при длительной эксплуатации. Конструкция станков с ЧПУ должна, как правило, обеспечивать совмещение различных видов обработки, автоматизацию загрузки и выгрузки деталей, автоматическое или дистанционное управление сменой инструмента, возможность встройки в общую автоматическую систему управления. Высокая точность обработки определяется точностью изготовления и жесткостью станка. В конструкциях станков с ЧПУ используют короткие кинематические цепи, что повышает статическую и динамическую жесткость станков. Для всех исполнительных органов применяют автономные приводы с минимально возможным числом механических передач. Эти приводы должны иметь высокое быстродействие. Точность станков с ЧПУ повышается в результате устранения зазоров в передаточных механизмах приводов, уменьшения потерь на трение в направляющих и механизмах, повышения виброустойчивости, снижения тепловых деформаций.

Работа на автоматизированных станках в значительной степени сокращает ручной труд и сводит роль рабочего только к налаживанию определенных механизмов, контролю за их работой и исправлению этих механизмов в случае неполадок. Одним из условий повышения производительности в металлообработке является увеличение степени автоматизации станков. Станки с высокой степенью автоматизации обычно делят на две группы: автоматы и полуавтоматы. Автоматами называют такие станки, у которых все рабочие приемы, за исключением загрузки заготовок на партию деталей и контроля размеров, производятся автоматически. Полуавтоматами называют станки, у которых цикл работы также автоматизирован, но рабочий должен устанавливать и снимать каждую заготовку и производить пуск станка и контроль размеров деталей. Специализированные автоматы и полуавтоматы изготовляют детали с достаточной точностью и обеспечивают высокую производительность при обработке деталей одного вида. Они успешно применяются в массовом и крупносерийном производстве Но переход на таких станках к обработке другой детали, даже незначительно отличающейся от предыдущей, связан с изготовлением новой оснастки и трудоемкой переналадкой станка. В станках с числовым программным управлением (ЧПУ) можно без значительных затрат времени и средств изменять программу работы в широких пределах. В станках с программным управлением сочетаются производительность и точность специализированного станка с быстротой переналадки универсального оборудования. Станкостроительной промышленностью не только изготовляются высокоавтоматизированные станки, но и строятся автоматические линии, цехи и заводы, в которых много станков соединено таким образом, что детали автоматически проходят на них последовательную обработку.

По технологическим признакам и возможностям станки с ЧПУ классифицируются практически так же, как универсальные станки, на базе которых изготовляется большинство станков с ЧПУ. Токарные станки с ЧПУ предназначены для обработки наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения, а также для нарезания наружной и внутренней резьбы. Фрезерные станки с ЧПУ, предназначенные для обработки плоских и пространственных корпусных деталей, осуществляют следующие операции: плоское, ступенчатое и контурное фрезерование с нескольких сторон и под различными углами; сверление; растачивание; развертывание; нарезание резьбы и др. Сверлильно-расточные станки с ЧПУ, предназначенные для обработки отверстий в деталях, выполняют сверление, рассверливание, зенкерование, растачивание, развертывание, обтачивание торцов, фрезерование, нарезание резьбы и другие. Шлифовальные станки с ЧПУ предназначены для шлифования наружных, внутренних и торцовых поверхностей деталей, имеющих прямолинейную и криволинейную форму образующих.

Системы ЧПУ, применяемые в механизированных станках, классифицируются: по назначению — для позиционного, ступенчатого и функционального управления; по числу потоков информации — разомкнутые, замкнутые и самонастраивающиеся; по виду программоносителя — внутренние (панели с переключателями, штеккерные и кнопочные панели и др.) и внешние (перфорированные карты и ленты, магнитные ленты, киноленты); по принципу ограничения перемещений исполнительных органов — импульсные, аналоговые, путевые, временные, на схемах совпадения; по физическому принципу контроля перемещений исполнительных органов — с механическими, оптическими, электрическими и смешанными измерительными устройствами. Применяется также цикловая система программного управления, при которой программируются (полностью или частично) цикл работы механизированных станков, режимы обработки и смена инструмента.

