Станки с числовым программным управлением (ЧПУ)

В основу классификации системы автоматического управления (рис. 3) положен информационный признак - вид   информации  по  координате (задающей и с устройства обратной связи) и количество одновременно управляемых координат. По виду задающей информации системы управления делятся на СУ с нечисловым (путевые, временные, кулачковые и   копировальные), с частично числовым (цикловые программные) и числовым (ЧПУ) программным управлением и комбинированные. Задающая информация в системах с нечисловым управлением представлена в виде физического аналога, в системах ЧПУ - в виде комбинации  чисел, а в цикловых - частично аналогом, частично в виде чисел.

Путевые и временные  системы автоматического управления самые простые из всех перечисленных, но вместе с тем обеспечивают наименьшую автоматизацию управления. В них  нет управления скоростью движения, поэтому информация об изменении скорости отсутствует, программирование обработки на станках с путевыми СУ сводится к составлению схемы расположения упоров,  по которым затем производится наладка – их размерная установка на панели или непосредственно на станке или настройкой реле времени, а информация о цикле - непереналаживаемой релейной схемой автоматики. Временные системы управления, как самостоятельные, применяют сравнительно  редко.

Рис. 3.  Классификация   систем   управления   автоматическими   станками

Путевые системы автоматического  управления конструктивно просты, удобны в эксплуатации, имеют не высокую  стоимость, но обладают низкой универсальностью и мобильностью. Область их рационального  применения – специальное оборудование для крупносерийного и массового производства.

В кулачковых и копировальных системах управления задающая информация  (о пути, скорости и цикле) задается соответственно кулачками распределительного механизма и копирами или шаблонами, цикловые  команды  в копировальных СУ выдают непереналаживаемые схемы релейной автоматики.

Кулачковые и копировальные  системы сложнее, чем путевые  и временные. В них информация получает более сложные преобразования, особенно в копировальных СУ с немеханическими связями между отдельными устройствами системы. Они позволяют реализовать более сложные законы движения и поэтому имеют большие технологические возможности.

В целом переналадка системы управления с нечисловым управлением заключается в изготовлении и точной установке различных упоров, реле, кулачков, копиров, настройке кинематической цепи привода распределительного вала и других механизмов и требует высококвалифицированного труда, применительно к металлообрабатывающим автоматам и полуавтоматам.

В системах циклового  программного управления команды цикла задаются в виде чисел, а команды пути - упорами. Можно считать, что это СУ с частично числовым программным управлением. Часть системы в них, управляющая циклом, выполнена в виде набора релейных схем, последовательность включения которых в процессе работы станка осуществляется автоматически, а наладка - вручную. Наладка цикловых  команд при  использовании  коммутаторов сводится  к  установке штекеров в определенные гнезда матрицы или к установке переключателей,  кнопок в требуемые положения, а при использовании быстросменных программоносителей - к установке их в считывающее устройство.

Эти системы имеют  несколько большие возможности  управления циклом, чем системы нечислового управления.

В системах ЧПУ информация о движении, цикловых и технологических командах выражена в числовом виде и записана на быстросменном носителе. Такая форма выражение задающей информации позволяет автоматизировать расчет и изготовление управляющей программы с помощью ЭВМ.

Системы ЧПУ - наиболее сложные из всех, но вместе с этим они обеспечивают наибольшую полноту автоматизации и оптимизации управления. Выполнение технологического процесса здесь возможно на расчетных и оптимальных режимах. Система ЧПУ позволяет автоматически контролировать параметры процесса с помощью средств обычного и активного контроля, осуществляет индикацию параметров на цифровом табло, дисплее, обеспечивает возможность коррекции, автоматической смены инструмента, управления от ЭВМ и т. д.

В комбинированных системах управления могут использоваться различные виды управления: путевое и временное, от копиров и цикловое программное, различные виды числового программного управления.

По признаку «обратная  связь» СУ делятся на разомкнутые (без обратной связи) и замкнутые (с обратной связью или обратными связями).

В разомкнутых СУ, где  используется только один поток информации (задающая), значения величин, определяющих фактическое состояние управляемого объекта, не контролируются. Для качественного управления такие системы требуют более точного изготовления их элементов и более тщательного соблюдения всех условий, в которых выполняется данный технологический процесс (постоянство нагрузок, температуры и т. д.), что вызывает определенные трудности и снижает их технологические возможности.

