Общие вопросы программирования

Современные позиционные системы ЧПУ позволяют программировать рабочие и холостые перемещения не только по прямоугольному циклу, но и под углом 45⁰ к осям координат со скоростью до 5м/мин, а также изменять с панели управления положение инструмента, скорость подачи, осуществлять управление с ручным вводом данных. Ступенчатое или плавное торможение приводов подач позволяет отрабатывать координаты с погрешностью не более 0,01мм.

Кроме горизонтально-расточных  станков отечественная промышленность выпускает координатно-расточные станки с ЧПУ с вертикальной осью шпинделя с дискретностью позиционирования до 0,001мм на импульс.

 

Технологические возможности обрабатывающих центров

 

Первые образцы выпущены в 1960 году. Это высокоавтоматизированный станок с ПУ, снабженный специальным инструментальным магазином для автоматической смены РИ. С помощью ПУ на этих станках осуществляется перемещение заготовки по трем координатам и вращение вокруг вертикальной оси поворотного стола. В ряде случаев ОЦ снабжаются глобусным столом, имеющим вертикальные и горизонтальные оси вращения – для обработки корпусных деталей с одного установа. Ось шпинделя некоторых ОЦ также поворачивается под любым углом.

ПУ обеспечивает изменение скоростей и подач, количество перемещений и включений  СОЖ, смена инструмента и так далее.

Магазины  емкостью до 138 инструментов, смена  инструмента за 2…6 сек. Некоторые  конструкции ОЦ имеют 2 шпинделя –  один для тяжелых работ (фрезерования), другой – для легких и более  точных. Однако во всех случаях обработка  различных поверхностей ведется последовательно одним инструментом.

В отличие от многошпиндельных станков-автоматов и автоматических линий, применяемых в массовом производстве, повышение производительности труда на ОЦ достигается не за счет совмещения технологических переходов и параллельной многоинструментальной обработки многих поверхностей, а путем резкого сокращения вспомогательного и подготовительно-заключительного времени и интенсификации РР. Скорость Х.Х. -до 10-15м/мин, доля машинного времени достигает 80-90%, скорости резания увеличивают на 20-100% из-за возможности быстрой смены РИ. Стабильность размеров позволяет сократить объем контрольных операций на 50-70%, время на установку и снятие сокращают при использовании сменных палет, т. е. приспособлений–спутников, на которые заблаговременно (вне станка) устанавливаются и выверяются заготовки. Замена палеты на станке происходит автоматически.

Технологические возможности растачивания отверстий возрастают с применением  план суппортной головки с программированным  циклом радиального перемещения резца (обработка ступовых отверстий, канавок, отверстий конических и других форм, подрезка внутренних торцов и т.д.). Наиболее сложные корпусные заготовки с большим количеством плоскостей, отверстий и выемок, расположенных с разных сторон и под разными углами, целесообразно изготовляют на ОЦ с распределением шпинделя, с поворотным крестовым или глобусным столом, с вертикальным перемещением шпиндельной головки. С применением ОЦ происходит общее снижение доли физического труда и возрастает значение труда ИТР по наладке станков и их ремонту, по составлению программ, кодированию, проектированию технических процессов. Преимущества ОЦ перед другими видами МРС, включая и обычные станки с ПУ, обеспечили быстрое их развитие и увеличение выпуска. Из общего числа выпущенных до настоящего времени в мире станков с ПУ более 25% составляют ОЦ. Предполагается, что в будущем выпуск ОЦ достигнет половины от всего выпуска станков с ЧПУ.

 

Совершенствование и расширение применения станков с ЧПУ

 

По расчетам специалистов доля станков с ЧПУ в мире возросла до 50…65%.

Современные системы обеспечивают дискретность позиционирования 0,5…1мкм, и даже в специальных случаях 0,25 мкм при стабильности 0,1мкм; бесступенчатое регулирование n_мп с сохранением V=const при переходе на другой диаметр; возможность углового позиционирования шпинделя для ориентированной установки в патрон несимметричной заготовки, для осуществления вне осевой (поперечной) обработки сверлением или фрезерованием. Новые системы ЧПУ предусматривают компенсацию систематических погрешностей обработки, связанных с тепловыми деформациями технологической системы, влиянием люфтов на точность перемещений при реверсе, вводится автоматическая коррекция накопленных погрешностей перемещений, связанных с отклонениями шага ходового влита. Созданы и развиваются устройства, компенсирующие погрешность закрепления заготовки путем коррекции положения заготовки. Вводится автоматическое измерение размеров (датчики контактного типа), для осуществления автоматической коррекции положения инструмента, это исключает появление даже штучного брака. Вводятся ограничители по предельной мощности резания, силе, крутящему моменту для предотвращения поломки инструмента и появления брака.

В УЧПУ токарных станков используют стандартные циклы обработки геометрических элементов заготовок, целые подпрограммы обработки типовых деталей, чрезвычайно упрощается осуществление групповой обработки.

