4.1. Состав сау станка.

Для обеспечения требуемых производительности и точности, а также определенных режимов обработки в САУ станка необходимо ввести целый набор обратных связей по параметрам координатных перемещений (например, величине и скорости перемещений), параметрам ПР (например, силовым) и др. Посему станок совместно с САУ представляет собой сложную замкнутую многосвязную систему. Функциональная схема такой системы для случая, например, двухкоординатной обработки на станке с ЧПУ может быть представлена в виде рис. 3, из которого ясно виден состав современной САУ

Рис. 3

станка. Она состоит из устройства ЧПУ (УЧПУ), формирующего управляющие сигналы для программируемого контроллера (логическое управление всем станком) ПК, электропривода главного движения ЭПГ (сигнал управления Uг) и электроприводов подачи по координатам х и y ЭППХ и ЭППУ (сигналы Uух и Uуy), имеющих свои внутренние обратные связи (например, по скорости двигателя). ПК формирует дискретные силовые и низковольтные сигналы управления элементами электроавтоматики ЭА станка, предназначенными в основном для управления вспомогательными механизмами ВМ, а также режимами работы ЭПГ, ЭППХ, ЭППУ. В УЧПУ происходит обработка сигналов обратных связей по координатам станка, приходящих из информационно – измерительной системы ИИС, куда входят первичные датчики координат и усилительно – преобразовательные устройства. Работа самого УЧПУ определяется вводимыми в него базовым программно - математическим обеспечением БПМО ( закодированное описание объекта управления – станка и технологии обработки) и УТП (описание режимов и параметров обработки конкретного Из), а также сигналами управления, поступающими с пульта управления ПУ станка. Сам объект управления ОУ (рис. 2) по-прежнему состоит из УС и ПР, причем под УС понимается совокупность исполнительных механизмов главного движения ИМГ и подач по координатам х и у ИМХ и ИМУ ( по-прежнему с учетом влияния НС). При этом выходными координатами ИМ являются величины перемещений и скоростей движения:

• по ИМГ – это угол поворота шпинделя φ_ш и скорость его вращения ω_ш ,

• по ИМХ и ИМУ – это перемещения х и у и их скорости υ_x, υ_y.

Кроме того, на рис. 3 отдельно показаны связи по силовым параметрам ОУ: усилию резания Р, моментам на двигателях ЭПГ, ЭППХ и ЭППУ Мг, Мх и Му соответственно.

В состав САУ, кроме показанных на рис. 3 УЧПУ, ПК, ЭА, ЭППГ, ЭППХ, ЭППУ, ИИС, также входят: пульт управления ПУ (вернее пульты управления – главный ГПУ, дополнительный и вспомогательный), электрошкаф ЭШ (оболочка, в которой устанавливается большинство элементов САУ; в современном станке с ЧПУ обычно несколько ЭШ) и соединительные кабели (для соединения всех элементов САУ, установленных в ЭШ, ГПУ и непосредственно на станке).

4.2. Основные технические характеристики сау станка.

Как уже отмечалось, выработка требований к САУ и ее основным компонентам должна производиться с учетом особенностей конструкции (компоновки) станка, выполняемых на станке технологических операций и технических параметров станка и его узлов. При этом необходимо определить требования к следующим характеристикам САУ, начиная с условий работы (внешней среды, рис.2):

• климатические условия работы САУ сводятся к температуре окружающего воздуха (обычно 5 - 45˚С), влажности (не более 80 % при 20-25˚С) и высоте над уровнем моря (не более 1000 м); вместе с тем возможны отклонения от указанных для умеренного климата норм, что требует, например, выполнения тропического исполнения (более высокие температура и влажность), а так же других исполнений для конкретного потребителя станка, в том числе на экспорт;

• электрические схемы предназначены для питания от трехфазной сети переменного тока частотой 50 или 60 Гц (± 2% ) при стандартном напряжении 380-400 В (± 5%); при других напряжениях требуется применение согласующих силовых трансформаторов;

• напряженность поля радиопомех, создаваемого САУ и ее компонентами, не должна превышать 60 дБ при 0,15 – 0,5 МГц, 54 дБ при 0,5 – 2,5 МГц и 46 дБ свыше 2,5 МГц;

• уровень акустического шума, создаваемого САУ (кроме электродвигателей), не должен превышать 65 дБ (электродвигатели 60 – 75 дБ).

