Технологія числового програмного керування та верстати з ЧПК
Технологія числового програмного забезпечення, скорочено NC (числове керування), — це засіб керування механічними рухами та процесами обробки за допомогою цифрової інформації. Оскільки наразі сучасне числове керування зазвичай використовує комп'ютерне керування, воно також відоме як комп'ютеризоване числове керування (комп'ютеризоване числове керування – ЧПК).
Для досягнення цифрового інформаційного керування механічними рухами та процесами обробки необхідно мати відповідне апаратне та програмне забезпечення. Сукупність апаратного та програмного забезпечення, що використовуються для реалізації цифрового інформаційного керування, називається системою числового керування (системою числового керування), а ядром системи числового керування є пристрій числового керування (числовий контролер).
Верстати, що керуються за допомогою технології числового програмного керування, називаються верстатами з ЧПК (верстати з ЧПУ). Це типовий мехатронний продукт, який комплексно інтегрує передові технології, такі як комп'ютерні технології, технології автоматичного керування, технології прецизійних вимірювань та проектування верстатів. Він є основою сучасних виробничих технологій. Керування верстатами є найдавнішою та найширше застосовуваною галуззю технології числового програмного керування. Тому рівень верстатів з ЧПК значною мірою відображає продуктивність, рівень та тенденції розвитку сучасної технології числового програмного керування.
Існують різні типи верстатів з ЧПК, включаючи свердлильні, фрезерні та розточувальні верстати, токарні верстати, шліфувальні верстати, електроерозійні обробні верстати, ковальські верстати, лазерні обробні верстати та інші спеціалізовані верстати з ЧПК зі специфічним використанням. Будь-який верстат, керований за допомогою технології числового програмного керування, класифікується як верстат з ЧПУ.
Верстати з ЧПК, оснащені пристроєм автоматичної зміни інструментів ATC (Automatic Tool Changer – ATC), за винятком токарних верстатів з ЧПК з обертовими тримачами інструментів, називаються обробними центрами (Machine Center – MC). Завдяки автоматичній заміні інструментів, заготовки можуть виконувати кілька операцій обробки за один раз, досягаючи концентрації процесів та їх поєднання. Це ефективно скорочує час допоміжної обробки та підвищує ефективність роботи верстата. Одночасно це зменшує кількість установок та позиціонування заготовок, підвищуючи точність обробки. Обробні центри наразі є типом верстатів з ЧПК з найбільшою продуктивністю та найширшим застосуванням.
На основі верстатів з ЧПК, шляхом додавання пристроїв автоматичної заміни кількох робочих столів (піддонів) (Auto Pallet Changer – APC) та інших пов'язаних пристроїв, отриманий обробний блок називається гнучкою виробничою коміркою (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC не тільки реалізує концентрацію процесів та їх поєднання, але й, завдяки автоматичній заміні робочих столів (піддонів) та відносно повним функціям автоматичного моніторингу та керування, може виконувати безпілотну обробку протягом певного періоду, тим самим ще більше підвищуючи ефективність обробки обладнання. FMC є не лише основою гнучкої виробничої системи FMS (Flexible Manufacturing System), але також може використовуватися як незалежне автоматизоване обробне обладнання. Тому швидкість його розробки досить висока.
На основі FMC та обробних центрів, шляхом додавання логістичних систем, промислових роботів та супутнього обладнання, а також централізованого та уніфікованого контролю та управління за допомогою центральної системи керування, така виробнича система називається гнучкою виробничою системою FMS (Гнучка виробнича система). FMS може не тільки виконувати безпілотну обробку протягом тривалого часу, але й досягати повної обробки різних типів деталей та складання компонентів, досягаючи автоматизації виробничого процесу в цеху. Це високоавтоматизована передова виробнича система.