В наиболее распространенных замкнутых системах управления, кроме потока задающей информации, используется одни или несколько потоков информационной обратной связи, характеризующих фактические значения контролируемых величин. Здесь управление ведется с учетом результатов требуемого и фактического значений параметров состояния объекта управления, что повышает качество управления и увеличивает технологические возможности СУ.

По количеству координат, по которым осуществляется одновременное управление движением рабочего органа, СУ делит на системы с одно-, двух- и многокоординатным управлением. С увеличением количества управляемых координат возможности СУ расширяются.

Многие современные автоматические системы решают более сложные задачи оптимизации технологического процесса, например обеспечение максимального КПД регулируемого объекта, слежение за заданием с минимальной ошибкой и т.п. При этом управляющий орган содержит вычислительное устройство, в котором определяется необходимое воздействие на систему для того, чтобы привести объект к оптимальному режиму работы.

21. Основные конструктивные отличия станков с ЧПУ от универсальных

Конструктивные особенности станков с ЧПУ. Станки с ЧПУ имеют расширенные технологические возможности при сохранении высокой надежности работы. Конструкция станков с ЧПУ должна, как правило, обеспечить совмещение различных видов обработки (точение - фрезерование, фрезерование - шлифование), удобство загрузки заготовок, выгрузки деталей (особенно важно при использовании промышленных роботов), автоматическое или дистанционное управление сменой инструмента и т.д.

Повышение точности обработки  достигается высокой точностью  изготовления и жесткостью станка с ЧПУ, превышающей жесткость обычного станка того же назначения, для чего производят сокращение длины его кинематических цепей: применяют автономные приводы, по возможности сокращают число механических передач. Приводы станков с ЧПУ должны также обеспечивать высокое быстродействие.

Повышению точности способствует и устранение зазоров в передаточных механизмах приводов подач, снижение потерь на трение в направляющих и других механизмах, повышение виброустойчивости, снижение тепловых деформаций, применение в станках датчиков обратной связи. Для уменьшения тепловых деформаций необходимо обеспечить равномерный температурный режим в механизмах станка, чему, например, способствует предварительный разогрев станка и его гидросистемы. Температурную погрешность станка можно также уменьшить, вводя коррекцию в привод подач от сигналов датчиков температур.

Базовые детали (станины, колонны, основания) выполняют более  жесткими за счет введения дополнительных ребер жесткости. Повышенную жесткость  имеют и подвижные несущие  элементы (суппорты, столы, салазки). Столы, например, конструируют коробчатой формы с продольными и поперечными ребрами. Базовые детали изготовляют литыми или сварными. Наметилась тенденция выполнять такие детали из полимерного бетона или синтетического гранита, что в еще большей степени повышает жесткость и виброустойчивость станка.

Направляющие станков  с ЧПУ имеют высокую износостойкость  и малую силу трения, что позволяет  снизить мощность следящего привода, увеличить точность перемещений, уменьшить  рассогласование в следящей системе.

Направляющие качения  имеют высокую долговечность, характеризуются  небольшим трением, причем коэффициент  трения практически не зависит от скорости движения. В качестве тел  качения используют ролики. Предварительный  натяг повышает жесткость направляющих в 2...3 раза, для создания натяга используют регулирующие устройства.

В связи с развитием  микропроцессорной техники применяются  преобразователи для приводов подачи и главного движения с полным микропроцессорным  управлением - цифровые преобразователи или цифровые приводы. Цифровые приводы представляют собой электродвигатели, работающие на постоянном или переменном токе. Конструктивно преобразователи частоты, сервоприводы и устройства главного пуска и реверса являются отдельными электронными блоками управления.