Далее рассмотрим конструктивные требования:

• конструктивно платы и блоки САУ, как правило, предназначены для встройки в ЭШ и ГПУ, поэтому платы и блоки выполняют в открытом исполнении, но защита ЭШ и ГПУ, а также оборудования, устанавливаемого на станке (двигатели, датчики, элементы ЭА и т.п.), должна быть на уровне не менее IP54 (до IP68);

• ЭШ обычно устанавливают на фундаменте, однако в тяжелых и уникальных станках для уменьшения длины кабелей и облегчения управления их размещают на рабочем мостике станка, траверсе, стойке и т.п.;

• ГПУ устанавливают в малых станках непосредственно на стойку или шпиндельную бабку, но в станках с ЧПУ чаще – на фундамент около станка; тем более так поступают в средних и тяжелых станках, а при больших перемещениях, когда затрудняются обзор и обслуживание зоны резания - на мостике или шпиндельной бабке, причем одновременно необходимы дополнительные ПУ для управления основными режимами работы станка и его наладки;

• с точки зрения изготовления, наладки и эксплуатации станков необходимо предусмотреть максимальную унификацию на элементном, функциональном, схемном и конструктивном уровнях, так что комплектующие изделия (например, двигатели, блоки ЧПУ, ПК, силовые преобразователи и т.п.) должны иметь технически обоснованную минимальную номенклатуру; при нынешнем состоянии производства компонентов САУ весьма целесообразны комплексная разработка и комплектная поставка всей САУ от одного производителя (например, фирм «Сименс» (Германия), «Фанук» (Япония), «Бош» (Германия) и т.п.).

Точность САУ характеризуется следующими показателями:

• дискретность (разрешение) – минимальное перемещение, соответствующее одному импульсу управления; определяет дискретность управления и измерения и обычно в современных УЧПУ составляет 1 мкм для линейных перемещений и 10^-3 град. (10^-2, 10^-4) для вращательных перемещений;

• точность позиционирования (выхода в заданную координату) зависит от длины измерения (величины перемещения) и класса точности станка; типичные значения указаны в таблице 1, где приведены нормы точности для сверлильно-расточно-фрезерных станков в соответствии со стандартами;

Таблица 1. Нормы точности координатных перемещений.

Длины измерения, мм Нормы точности по классам, мкм	≤ 125	> 125 ≤200	>200 ≤250	> 250 ≤ 320	> 320 ≤ 400	> 400 ≤ 500	> 500 ≤ 630	> 630 ≤ 800	> 800 ≤ 1000	> 1000 ≤ 1250	> 1250 ≤ 1600	> 1600 ≤ 2000	> 2000 ≤ 2500
Н	25	30	40		50		63		80		100		125
П	12	15	20		25		32		40		50		-
А	3			4		5		6		8		12

• стабильность позиционирования (многократного выхода в заданную координату) обычно составляет ~50% от норм, приведенных в таблице 1;

• точность в контурном режиме обработки является наиболее полной, комплексной характеристикой точности, но она зависит не только от размеров обработки, но и от скорости измерений и сложности обрабатываемого контура;

• обычно контурная точность нормируется для круглости цилиндрической поверхности (ориентировочно в 2,5-3 раза больше норм при позиционировании, таблица 1) и для различных типовых контуров обработки;

• в последние годы зачастую с целью обеспечения высокой точности обработки применяются (особенно в токарных и шлифовальных станках) системы автоматического управления точностью (САУТ), использующие информацию о точности обрабатываемых Из, причем измерение Из происходит либо непосредственно на станке, либо на координатно-измерительной машине (КИМ);

• для обеспечения требуемой точности, конечно, важен правильный выбор координатных измерительных датчиков; в настоящее время наиболее типичным, правильным решением является непосредственное (прямое) измерение перемещений с помощью линейных фотоэлектрических (оптоэлектронных) датчиков, встроенных в РО станка; дискретность измерения выбирается такая же, как и в УЧПУ (т.е. 1 мкм), а длина - в соответствии с максимальными перемещениями по координатам; иногда информация о перемещении формируется вращающимися датчиками, встроенными в исполнительный двигатель привода подачи РО.