Зі постійним розвитком науки і техніки, для адаптації до мінливої ситуації ринкового попиту, для сучасного виробництва необхідно не лише сприяти автоматизації виробничого процесу в цеху, але й досягти комплексної автоматизації, починаючи від прогнозування ринку, прийняття рішень щодо виробництва, проектування продукції, виробництва продукції та її реалізації. Повна виробнича система, що формується шляхом інтеграції цих вимог, називається комп'ютерно-інтегрованою виробничою системою (комп'ютерно-інтегрована виробнича система – CIMS). CIMS органічно інтегрує тривалішу виробничу та бізнес-діяльність, досягаючи більш ефективного та гнучкішого інтелектуального виробництва, що представляє собою найвищий етап розвитку сучасних автоматизованих технологій виробництва. У CIMS відбувається не лише інтеграція виробничого обладнання, але й, що ще важливіше, інтеграція технологій та функцій, що характеризується інформацією. Комп'ютер є інструментом інтеграції, автоматизована технологія є основою інтеграції, а обмін та спільне використання інформації та даних є мостом інтеграції. Кінцевий продукт можна розглядати як матеріальний прояв інформації та даних.
Система числового керування та її компоненти
Основні компоненти системи числового керування
Система числового керування верстата з ЧПК є ядром усього обладнання числового керування. Основним об'єктом керування системи числового керування є переміщення осей координат (включаючи швидкість руху, напрямок, положення тощо), а інформація про керування в основному надходить з програм числового керування або програм керування рухом. Тому найосновніші компоненти системи числового керування повинні включати: пристрій введення/виведення програми, пристрій числового керування та сервопривід.
Роль пристрою введення/виведення полягає у введенні та виведенні даних, таких як програми обробки числового програмного забезпечення або керування рухом, дані обробки та керування, параметри верстата, положення координатних осей та стан перемикачів виявлення. Клавіатура та дисплей є найбазовішими пристроями введення/виведення, необхідними для будь-якого обладнання числового програмного забезпечення. Крім того, залежно від системи числового програмного забезпечення, можуть бути також оснащені такими пристроями, як фотоелектричні зчитувачі, стрічкові накопичувачі або накопичувачі на гнучких дисках. Як периферійний пристрій, комп'ютер наразі є одним із найпоширеніших пристроїв введення/виведення.
Пристрій числового керування (ЧПК) є основним компонентом системи числового керування. Він складається зі схем інтерфейсу введення/виведення, контролерів, арифметичних пристроїв та пам'яті. Роль пристрою числового керування полягає в компіляції, обчисленні та обробці даних, що вводяться пристроєм введення через внутрішню логічну схему або програмне забезпечення керування, а також у виведенні різних типів інформації та інструкцій для керування різними частинами верстата для виконання заданих дій.
Серед цієї керуючої інформації та інструкцій найбазовішими є інструкції щодо швидкості подачі, напрямку подачі та переміщення подачі координатних осей. Вони генеруються після інтерполяційних розрахунків, передаються сервоприводу, посилюються драйвером і зрештою керують переміщенням координатних осей. Це безпосередньо визначає траєкторію руху інструменту або координатних осей.
Крім того, залежно від системи та обладнання, наприклад, на верстаті з ЧПК, можуть бути також такі інструкції, як швидкість обертання, напрямок, запуск/зупинка шпинделя; інструкції вибору та заміни інструменту; інструкції запуску/зупинки пристроїв охолодження та змащення; інструкції щодо розпушування та затискання заготовки; індексування робочого столу та інші допоміжні інструкції. У системі числового програмного керування вони подаються на зовнішній допоміжний пристрій керування у вигляді сигналів через інтерфейс. Допоміжний пристрій керування виконує необхідну компіляцію та логічні операції над вищезазначеними сигналами, підсилює їх та керує відповідними виконавчими механізмами для керування механічними компонентами, гідравлічними та пневматичними допоміжними пристроями верстата для виконання дій, визначених інструкціями.
Сервопривід зазвичай складається із сервопідсилювачів (також відомих як драйвери, сервоблоки) та виконавчих механізмів. На верстатах з ЧПК як виконавчі механізми зараз зазвичай використовуються серводвигуни змінного струму; на сучасних високошвидкісних обробних верстатах почали використовувати лінійні двигуни. Крім того, на верстатах з ЧПК, випущених до 1980-х років, були випадки використання серводвигунів постійного струму; для простих верстатів з ЧПК як виконавчі механізми також використовувалися крокові двигуни. Форма сервопідсилювача залежить від виконавчого механізму та повинна використовуватися разом із приводним двигуном.