Классификация станков ЧПУ по степени универсальности предусматривает подразделение их на универсальные (для разнообразных операций на заготовках широкой номенклатуры в единичном и мелкосерийном производствах, а также при ремонтных работах), специализированные (для обработки однотипных заготовок разных размеров в крупносерийном и массовом производствах) и специальные (для обработки заготовок одного наименования и одного типоразмера в массовом производстве).

По габаритным размерам и массе, которые в значительной степени определяются параметрами тех деталей, для обработки которых предназначен станок, их подразделяют на легкие (до 1 т), средние (до 10 т) и тяжелые (свыше 10 т). Последние делят на крупные (10…30 т), собственно тяжелые (30… 100 т) и особо тяжелые – уникальные (свыше 100т).

Числовое программное управление (ЧПУ) экономически выгодно в серийном производстве, где происходит сравнительно частая смена обрабатываемых изделий, а также при производстве крупногабаритных деталей и деталей с криволинейными профилями и поверхностями. ЧПУ позволяет автоматизировать процессы подготовки производства и обработки, быстро производить переналадку станка. В станках с ЧПУ информация о необходимых перемещениях режущих инструментов относительно заготовки сообщается механизмам управления механизированных станках в виде закодированной программы, представляющей собой условную систему числовых обозначений. Эта программа вводится в считывающее устройство механизированного станка, которое преобразует её в соответствующие командные импульсы (электрические сигналы), а они при помощи механизмов управления передаются на исполнительные органы механизированного станка (суппорты, салазки, столы и т.п.). Все действия, выполняемые узлами механизированных станков по сигналам системы ЧПУ, разделяются на две группы: включения и выключения для изменения режимов резания, смены действующих режущих инструментов и перемещения исполнительных органов.

Системы ЧПУ механизированных станков состоят обычно из следующих основных автоматических элементов: устройство для ввода программы — «читает» программу и преобразовывает её в сигналы управления; промежуточная «память» — «запоминает» и в течение необходимого времени хранит полученные сигналы управления; сравнивающее устройство (узел активного контроля) — при помощи системы обратной связи сопоставляет перемещения, заданные программой и фактически реализованные механизированные станки (при обнаружении разницы вырабатывает дополнительный сигнал для исправления ошибки); исполнительный механизм, который реализует через соответствующие приводы (гидроцилиндры, винтовые пары, шаговые двигатели и др.) полученные сигналы управления в необходимые перемещения исполнительных органов механизированных станков.

По степени концентрации операций станки подразделяют на одно- и многопозиционные. Концентрация операции — это возможность одновременной обработки на станке различных поверхностей заготовки многими инструментами. На однопозиционных многоинструментальных станках несколько режущих инструментов одновременно обрабатывают различные поверхности одной заготовки, на. многопозиционных одновременно обрабатывают от двух и более заготовок.

Автоматизация цикла работы станка, дополненная автоматизацией цикла работы приспособления, позволяет превращать обычные универсальные станки в полуавтоматы и автоматы, а это, в свою очередь, обеспечивает возможность многостаночного обслуживания и значительное повышение производительности труда. При автоматизации цикла работы станка все рабочие и быстрые холостые перемещения рабочих органов станка должны осуществляться автоматически в требующейся последовательности, в пределах установленной длины хода, с заданной скоростью. Применение пневмогидравлических устройств для автоматизации цикла работы станка не требует значительных изменений конструкции станка. Модернизация действующего парка металлорежущих станков преследует достижение одной или нескольких следующих целей: обеспечение рационального использования режущего инструмента; концентрацию операций и переходов, производимых на станках данного типа; сокращение вспомогательного времени; автоматизацию цикла работы станка; расширение технологических возможностей станка; изменение основного технологического назначения станка; специализацию станка; повышение точности станка; улучшение эксплуатационных качеств станка и повышение безопасности работы на станке. Для достижения максимальной производительности основное внимание должно быть обращено на сокращение вспомогательного времени, связанного со сменой заготовки, инструмента и управлением циклом обработки на станке. При прочих равных условиях многоинструментальная обработка является одним из способов повышения производительности. Максимальное сокращение вспомогательного времени и возможность применения многоинструментальной обработки обеспечивается автоматизацией цикла работы станка.