С точки зрения объема оборудования и вычислительной мощности важным показателем САУ является число управляемых координат, которое для различных станков колеблется в пределах 2-18 координат (например, во фрезерных станках для объемной обработки (ФСО) пространственно-сложных изделий число координат 3-6, а при многошпиндельной обработке это число можно умножить на количество шпинделей; с другой стороны, в простых вертикально-сверлильных станках число управляемых координат составляет 2-3); число управляемых координат определяет объем требуемого оборудования: требуемое количество датчиков координат и цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП). Мощность вычислительных средств, необходимых в САУ, определяется числом одновременно управляемых координат, а так же требуемой точностью (дискретностью) и скоростью подач. Обычно число одновременно управляемых координат составляет до 5-6 (с соответствующим увеличением при многошпиндельной обработке).

Помимо управления РО, на современном станке необходимо обеспечить выполнение таких функций, как зажим – отжим узлов и Ин, смазка направляющих, шпинделей и подшипников, охлаждение Ин и узлов станка, очистка конусов шпинделя и оправки Ин, поиск и смена Ин, смена заготовки и Из, переключение механических ступеней ЭППГ, ориентирование и фиксация шпинделя и ряд других. Все эти функции выполняются с помощью ВМ, рис.3, приводящихся в действие электромагнитами, муфтами, гидромеханизмами с золотниками, электродвигателями с релейным управлением и т.п. Управление такими ВМ носит дискретный характер и осуществляется через ПК и ЭА, при этом число выходных дискретных сигналов (малой до 5 Вт или повышенной, через дополнительные усилители, мощности) обычно колеблется в пределах 32-256, а число входных (от станка: о состоянии узлов, средств защиты и диагностики) дискретных сигналов составляет 64-512.

САУ должна обеспечить определенные силовые характеристики станков для реализации режимов и габаритов обработки. К этим силовым характеристикам относятся:

• мощность главного привода (шпинделя), определяющая требования к двигателям и силовым преобразователям ЭПГ; она изменяется в широких пределах (2-100) кВт;

• номинальный момент главного двигателя (5-1000) Нм;

• максимальное усилие подачи определяет требования к двигателям, передачам и силовым преобразователям ЭПП и составляет 100-60000 Н; при современных передачах (типа ШВП) момент сопротивления на винте (и соответственно момент на валу высокомоментного двигателя) составляет (10-250) Нм;

• номинальная мощность двигателей в ЭПП составляет (0,25-25) кВт.

Быстродействие САУ определяется следующими параметрами, определяющими требования к УЧПУ, ЭПП и ЭПГ:

• максимальная скорость вращения шпинделя в современных станках изменяется в достаточно широких пределах: от (800-4000) об/мин при силовом резании до (20-100) тыс.об./мин при высокоскоростном резании;

• при этом требуется достаточно широкий диапазон регулирования скорости шпинделя при постоянной мощности (10-40) и при постоянном моменте (20-1000), так что общий диапазон регулирования составляет (3-10) 10³, причем для обеспечения полного диапазона регулирования при ограниченных возможностях современных двигателей требуется использование многоступенчатых, переключаемых коробок скоростей (КС; количество ступеней, как правило, до 5 со стремлением к его минимизации);

• одновременно требуется определенная и достаточно высокая точность поддержания заданной скорости вращения при минимальной (не более ± 10%) и максимальной скоростях (в пределах ± 1-5 %);

• максимальная скорость подачи РО составляет обычно (10-20) м/мин, а при высокоскоростном резании до (100-150) м/мин, максимальная скорость вращения поворотных РО (10-100) об/мин;

• при современных механических передачах такие скорости требуют скоростей двигателя (1000-6000) об/мин, а при максимальных подачах – применения линейных приводов;

• при этом требуется (с учетом обеспечения точности позиционирования и ее стабильности) сверхширокий диапазон скорости подачи не менее 10⁴ с требованиями по точности поддержания заданной скорости, аналогичными требованиям в ЭПГ;

• ускорение, допускаемое при управлении РО, составляет (5-50) м/с² (или до 5 g, где g = 9,81 м/с²) и ограничивается допустимыми характеристиками РО;

• требуется программное регулирование интенсивности переходных процессов в приводах (особенно ЭПГ) при темпе разгона до (0,1-10) с;

• переходный процесс по скорости должен быть, по возможности, плавный, так что в ЭПГ вообще без перерегулирования при времени переходных процессов до (1-6) с, а в ЭПП – с перерегулированием не более 20 % при времени – не более (0,1- 0,2) с.

