Типовая структурная схема системы ЧПУ

На рисунке показана общая укрупненная структурная схема системы ЧПУ. Она включает следующие основные элементы: устройство ЧПУ; приводы подач рабочих органов станка и датчики обратной связи (ДОС), установленные по каждой управляемой координате. Устройство ЧПУ предназначено для выдачи управляющих воздействий рабочим органом станка в соответствии с программой управления, вводимой на перфоленте. Программа управления считывается последовательно в пределах одного кадра с запоминанием в блоке памяти, откуда она подается в блоки технологических команд, интерполяции и скоростей подач. Блок интерполяции – специализированное вычислительное устройство (интерполятор) – формулирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Выходная информация с этого блока поступает в блок управления приводами подач, обычно представлена в виде последовательности импульсов по каждой координате, частота которых определяет скорость подачи, а число – величину перемещения.

Блок ввода и считывания информации предназначен для ввода и считывания программы управления. Считывание производится последовательно строка за строкой в пределах одного кадра.

Блок памяти. Так как информация считывается последовательно, а используется вся сразу в пределах одного кадра, при считывании она запоминается в блоке памяти. Здесь же производится ее контроль и формирование сигнала при обнаружении ошибки в перфоленте. Так как обработка информации идет последовательно по кадрам, а время считывания информации одного кадра равно примерно 0,1 – 0,2 с, получается разрыв в передачи информации, что недопустимо. Поэтому применяют два блока памяти. Пока обрабатывается информация одного кадра из первого блока памяти, производится считывание второго кадра и ее запоминание во втором блоке. Время же введения информации из блока памяти в блок интерполяции ничтожно мало. Во многих системах ЧПУ блок памяти может принимать информацию, минуя блок ввода и считывание непосредственно от ЭВМ.

Блок интерполяции. Это специализированное вычислительное устройство, которое формирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Это важнейший блок в контурных системах ЧПУ. Основой блока является интерполятор, который по заданным программой управления числовым параметрам участка контура восстанавливает функцию f(x,y). В интервалах значений координат Х и У интерполятор вычисляет значения координат промежуточных точек этой функции.

На выходах интерполятора формируется строго синхронизированные во времени управляющие импульсы для перемещения рабочего органа станка по соответствующим осям координат.

Применяют линейные и линейно – круговые интерполяторы. В соответствии с этим первые производят линейную интерполяцию, а вторые линейную и круговую.

Линейный интерполятор обеспечивает, например, перемещение рабочего органа с фрезой диаметром между двумя опорными точками по прямой линии с отклонением от заданного контура на величину .

В этом случае исходной информацией для интерполятора являются величины приращений по координатам и и время обработки перемещения по прямой , т.е. , где S – установленная скорость подачи инструмента.

Работа линейно – кругового интерполятора может осуществляться по методу оценочной функции F. Метод заключается в том, что при выработке очередного управляющего импульса логическая схема производит оценку, по какой координате следует выдавать этот импульс, чтобы суммарное перемещение рабочего органа станка максимально приближало его к заданному контуру.

Интерполируемая прямая (см. рис. а) делит плоскость, в которой она расположена, на две области: над прямой, где оценочная функция F>0, и под прямой, где F<0. Все точки, лежащие теоретически заданной линии, имеют F=0.

Траектория интерполяции представляет собой определенную последовательность элементарных перемещений вдоль координатных осей от начальной точки с координатами и до конечной точки с координатами , .

Если промежуточная точка траектории находится в области F>0, то следующий шаг делается по оси Х. Если же промежуточная точка находится в области F<0, шаг делается по оси Y. Аналогично происходит работа интерполятора при круговой интерполяции (см. рис. б).

Блок управления приводами подачи. С блока интерполяции информация поступает на блок управления приводами подач, который преобразует ее в форму, пригодную для управления приводами подач. Последнее производится так, чтобы при поступлении каждого импульса рабочий орган станка перемещался на определенную величину, характеризующую дискретность системы ЧПУ. При поступлении каждого импульса управляемый объект перемещается на определенную величину, называемую ценой импульса, которая обычно равна 0,01 – 0,02 мм. В зависимости от типа привода (замкнутые или разомкнутые, фазовые или амплитудные), применяемых на станках, блоки управления существенно различаются. В замкнутых приводах фазового типа, использующих датчики обратной связи в виде вращающихся трансформаторов, работающих в режиме фазовращателей, блоки управления представляют собой преобразователи импульсов в фазу переменного тока и фазовые дискриминаторы, которые сравнивают фазу сигнала на выходе фазового преобразователя с фазой датчика обратной связи и выдают разностный сигнал ошибки на усилитель мощности привода.

Блок скоростей подач – обеспечивает заданную скорость подачи вдоль контура, а также процессы разгона и торможения в начале и в конце участков обработки по заданному закону, чаще всего линейному, иногда экспоненциальному. Помимо рабочих подач (0,5 – 3000 мм/мин) этот блок обеспечивает, как правило, и холостой ход с повышенной скоростью (5000 – 20000 мм/мин).

Пульт управления и индикации. Связь оператора с системой ЧПУ производится через пульт управления и индикации. С помощью этого пульта производится пуск и останов системы ЧПУ, переключение режима работы с автоматического на ручной и т.д., а также коррекция скорости подачи и размеров инструментов и изменения начального положения инструмента по всем или некоторым координатам. На этом пульте находятся световая сигнализация и цифровая индикация.

Блок коррекции программы применяется для изменения запрограммированных параметров обработки: скорости подачи и размеров инструмента (длины и диаметра).

Блок постоянных циклов служит для упрощения процесса программирования при обработке повторяющихся элементов детали (например, сверление и растачивание отверстий, нарезание резьбы и др.) применяют блок постоянных циклов. Например, на перфоленте не программируются такие движения, как быстрый вывод из готового отверстия – это заложено в соответствующем цикле (G81).