Расширяется адаптивное управление по силе и мощности резания, изменяющее n_мп и S. Эти системы отличаются высоким быстродействием, так изменение  по сигналу системы происходит за один оборот шпинделя, а n_мп снижается с 2000 до 0об/мин за несколько миллисекунд. Особенно целесообразно применение таких адаптивных систем при значительных колебаниях припуска и механических свойств обработки материалов.

Для серийных и крупносерийных производств  станки с ЧПУ поставляются с загрузочными устройствами для установки и  снятия заготовок из патрона. Эти  станки могут включаться в гибкие автоматические участки, управляемые от общей ЭВМ. Максимальная частота вращения шпинделя возрастает до 12000об/мин, скорость холостых ходов 15-19м/мин. Для повышения жесткости, облегчения удаления стружки, СОЖ 65% современных токарных станков с ЧПУ выпускаются с наклонным или вертикальным расположением направляющих (например: СТП).

Современные обрабатывающие центры снабжаются устройствами для смены отдельных  инструментов и многошпиндельных головок, для установки на горизонтальном шпинделе вертикальной шпиндельной  головки, имеющей свое устройство автоматической смены инструментов и даже инструментальных магазинов. Обрабатывающие центры снабжаются сменными столами, наборами поворотных плит–спутников (палет) для автоматической смены обрабатываемых заготовок различных типов и размеров. Подобные станки могут работать автономно или в составе ГПС в режиме безлюдной технологии в течение 18…22 часов в сутки. Современные ОЦ снабжаются автоматическими устройствами для контроля состояния режущего инструмента и степени его затупления по затраченной мощности, крутящему моменту и силе тока, по составляющим P_X и P_Y; предусмотрена смена режущего инструмента на основе программы по расчетному периоду его стойкости. Степень размерного износа инструмента для коррекции его положения определяется по результатам автоматических измерений обрабатываемой заготовки или измерений инструмента непосредственно на станке.

Особенности конструкции станков  с ПУ

 

Новые концепции в конструировании  станков, связанные с развитием  конструкций отдельных узлов, созданием  быстродействующих приводов, высокоточных измерительных преобразований обратной связи, многокоординатных УЧПУ, проявились в наибольшей степени в конструкции многооперационных станков.

В станках с ЧПУ применяют  наиболее прогрессивные конструкции  отдельных узлов. В частности, сварные корпусные детали оказались легче, жестче и дешевле аналогичных чугунных. Заполнение сварных станин и полостей различными наполнителями улучшают антивибрационные свойства станков.

Широко применяется агрегатирование  узлов станка, межтиповое агрегатирование – применение принципа унификации узлов применительно к станкам различных групп. Например модификации станка, получаемые:

1. сменой шпиндельной бабки:

а) с инструментальным магазином, ось  которого параллельна оси шпинделя (фрезерно-сверлильный станок);

б) с восьмипозиционной револьверной головкой;

в) двухшпиндельный фрезерный станок (горизонтальный и вертикальный шпиндели);

г) вертикально-фрезерный станок для  торцевого фрезерования;

д) вертикально-фрезерный станок с  шестипозиционной револьверной головкой;

е) сверлильный станок с восьмипозиционной  револьверной головкой;

2. сменой стола:

а) с коротким столом (крестовым);

б) с длинным крестовым столом;

в) с поворотным столом;

г) с двойным (двухпозиционным) столом.

Широко применяются  беззазорные шариковые винтовые пары, роликовые и гидростатические направляющие. Исключаются скачкообразность на малых подачах. Снижается коэффициент трения с 0,15…0,3 до 0,01, однако это снижает демпфирование системы и требует применения специальных демпферов, а также зажимов стола.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

 

Станки с ПУ по конструкции системы  управления подразделяются на станки с цикловым и числовым управлением  и станки с числовым управлением.

Все виды УЧПУ делят на 2 группы:

Первая: устройства с постоянной структурой – имеют схемную реализацию алгоритмов работы (интерполяции, типовых циклов и т.д.), выпускаются для различных групп станков:

- токарные: Н22, Контур-2ПТ

- фрезерные: Н33, Контур-3П

- коорд.-расточн.: Размер 2М, П33

- шлифовальные: П-111, Ш-111М

- эл.-эррозионные: Контур-2П-67

Эти УЧПУ совершенствуются в части  схемно-конструкторских реализаций, элементной базы и сохранят свое значение для станков с ЧПУ, выпускаемых  крупными сериями. Основным направлением развития этой группы является создание устройств с памятью на всю программу и расширенными технологическими возможностями (коррекция, индикация и т.д.).

