11. Ознакомление с работой станков с чпу

Стремление увеличить производительность и уровень автоматизации мелкосерийного производства путем совершенствования систем управления станками привело к созданию станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Числовое программное управление станками основано на использовании чисел для задания программы перемещений исполнительных органов стан­ков в процессе обработки. В отличие от станков-автоматсв, где программа работы задается в аналоговом виде (шабло­нами, копирами, кулачками и т. д.), в станках с ЧПУ реализуется связь размеров детали с программой, задан­ной в виде числового кода на программоносителе.

Подготовка программ для станков с ЧПУ, а также их тиражирование требует меньшей трудоемкости по сравне­нию с трудоемкостью изготовления кулачков или копи­ров. В то время как для изготовления кулачков (копиров) необходимы расчетные, чертежные работы и механическая обработка, подготовка программ сводится к расчету и за­писи ее на программоноситель. При тиражировании про­грамм трудоемкость предельно мала, так как не нужны повторные расчеты. Еще одним преимуществом ЧПУ является возможность коррекции программ непосред­ственно в процессе обработки без замены программоноси­теля. Применительно к мелкосерийному производству, в котором эксплуатируется более 50 % всего станочного парка, использование станков с ЧПУ позволяет увели­чить производительность в 2—4 раза, увеличить долю основного времени в общем цикле обработки с 30 до 50 %.

В связи с управлением работой станков по командам системы ЧПУ внесли изменения в конструкцию их основ­ных узлов с целью повышения точности и стабильности качества обработки. Эти изменения, в первую очередь, коснулись приводов подач, в которых стали применять передачи, позволяющие исключить кинематические и силовые зазоры. С этой целью сокращают длину кинема­тических цепей, в каждой из которых использован инди­видуальный двигатель, в передачах трение скольжения заменяют трением качения (передачи винт — гайка каче­ния), используют передачи с устройствами устранения зазоров в передачах (разрезные колеса, смещаемые в осе­вом направлении червяки) и редукторах (беззазорные редукторы с параллельными кинематическими цепями и др.), а при установке зубчатых колес на валы исполь­зуют конические разжимные кольца.

Большое значение для станков с ЧПУ имеет быстро­действие привода, так как время его разгона и тормо­жения оказывает влияние на точность отработки про­граммы, в частности точность позиционирования. Высо­кое быстродействие привода подач в широком диапазоне регулирования обеспечивается специальными электро­двигателями и передачами, у которых стабильно малые потери на трение (винт — гайка качения, гидростатиче­ская винт — гайка), подвижные узлы установлены на направляющих качения и гидростатических направляю­щих, а также применены специальные смазочные мате­риалы. В качестве специальных электродвигателей в при­водах подач используют силовые шаго вые электродвига­тели и шаговые двигатели в сочетании с гидроусилителями моментов, высокомоментные двигатели постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями и электро­двигатели постоянного тока с дисковым ротором. Расши­ряется применение в приводах подач синхронных бескол­лекторных двигателей переменного тока (вентильных) с моментом 0,1—90 Н-м и максимальной частотой враще­ния 3000—5000 мин"¹. Эти двигатели имеют широкий диапазон регулирования, равномерность вращения, а также малые габаритные размеры и массу.

В зависимости от технологического назначения станка с ЧПУ привод его главного движения выполняют ступен­чатым или бесступенчатым. В ступенчатом приводе шпин­дель получает вращение от автоматической коробки ско­ростей (АКС), переключаемой от электромагнитных муфт и приводимой во вращение одно- или многоскоростным нерегулируемым электродвигателем. В приводах с бессту­пенчатым регулированием используют сочетание двига­теля постоянного тока с тиристорным управлением и двух-трехступенчатой коробки скоростей.

Весьма перспективным для станков с ЧПУ является асинхронный комплектный электропривод «Размер 2М-5-21». Он предназначен для работы в системах авто­матического бесступенчатого регулирования частоты вращения электродвигателей двух механизмов подач и электродвигателя шпинделя токарных станков с ЧПУ. В приводе используются асинхронные двигатели с коротко-замкнутым ротором, снабженные встроенными датчиками положения (фазовращатель, работающий на индуктивном принципе) и датчиком температуры. Регулирование частоты вращения реализуется в соответствии с частотно-токовым способом. Для этого обмотки статора запитывают от транзисторных инверторов, преобразующих постоянное напряжение в регулируемую по частоте и амплитуде трехфазную систему токов. В диапазоне частот вращения 0—1500 мин ^-1 регулирование этого электропривода выполняется с постоянным крутящим моментом (приводы подач), а в диапазоне 1500—4500 мин ^-1 — с примерно постоянной мощностью (приводы главного движения).