Вищезазначені компоненти є найбазовішими компонентами системи числового керування. З постійним розвитком технології числового керування та підвищенням рівня продуктивності верстатів, функціональні вимоги до системи також зростають. Щоб задовольнити вимоги до керування різними верстатами, забезпечити цілісність та однорідність системи числового керування, а також полегшити використання користувачем, поширені вдосконалені системи числового керування зазвичай мають внутрішній програмований контролер як допоміжний пристрій керування верстатом. Крім того, на металорізальних верстатах пристрій приводу шпинделя також може стати компонентом системи числового керування; на верстатах із замкнутим циклом із ЧПК вимірювальні та детекторні пристрої також є незамінними для системи числового керування. У вдосконалених системах числового керування іноді навіть комп'ютер використовується як інтерфейс людина-машина системи, а також для керування даними та пристроїв введення/виведення, що робить функції системи числового керування потужнішими, а продуктивність досконалішою.
На завершення, склад системи числового керування залежить від продуктивності системи керування та конкретних вимог до керування обладнанням. Існують суттєві відмінності в її конфігурації та складі. Окрім трьох найосновніших компонентів: пристрою введення/виведення програми обробки, пристрою числового керування та сервоприводу, можуть бути й інші пристрої керування. Штриховий прямокутник на рисунку 1-1 представляє комп'ютерну систему числового керування.
Концепції ЧПУ, ЧПК, SV та ПЛК
NC (ЧПК), SV та PLC (ПК, PMC) – це дуже поширені англійські абревіатури в обладнанні числового програмного забезпечення та мають різні значення в різних практичних застосуваннях.
ЧПУ (ЧПК): ЧПК та ЧПК – це загальноприйняті англійські абревіатури для числового керування та комп’ютеризованого числового керування відповідно. Враховуючи, що сучасне числове керування використовує комп’ютерне керування, можна вважати, що значення ЧПК та ЧПК абсолютно однакові. В інженерних застосуваннях, залежно від випадку використання, ЧПК (ЧПК) зазвичай має три різні значення: у широкому сенсі він представляє технологію керування – технологію числового керування; у вузькому сенсі він представляє собою сутність системи керування – систему числового керування; крім того, він також може представляти певний пристрій керування – пристрій числового керування.
СВ: СВ — це загальноприйнята англійська абревіатура від сервопривід (Servo Drive, скорочено servo). Згідно з встановленими термінами японського стандарту JIS, це «механізм керування, який приймає положення, напрямок і стан об'єкта як керуючі величини та відстежує довільні зміни цільового значення». Коротше кажучи, це пристрій керування, який може автоматично відстежувати фізичні величини, такі як цільове положення.
На верстатах з ЧПК роль сервоприводу головним чином відображається у двох аспектах: по-перше, він дозволяє осям координат працювати зі швидкістю, заданою пристроєм числового керування; по-друге, він дозволяє позиціонувати осі координат відповідно до положення, заданого пристроєм числового керування.
Об'єктами керування сервоприводом зазвичай є переміщення та швидкість координатних осей верстата; виконавчий механізм – серводвигун; частина, яка керує та підсилює вхідний сигнал команди, часто називається сервопідсилювачем (також відомим як драйвер, підсилювач, сервоблок тощо), який є ядром сервоприводу.
Сервопривід може використовуватися не тільки разом із числовим програмним керуванням, але й окремо як система супроводу положення (швидкості). Тому його також часто називають сервосистемою. У ранніх системах числового програмного керування частина керування положенням зазвичай була інтегрована з ЧПК, а сервопривід виконував лише керування швидкістю. Тому сервопривід часто називали блоком керування швидкістю.