Блок технологических команд обеспечивает управление циклом работы станка (его цикловой автоматики), включающего поиск и анализ режущего инструмента, переключение частоты вращения шпинделя, зажим и разжим перемещающихся рабочих органов станка, различные блокировки.

Блок питания обеспечивает питание необходимыми постоянными напряжениями и токами всех блоков ЧПУ от обычной трехфазной сети. Особенностью этого блока является наличие стабилизаторов напряжения и фильтров, защищающие электронные схемы ЧПУ от помех, всегда имеющих место в промышленных силовых сетях.

Датчики обратной связи (ДОС)

ДОС предназначены для преобразования линейных перемещений рабочего органа станка в электрические сигналы, содержащие информацию о направлении и величине перемещений.

Все многообразие ДОС можно условно разделить на угловые (круговые) и линейные. Круговые ДОС обычно преобразуют угол поворота ходового винта или перемещения рабочего органа станка через реечную передачу. Преимуществом круговых ДОС является их независимость от длины перемещения рабочего органа станка, удобство установки на станке и удобство эксплуатации. К недостаткам следует отнести принцип косвенного измерения величины перемещения рабочего органа, а следовательно погрешность измерения.

Тема 1.6. Задачи ЧПУ

Устройство ЧПУ является управляющим по отношению к станку. В то же время оно само является объектом управления при взаимодействии с окружающей средой, в качестве которой выступает оператор, ЭВМ верхнего уровня и т.д. Если рассматривать с этих позиций задачи, которые оно должно решать, то можно выделить следующие задачи:

Геометрическая задача – взаимодействие УЧПУ со станком для управления формообразованием детали. Решение данной задачи заключается в отображении геометрической информации чертежа в совокупность таких движений рабочих органов станка, которые материализуют чертеж в изделие.

Логическая задача заключается в управлении дискретной электроавтоматикой, т.е. автоматизацией на станке вспомогательных операций (зажим инструмента, смена инструмента и т.д.).

Технологическая задача заключается в управлении рабочим процессом и достижении требуемого качества обработки деталей с меньшими затратами.

Терминальная задача заключается во взаимодействии УЧПУ с окружающей средой.

Геометрическая задача

Сущность геометрической задачи можно определить следующим образом: отобразить геометрическую информацию чертежа в совокупность таких формообразующих движений станка, которые материализуют чертеж в конечном изделии. Каждый станок имеет свой комплект электроприводов, расположенных согласно системе координат. Электроприводы расположены таким образом, чтобы обеспечить обработку деталей соответствующего класса, т.е. перемещения инструмента (или заготовки) вдоль направляющих.

Например, на станках токарной группы профиль детали формируется перемещением инструмента в одной плоскости, поэтому станки данной группы оснащены комплектом из двух приводов, осуществляющих перемещения инструмента вдоль продольных и поперечных направляющих.

Логическая задача

На современных станках с ЧПУ автоматизированы многочисленные вспомогательные операции, называемые также технологическими. К их числу относятся: смена инструмента, зажим/разжим инструмента, переключение в коробке подач, управление зажимными приспособлениями, охлаждением, ограждением, смазкой и т.д. Все эти функции выполняются системой цикловой электроавтоматики – системой автоматического управления механизмами и группами механизмов, поведение которых определяется множеством дискретных операций с отношениями следования и параллелизма. Причем отдельные операции инициируются электрическими управляющими сигналами, а условия их смены формируются под влиянием осведомительных сигналов, поступающих со стороны объекта управления. Все сложные циклические процессы, выполняемые на станке с ЧПУ, можно представить в виде циклов автоматики и операций. Циклом автоматики станка с ЧПУ называют последовательность действий, вызываемых по имени одним из трех следующих информационных слов управляющей программы: «Скорость главного движения», «Функция инструмента», «Вспомогательная функция». Цикл автоматики состоит из операций, причем под операцией можно понимать любое независимое действие дискретного механизма, выполняемое одним двигателем, открываемое самостоятельным управляющим сигналом, подтверждаемое или не подтверждаемое при закрытии осведомительным сигналом.

Информационное слово «Скорость главного движения» начи­нается с адреса S, за которым следует комбинация цифр, опреде­ляющая в разных случаях либо скорость резания, либо частоту вращения шпинделя. Для кодирования скорости главного дви­жения применяют методы прямого обозначения, геометрической и арифметической прогрессий, символьный метод.

Метод прямого обозначения наиболее нагляден: слово S800 означает, например, вызов цикла, устанавливающего частоту вращения 800 мин-1. При кодировании методом геометрической прогрессии частоту вращения обозначают условным кодом 00, .... 98, а истинные значения образуют геометрическую прогрессию: 0; 1,12; 1,25; 1,40; ...; 80 000.

Информационное слово «Функция инструмента» начинается с адреса Т, за которым следуют одна или две группы цифр. В пер­вом случае слово указывает только номер вызываемого инстру­мента, а номер корректора для этого инструмента определяется другим словом с адресом D. Во втором случае вторая группа цифр определяет номер корректора длины, положения или диаметра инструмента. Например, в слове Т1218: Т – адрес, 12 – номер инструмента; 18 – номер корректора.

Информационное слово «Вспомогательная функция» опреде­ляет разнообразные команды цикловым механизмам станка и са­мому устройству ЧПУ. Вспомогательные функции задают сло­вами с адресом М и условной двухзначной кодовой комбинацией 00, ..., 99. Некоторые общепринятые вспомогательные функции приведены в табл. 1.2. Другие вспомогательные функции вводят при создании конкретного станка и конкретного устройства ЧПУ.