Шпиндели станков с ЧПУ по сравнению со шпинделями универсальных станков имеют большие диаметры, что позволяет размещать в них зажимные автоматические устройства, датчики и диагностические устройства. Установка в опорах шпинделя более жестких роликовых подшипников с предварительным натягом обеспечивает необходимые для станков с ЧПУ долговечность и жесткость, позволяющие выполнять черновую и чистовую обработку. Находят применение также гидродинамические (в шлифовальных станках), гидростатические и аэростатические (в прецизионных станках) подшипники. Базовые детали станков с ЧПУ выполняют с дополнительными ребрами жесткости с увеличенными направляющими. Компоновка этих станков обеспечивает удобство при загрузке — выгрузке и отводе стружки.

Системы и устройства ЧПУ.

Система ЧПУ представляет собой совокуп­ность устройств, методов и средств, необходимых для ЧПУ станками. Упрощенная структурная схема системы ЧПУ показана на рис. 11.1. Структурно системы ЧПУ делят на системы с постоянной структурой (NC) и системы с про­граммной реализацией основных алгоритмов работы (CNC). В некоторых системах с постоянной структурой имеются устройства ручного ввода программы с клавиа­туры пульта (системы HNC). В системах CNC управление осуществляется от микропроцессора (устройства, выпол­няющего операции с исходными данными в соответствии с программой, поступающей на его вход) или встроенной ЭВМ. Алгоритмы работы этих систем записываются в ее постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) при изго­товлении УЧПУ. В микропроцессорных системах также предусмотрен ручной ввод программ с клавиатуры пульта. УЧПУ являются составной частью систем ЧПУ. В за­висимости от вида управления исполнительными движе­ниями все УЧПУ разделяют на позиционные, контурные и универсальные. В позиционных системах обеспечива­ется перемещение инструмента (заготовки) в программируемую точку без контроля траектории движения между заданными точками. При движении между точками обработка либо не ведется (станки сверлильной группы), либо проводится поочередным движением по направляющим станка (обработка прямоугольного контура на фрезерных станках или ступенчатых валов на токарных станках). Для уменьшения влияния инерционных и упругих сил на точность позиционирования при подходе к заданной точке УЧПУ ступенчато снижает скорость исполнительного органа до значений «ползучих» скоростей. В контурных системах управления перемещение инструмента (заготовки) в заданную точку производится по согласованным командам, выдаваемым приводам в виде импульсов. Единичное перемещение исполнительного органа, соответствующее одному управляющему импульсу, называют дискретностью. Дискретность (0,01; 0,05 или 0,001 мм) определяет погрешность, обусловленную представлением траектории в цифровой форме. Согласование команд для каждой координаты проводится интерполятором по результатам расчета оценочной функции, основанной на уравнении прямой, окружности или кривой высшего порядка (соответственно линейная, круговая и специальная интерполяция). Контурные системы имеют большее, чем позиционные, число одновременно управляемых координат (до четырех-пяти) и используются для обработки сложных криволинейных профилей на токарных и фрезерных станках. В многоцелевых станках используют универсальные УЧПУ с линейно-круговыми интерполяторами, в которых при круговой интерполяции дуга заданного программой радиуса представляется ступенчатой траекторией, построенной импульсами интерполятора.

Эксплуатационные показатели станков с ЧПУ во многом зависят от числа потоков информации, функционирующих в системе управления. Различают системы разомкнутые, замкнутые и адаптивные. Разомкнутые системы характеризуются наличием одного потока информации, направленного от устройства ввода программы к исполнительному органу. Отсутствие в таких системах (рис. 11.2, а) контроля фактического положения исполнительного органа, упрощая систему, снижает ее точность. Замкнутые системы имеют два потока информации: один— управляющий, направленный к исполнительному органу; второй — контролирующий, направленный от исполни-

Рисунок. 11.1. Структурная схема системы ЧПУ:

1, 5 — датчик положения исполнительного механизма; 2,4 — привод салазок стола; 3 — технологическая информация на исполнительные механизмы; 6, 7 — блок связи; 8, 9 — устройство управления приводами; 10 — блок тех­нологических команд; 11 — кодовый преобразователь; 12 — устройство ввода программ; 13 — блок индикации и ручного управления

тельного органа, точнее от датчика обратной связи по положению (ДОС), контролирующего перемещение ис­полнительного органа. Сигнал от ДОС сравнивается с уп­равляющим сигналом в блоке сравнения (БС) и при рас­согласовании между ними на выходе БС появляется сиг­нал, вызывающий дополнительное перемещение испол­нительного органа. При отсутствии сигнала на выходе БС движение прекращается (рис. 11.2, б). По принципу дей­ствия ДОС подразделяют на оптические (импульсные) и индуктивные (аналоговые), а по конструктивному испол­нению — на круговые и линейные. В менее точных си­стемах в качестве ДОС используют установленные на хо­довые винты поворотные датчики в виде сельсинов или вращающихся трансформаторов. Введение канала об­ратной связи увеличивает точность обработки, но одновре­менно усложняет системы ЧПУ.