ПЛК: ПК – це англійська абревіатура від Programmable Controller (Програмований контролер). Зі зростанням популярності персональних комп'ютерів, щоб уникнути плутанини з персональними комп'ютерами (також званими ПК), програмовані контролери тепер зазвичай називають програмованими логічними контролерами (Programmalbe Logic Controller – PLC) або програмованими контролерами верстатів (Programmable Machine Controller – PMC). Тому на верстатах з ЧПК ПК, ПЛК та PMC мають абсолютно однакове значення.
ПЛК має такі переваги, як швидка реакція, надійна робота, зручність використання, легке програмування та налагодження, а також може безпосередньо керувати деякими електроприладами верстатів. Тому він широко використовується як допоміжний пристрій керування для обладнання з числовим програмним керуванням. Наразі більшість систем числового програмного керування мають внутрішній ПЛК для обробки допоміжних інструкцій верстатів з ЧПК, що значно спрощує допоміжний пристрій керування верстатом. Крім того, у багатьох випадках завдяки спеціальним функціональним модулям, таким як модуль керування осями та модуль позиціонування ПЛК, ПЛК також може бути безпосередньо використаний для досягнення точкового положення, лінійного керування та простого контурного керування, створюючи спеціальні верстати з ЧПК або виробничі лінії з ЧПК.
Склад та принцип обробки верстатів з ЧПУ
Основний склад верстатів з ЧПК
Верстати з ЧПК є найтиповішим обладнанням для числового програмного керування. Щоб з'ясувати основний склад верстатів з ЧПК, спочатку необхідно проаналізувати робочий процес верстатів з ЧПК для обробки деталей. На верстатах з ЧПК для обробки деталей можна виконати такі кроки:
Згідно з кресленнями та технологічними планами деталей, що підлягають обробці, використовуючи задані коди та формати програм, запишіть траєкторію руху інструментів, процес обробки, параметри процесу, параметри різання тощо у форму інструкції, розпізнавану системою числового програмного керування, тобто напишіть програму обробки.
Введіть письмову програму обробки в пристрій числового програмного керування.
Пристрій числового програмного керування декодує та обробляє вхідну програму (код) і надсилає відповідні керуючі сигнали до пристроїв сервоприводу та пристроїв керування допоміжними функціями кожної координатної осі для керування рухом кожного компонента верстата.
Під час руху система числового керування повинна в будь-який момент часу визначати положення координатних осей верстата, стан перемикачів ходу тощо та порівнювати їх з вимогами програми, щоб визначити наступну дію, доки не будуть оброблені кваліфіковані деталі.
Оператор може будь-коли спостерігати та перевіряти умови обробки та робочий стан верстата. За необхідності також потрібно коригувати дії верстата та програми обробки, щоб забезпечити безпечну та надійну роботу верстата.
Можна побачити, що основний склад верстата з ЧПК повинен включати: пристрої введення/виведення, пристрої числового керування, сервоприводи та пристрої зворотного зв'язку, допоміжні пристрої керування та корпус верстата.
Склад верстатів з ЧПК
Система числового керування використовується для керування обробкою на верстаті. Наразі більшість систем числового керування використовують комп'ютерне числове керування (тобто ЧПК). Пристрій введення/виведення, пристрій числового керування, сервопривід та пристрій зворотного зв'язку на рисунку разом утворюють систему числового керування верстатом, а її роль описана вище. Далі коротко описано інші компоненти.
Пристрій зворотного зв'язку вимірювань: це ланка детектування замкнутого (напівзамкнутого) верстата з ЧПК. Його роль полягає у виявленні швидкості та переміщення фактичного переміщення виконавчого механізму (наприклад, тримача інструменту) або робочого столу за допомогою сучасних вимірювальних елементів, таких як імпульсні енкодери, резольвери, індукційні синхронізатори, решітки, магнітні шкали та лазерні вимірювальні прилади, та передачі їх назад до сервоприводу або пристрою числового керування, а також компенсації швидкості подачі або похибки руху виконавчого механізму для досягнення мети підвищення точності механізму руху. Положення встановлення пристрою детектування та положення, куди подається сигнал детектування, залежать від структури системи числового керування. Вбудовані сервоімпульсні енкодери, тахометри та лінійні решітки є поширеними компонентами детектування.