Интерпретатор системы ЧПУ производит перевод программ из входного языка в команды управления главным приводом, приводами подач, контроллерами управления узлов станка (включить/выключить охлаждение, например). Для определения необходимой траектории движения рабочего органа в целом (инструмента/заготовки) в соответствии с управляющей программой используется интерполятор, рассчитывающий положение промежуточных точек траектории по заданным в программе конечным.

Программа для оборудования с ЧПУ может быть загружена с внешних носителей (например, магнитной ленты, перфорированной бумажной ленты (перфоленты) дискеты или флеш-накопителей)) в собственную пам'ять до выключения питания — в оперативную память, либо постоянно — в ПЗУ, карту памяти или другой накопитель: жесткий диск или твердотельный накопитель). Помимо этого, современное оборудование подключается к централизованым системам управления посредством заводских (цеховых) сетей связи. В системе управления, кроме самой программы, присутствуют данные других форматов и назначения. Как минимум, это машинные данные и данные пользователя, специфически привязанные к конкретной системе управления либо к определенной серии (линейке) однотипных моделей систем управления.

Носителем программы в станках с цикловым программным управлением является вращающийся барабан с рядами отверстий, в которые   вставляются   штифты.    Расстановкой штифтов задаются все необходимые команды, а также величины перемещений в десятичной системе счисления. Исполнение и точность перемещений осуществляются с помощью отсчет-ных устройств' с применением индуктивных датчиков. В отличие от «жестких» программоносителей (перфорированная лента или карта, магнитная лента, фотолента и др.) данный способ задания программы позволяет быстро подготовить новую программу при смене объекта производства. Кроме того, легко откорректировать программу, не прерывая обработки.

Станок ЧПУ укомплектован стандартной гидростанцией. Гидравлический привод осуществляет: продольное и поперечное перемещения стола, вертикальное перемещение консоли и ползуна; кроме того, гидравлический привод включает: насосную станцию, три электрогидропривода, гидромотор, гидроцилиндр отжима инструмента, аппаратуру управления и коммуникации.

Насосная станция представляет собой автономный узел и включает в себя резервуар для масла, насосный аппарат, систему подпитки, фильтрации и охлаждения рабочей жидкости, а также необходимую контрольно-регулирующую аппаратуру. Насосная станция автоматически изменяет производительность насоса в соответствии с расходом, потребляемом гидросистемой при постоянном давлении в напорной и сливной магистралях. Электрогидроприводы предназначены для продольного и поперечного перемещений стола, а также для вертикального перемещения ползуна по заданной программе; гидромотор — для вертикального перемещения консоли.

Одним из способов получения максимального экономического эффекта от внедрения станков с ЧПУ является концентрация станков на отдельных участках или в цехах. Такая концентрация имеет следующие преимущества: дает возможность организовать технологический поток при обработке сложных деталей; применять обработку деталей по методу групповой обработки; применять многостаночное обслуживание; повысить надежность работы станков; снизить затраты на обслуживающий персонал. По мере увеличения станочного парка и накопления опыта эксплуатации станков структура участков (цехов) с ЧПУ будет совершенствоваться путем применения группового управления и централизованного управления станками с ЧПУ, а также путем создания автоматизированных участков станков с ЧПУ. Создание автоматизированных участков из станков с ЧПУ является первым шагом к созданию  больших  автоматизированных систем, в которых планирование производства, определение оптимальной технологии и режимов обработки, а также управление станками осуществляется при помощи вычислительной техники.

Тенденции развития станков с ЧПУ: создание УЧПУ с применением микро-ЭВМ на микропроцессорах, применение в электроавтоматике станка с ЧПУ микроэлектроники, введение в систему станка диагностических устройств; широкое внедрение автоматизированных самоприспосабливающихся (адаптивных) устройств, обеспечивающих оптимизацию управления и обработки деталей; создание УЧПУ, управляющих как отдельными станками, так и группой станков. Управление от ЭВМ комплекта станков и роботов, складов, транспортных линий и контрольных устройств, обеспечивающих коррекцию погрешностей станков, планирование и контроль за работой производственного участка; внедрение автоматизированных приводов с большим диапазоном бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя и применение более совершенных преобразователей и двигателей.