В качестве привода подачи для станков с ЧПУ используют двигатели, представляющие собой управляемые от цифровых преобразователей синхронные или асинхронные машины. Бесколлекторные синхронные (вентильные) двигатели для станков с ЧПУ изготовляют с постоянным магнитом на основе редкоземельных элементов и оснащают датчиками обратной связи и тормозами. Асинхронные двигатели применяют реже, чем синхронные. Привод движения подач характеризуется минимально возможными зазорами, малым временем разгона и торможения, небольшими силами трения, уменьшенным нагревом элементов привода, большим диапазоном регулирования. Обеспечение этих характеристик возможно благодаря применению шариковых и гидростатических винтовых передач, направляющих качения и гидростатических направляющих, беззазорных редукторов с короткими кинематическими цепями и т.д.

Приводами главного движения для станков с ЧПУ обычно являются двигатели переменного тока - для  больших мощностей и постоянного  тока - для малых мощностей. В качестве приводов служат трехфазные четырехполюсные асинхронные двигатели, воспринимающие большие перегрузки и работающие при наличии в воздухе металлической пыли, стружки, масла и т.д. Поэтому в их конструкции предусмотрен внешний вентилятор. В двигатель встраивают различные датчики, например датчик положения шпинделя, что необходимо для ориентации или обеспечения независимой координаты. 

Шпиндели станков с  ЧПУ выполняют точными, жесткими, с повышенной износостойкостью шеек, посадочных и базирующих поверхностей. Конструкция шпинделя значительно усложняется из-за встроенных в него устройств автоматического разжима и зажима инструмента, датчиков при адаптивном управлении и автоматической диагностике. Опоры шпинделей должны обеспечить точность шпинделя в течение длительного времени в переменных условиях работы, повышенную жесткость, небольшие температурные деформации. Точность вращения шпинделя обеспечивается прежде всего высокой точностью изготовления подшипников.

Наиболее часто в  опорах шпинделей применяют подшипники качения. Для уменьшения влияния зазоров и повышения жесткости опор обычно устанавливают подшипники с предварительным натягом или увеличивают число тел качения. Подшипники скольжения в опорах шпинделей применяют реже и только при наличии устройств с периодическим (ручным) или автоматическим регулированием зазора в осевом или радиальном направлении. В прецизионных станках применяют аэростатические подшипники, в которых между шейкой вала и поверхностью подшипника находится сжатый воздух, благодаря этому снижается износ и нагрев подшипника, повышается точность вращения и т.п.

Привод позиционирования (т.е. перемещения рабочего органа станка в требуемую позицию согласно программе) должен иметь высокую  жесткость и обеспечивать плавность  перемещения при малых скоростях, большую скорость вспомогательных перемещений рабочих органов (до 10 м/мин и более).

Вспомогательные механизмы  станков с ЧПУ включают в себя устройства смены инструмента, уборки стружки, систему смазывания, зажимные приспособления, загрузочные устройства и т.д. Эта группа механизмов в станках с ЧПУ значительно отличается от аналогичных механизмов, используемых в обычных универсальных станках. Например, в результате повышения производительности станков с ЧПУ произошло резкое увеличение количества сходящей стружки в единицу времени, а отсюда возникла необходимость создания специальных устройств для отвода стружки. Для сокращения потерь времени при загрузке применяют приспособления, позволяющие одновременно устанавливать заготовку и снимать деталь во время обработки другой заготовки.

Устройства автоматической смены инструмента (магазины, автооператоры, револьверные головки) должны обеспечивать минимальные затраты времени  на смену инструмента, высокую надежность в работе, стабильность положения инструмента, т.е. постоянство размера вылета и положения оси при повторных сменах инструмента, иметь необходимую вместимость магазина или револьверной головки.

Револьверная головка - это наиболее простое устройство смены инструмента: установку и зажим инструмента осуществляют вручную. В рабочей позиции один из шпинделей приводится во вращение от главного привода станка. Револьверные головки устанавливают на токарные, сверлильные, фрезерные, многоцелевые станки с ЧПУ; в головке закрепляют от 4 до 12 инструментов.

Полная автономность и упрощение кинематических цепей приводов подач, когда связь между перемещениями по нескольким координатам одновременно осуществляется только через программу управления, позволяет осуществлять в станках с ЧПУ сложное во времени и точное по положению взаимодействие большого числа рабочих и вспомогательных механизмов. Возможность увеличения числа одновременно управляемых координат при применении cистем ЧПУ, позволило создать принципиально новые компоновки станков с получением широких технологических возможностей при автоматическом управлении.