Оскільки всі сучасні сервоприводи використовують технологію цифрового сервоприводу (так званий цифровий сервопривід), для з'єднання між сервоприводом та пристроєм числового керування зазвичай використовується шина; у більшості випадків сигнал зворотного зв'язку підключається до сервоприводу та передається на пристрій числового керування через шину. Лише в окремих випадках або при використанні аналогових сервоприводів (зазвичай відомих як аналоговий сервопривід) пристрій зворотного зв'язку необхідно безпосередньо підключати до пристрою числового керування.
Допоміжний механізм керування та механізм передачі подачі: розташований між пристроєм числового програмного керування та механічними та гідравлічними компонентами верстата. Його основна роль полягає в отриманні інструкцій щодо швидкості шпинделя, напрямку та запуску/зупинки, що видаються пристроєм числового програмного керування; інструкцій щодо вибору та заміни інструменту; інструкцій щодо запуску/зупинки пристроїв охолодження та змащення; допоміжних сигналів інструкцій, таких як послаблення та затискання заготовок та компонентів верстата, індексація робочого столу, а також сигналів стану перемикачів виявлення на верстаті. Після необхідного компілювання, логічного аналізу та посилення потужності відповідні виконавчі механізми безпосередньо керуються механічними компонентами, гідравлічними та пневматичними допоміжними пристроями верстата для виконання дій, визначених інструкціями. Зазвичай він складається з ПЛК та схеми керування сильним струмом. ПЛК може бути інтегрований з ЧПУ за структурою (вбудований ПЛК) або відносно незалежним (зовнішній ПЛК).
Корпус верстата, тобто механічна структура верстата з ЧПК, також складається з систем головного приводу, систем приводу подачі, станин, робочих столів, допоміжних рухових пристроїв, гідравлічних та пневматичних систем, систем змащення, пристроїв охолодження, систем видалення стружки, систем захисту та інших деталей. Однак, щоб відповідати вимогам числового програмного забезпечення та забезпечити повну продуктивність верстата, він зазнав значних змін з точки зору загального компонування, зовнішнього вигляду, структури системи передачі, системи інструментів та експлуатаційних характеристик. Механічні компоненти верстата включають станину, коробку, колону, напрямну рейку, робочий стіл, шпиндель, механізм подачі, механізм заміни інструментів тощо.
Принцип обробки на верстатах з ЧПК
На традиційних металорізальних верстатах під час обробки деталей оператору необхідно постійно змінювати такі параметри, як траєкторія руху та швидкість руху інструменту, відповідно до вимог креслення, щоб інструмент виконував обробку різанням заготовки та, нарешті, обробляв кваліфіковані деталі.
Обробка верстатів з ЧПК по суті застосовує принцип «диференціала». Його принцип роботи та процес можна коротко описати наступним чином:
Відповідно до траєкторії інструменту, необхідної програмою обробки, пристрій числового керування диференціює траєкторію вздовж відповідних координатних осей верстата з мінімальною величиною переміщення (еквівалент імпульсу) (△X, △Y на рисунку 1-2) та обчислює кількість імпульсів, які кожна координатна вісь повинна перемістити.
За допомогою програмного забезпечення «інтерполяції» або калькулятора «інтерполяції» пристрою числового керування, необхідна траєкторія підбирається за допомогою еквівалентної полілінії в одиницях «одиниці мінімального руху», і знаходиться підібрана полілінія, найближча до теоретичної траєкторії.
Відповідно до траєкторії прокладеної полілінії, пристрій числового керування безперервно розподіляє імпульси подачі між відповідними координатними осями та забезпечує переміщення координатних осей верстата відповідно до розподілених імпульсів за допомогою сервоприводу.
Можна побачити, що: По-перше, якщо мінімальна величина переміщення (еквівалент імпульсу) верстата з ЧПК достатньо мала, використана підібрана полілінія може еквівалентно замінити теоретичну криву. По-друге, якщо змінити метод розподілу імпульсів координатних осей, можна змінити форму підібраної полілінії, тим самим досягаючи мети зміни траєкторії обробки. По-третє, якщо частота…