Вторая: устройства с переменной структурой – возникли позднее. Основные алгоритмы работы этих устройств задаются программно (или аппаратно - программно) и могут изменяться для различных применений устройства. Это позволяет уменьшить число модификаций УЧПУ, ускорить и облегчить их освоение, в т.ч. УЧПУ с самоподнастраивающимися алгоритмами. Строятся они на основе микро ЭВМ либо микропроцессоров.

Существенной отличительной особенностью станка с ЧПУ от ЦПУ является то, что вся программа его работы записывается на программоносителе (перфоленте, магнитной ленте, магнитном диске) в виде комбинаций отверстий, выражающей цифры, а также буквы и другие символы. В состав такой программы входят и числовые значения перемещений подвижных органов, что составляет принципиальное отличие станка с ЧПУ от станка с ЦПУ.

По технологическому назначению все системы чпу делятся на две основные группы: позиционные (координатная установка) и контурные (прямоугольное формообразование, прямолинейное формообразование, криволинейное формообразование) + комбинированные.

В позиционных системах программируются  отдельные дискретные точки на плоскости  или в пространстве (позиции, координаты). В процессе обработки исполнительный орган в определенной последовательности обходит заданные координаты. Позиционные системы используют для автоматизации сверлильных, координатно-сверлильных, координатно-расточных станков, цикловых промышленных роботов. По каждой координатной оси программируется только величина перемещения, а траектория перемещения может быть произвольной. Перемещение ИО (исполнительного органа) из позиции в позицию осуществляется с максимальной скоростью, а его подход к заданной позиции – с минимальной («ползучей») скоростью. Точность позиционирования повышается в результате подхода ИО к заданной позиции всегда с одной стороны (например, слева направо).

В контурных системах программируется  не только величина перемещения по каждой координате, но и закон перемещения. Системы используют для автоматизации фрезерных и токарных станков. Характерной особенностью обрабатываемых деталей является наличие фасонных поверхностей. Подача инструмента в каждый данный момент получается сложением подач по отдельным координатным осям. Подача S при контурной обработке получается сложением продольной и поперечной подач. Таким образом, перемещения инструмента по различным координатным осям функционально связаны друг с другом.

Комбинированные системы ЧПУ, отвечающие в полном объеме требованиям позиционных и контурных устройств, применяют, в основном, для управления ОЦ. К таким системам относятся устройства со свободным программированием алгоритмов (класса CNC) и возможностью зашивки алгоритмов работы при изготовлении (например: Н55).

Кроме упомянутых систем ЧПУ существуют еще две разновидности систем, которые условно относятся к  программным и обеспечивают частичную  автоматизацию выполнения отдельных  элементов цикла без применения программоносителей. К ним относятся  системы цифровой индикации положения, и системы цифровой индикации с ручным вводом данных. Системы ЦИП (визуализаторы) применяются на обычных универсальных станках практически без всякой их переналадки. На экране (световое табло) такой системы непрерывно указываются численные значения координат подвижных органов станка от датчиков положения. Часто система кроме визуализатора образуется пультом с панелью набора координат, на которые должны выйти подвижные органы станка после включения подачи. Такая система называется системой цифровой индикации с ручным вводом данных.

 

По уровню технологических  возможностей системы ЧПУ делятся на следующие классы:

NC – покадровое считывание перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки. Система читает последующий кадр и заносит его в стек во время обработки предыдущего и т.д. Недостаток – постоянное использование внешнего программоносителя, возможное возникновение сбоев чтения информации.

SNC – однократное считывание всей перфоленты перед обработкой партии одинаковых заготовок. Имеет увеличенный объем памяти запоминающего устройства.

CNC – системы со встроенной малой ЭВМ (коммьютером, микропроцессором).

DNC – прямое числовое управление группой станков от одной ЭВМ.

HNC – оперативные системы с ручным набором программы на пульте управления.

VNC - позволяет вводить информацию непосредственно голосом.

 

По числу потоков  информации системы ЧПУ делятся на замкнутые (высокомоментные двигатели постоянного тока), разомкнутые (с шаговым приводом) и адаптивные.

 

Программоноситель

 

Информация в кодированном виде записывается для станков с ЧПУ на перфоленту, изготовленную из бумаги толщиной 0,1 мм и шириной 25,4 мм. На ленте размещены восемь кодовых дорожек и одна транспортная. Строкой называют ряд кодовых отверстий, расположенных перпендикулярно направлению транспортирования. Шаг перфорации (2,54 мм) или шаг строки есть расстояние между осями рядом расположенных строк. Лента поставляется в бобинах диаметром около 200мм. Лента должна выдерживать не менее чем 50-кратное прохождение через типовые считывающие устройства. В декодированном виде (если запись программы осуществляется в единичном коде) программы, как правило, записывались на магнитную ленту.

В современных станках с ЧПУ  возможна запись информации в память СЧПУ от внешнего устройства (ЭВМ высшего ранга) через специальный порт (например, RS-232) без использования перфоленты, либо ее непосредственный набор на рабочем месте у станка.