САУ должна обеспечивать следующие функции, определяющие в первую очередь требования к УЧПУ:

• управление подачей РО:

- по скорости и положению с величинами скорости, ускорения и точностью, указанными выше;

- задание величины скорости аналоговое (входной сигнал ЭПП ±10в) и /или цифровое;

- корректировка величины скорости с ПУ в пределах 0-200 % ;

- ограничение рывка (ускорения);

- контроль рабочей зоны обработки;

- контроль и диагностика осей;

• управление щпинделем:

- по скорости вращения и углу поворота с указанными выше параметрами;

- задание величины скорости аналоговое (входной сигнал ЭПГ ±10В) и /или цифровое;

- корректировка величины скорости с ПУ в пределах 0-200 %;

- количество ступеней редукции в КС до 5;

- автоматический выбор ступени;

- ориентированный останов щпинделя для автоматической смены Ин;

- нарезание резьбы;

- синхронизация работы при многощпиндельной обработке;

• различные виды интерполяции в зависимости от конструкции станка и типа Из:

- линейная;

- круговая;

- линейно – круговая;

- винтовая;

- электронный редуктор;

• управление Ин:

- использование типовых Ин – сверлильного, токарного, фрезерного, шлифовального и др.;

- составление списка Ин с указанием его количества (необходимое количество 24- 200);

- коррекция Ин по длине и диаметру в плоскости и пространстве;

- смена Ин;

- для многооперационных станков список и состав инструментальных магазинов;

- загрузка/разгрузка Ин;

- контроль времени работы Ин и количества Из;

• измерения Из и Ин:

- количество измерительных щупов 1-2;

- протоколирование результатов измерений;

- активная коррекция Ин и режима обработки;

• автоматические компенсации:

- люфтов в кинематике станка и его узлов;

- погрешности ходовых винтов;

- погрешности измерительной системы;

- тепловых деформаций и провисания шпинделя;

• программирование:

- технологическое по типовым технологиям станка;

- работа в полярных координатах;

- ускоренная отработка УТП;

- технологические циклы/подпрограммы;

- измерительные циклы/подпрограммы;

- программы прерывания УТП;

- редактирование программ;

- обеспечение безопасности станка и оператора, а также обслуживающего персонала;

- диагностика работы станка с протоколированием;

- открытая для пользователя архитектура ПО;

• моделирование процессов обработки:

- траектории движения Ин в плоскости и пространстве;

- ускоренной отработки УТП;

- обработки в реальном времени;

• коммуникация по вводу/выводу БПМО и УТП:

- последовательный интерфейс связи с ЭВМ верхнего уровня (обычно RS 232C);

- работа через дисковод;

- возможность подключения различной периферии (например, фотосчитыващего устройства для использования библиотеки перфолент, дополнительных ПУ и др.);

- управление с ГПУ и работа с дисплеем.

Для обеспечения полноценного и эффективного управления станком необходимо использование следующих компонентов в составе УЧПУ и ПУ:

• персональная ЭВМ (ПЭВМ) как аппаратная база УЧПУ;

• панель оператора УЧПУ;

• дисковод для ввода БПМО и УТП;

• дисплей для вывода алфавитно–цифровой и графической информации;

• клавиатура УЧПУ (ПЭВМ);

• станочный ПУ (либо фирмы – изготовителя УЧПУ, либо изготовителя станка, в последнем случае дополнительно необходимо иметь интерфейс и ПО для подключения ПУ станкозавода);

• дополнительный и/или вспомогательный ПУ;

• корпус ГПУ, куда обычно устанавливается ПЭВМ, панель оператора, дисплей, клавиатура и станочный пульт.