Рисунок. 11.2. Структурные схемы ЧПУ:

а — разомкнутая система; УУ — уп­равляющее устройство; Ш Д — шаго­вый двигатель; ГМ — гидроусилитель; ИМ — исполнительный механизм; б — замкнутая система; Б С — блок сравне­ния; М — двигатель привода; ДОС — датчик обратной связи; в — адаптивная система; Д — датчик

Адаптивные системы (рис. 11.2, в) отличаются от замкнутых наличием третьего информационного канала для оперативного сбора данных об изменении режимов обработки. К таким параметрам, в частности, относятся мощность резания, крутящий момент, силы резания, при­чиной изменения которых могут быть изнашивание ин­струмента, переменный припуск и изменение твердости заготовки, а следствием — потеря точности. Подобные отклонения не могут быть предусмотрены УП и потому для их устранения в обоснованных случаях используют адаптивные системы (АС).

Работа АС строится на принципах предельного регули­рования, самопрограммирования или оптимального ре­гулирования. Примером предельного регулирования мо­жет быть регулирование в системах, в которых изменением подачи обеспечивают изменение силы резания до уровня, не превышающего предельный. Сигналы для управления приводом подач выдает блок сравнения (БС), в котором предельное значение силы резания сравнивается со зна­чением, измеряемым датчиком в процессе обработки. В самопрограммируемых АС, применяемых, в частности, для расчета и программирования числа проходов, исполь­зуют логическое устройство, в которое наряду с информа­цией от датчиков вводят пре дельные значения контро­лируемых датчиками параметров, информацию о размерах и форме заготовки и готовой детали. При оснащении АС средствами вычислительной техники возможно регули­рование на основе заданного алгоритма оптимизации, вве­денной в систему исходной информации, и оперативных данных, поступающих от датчиков в процессе обра­ботки .

Создание электронных элементов с высокой степенью интеграции позволило унифицировать аппаратные части УЧПУ и сократить число их модификаций. Так, гамма УЧПУ на базе микроЭВМ«Электроника-60» состоит из трех модификаций: 26С85, 2С42и2Р22. МикроЭВМ«Элект-роника-60» построена по модульному принципу. Обмен информацией между модулями осуществляется через еди­ный канал (общую шину). К каналу ЭВМ подключают модули запоминающих устройств, модули связи с пультом оператора, индикатором, приводами, датчиками и электро­автоматикой станка. Возможен ввод данных с клавиа­туры, магнитной кассеты и перфоленты. Конструктивно эти УЧПУ выполняют либо в виде автономной стойки, либо по блочно-модульному принципу с выносным дисплейным блоком, включающим дисплей, клавиатуру пульта и станочный пульт.

Модификации УЧПУ различаются числом управляемых координат и составом программно-математического обеспечения. УЧПУ «Электроника НЦ-31» и «Электроника НЦ80-31» выполнены на основе микропроцессорной универсальной вычислительной системы. УЧПУ «Электроника НЦ-31» предназначена для управления токарными станками со следящим приводом подач и импульсными датчиками обратной связи (замкнутые системы). Для этих устройств технологическое программное обеспечение заносится в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) на этапе изготовления УЧПУ. Устройство обеспечивает контурное управление с линейной и линейно-круговой интерполяцией. Ввод программы можно выполнять двумя способами: с клавиатуры пульта и с кассеты внешней памяти. При отключении от ОЗУ внешней памяти информация в кассете сохраняется в течение 100 ч благодаря использованию автономного источника питания.

УЧПУ «Электроника НЦ80-31» относится к наиболее совершенным отечественным разработкам. Это устройство построено по блочно-модульному принципу с числом блоков, варьируемым в зависимости от типа станка и задач управления. Оно оборудовано съемной кассетой с энергонезависимой памятью (на цифровых магнитных доменах), позволяющей готовить УП отдельно от станка. Кроме ввода УП с клавиатуры и кассеты, предусмотрен ввод УП с фотосчитывающего устройства и ЭВМ верхнего уровня. В УЧПУ «Электроника ЦН80-31» предусмотрено программирование с помощью специальных программ электроавтоматики (ЭА) станка (язык ЯРУС-2). Это дает возможность оперативно корректировать функции ЭА при отладке. Входной контроль УЧПУ выполняется специальным тестом проверки путем установки платы контроля. Предусмотрено также выполнение тестов самодиагностирования двух видов: до начала рабочих режимов, непосредственно после включения УЧПУ; в процессе функционирования (выполняется во время, свободное от выполнения основных операций). Результаты диагностирования выводятся на экран дисплея в зону комментариев, где индицируется информация об ошибке, которая позволяет локализовать неисправный узел или место в УЧПУ.