Очень краткий словарь числового программного управления

От автора

Каждый раз, когда появляются новые, не типичные для нашей обыденной деятельности задачи, мы начинаем общаться со специалистами по их решению. И каждый раз это общение начинается с непонимания или недопонимания. Нам кажется, что мы недооценили сложность проблемы, что нам не хватает каких-то фундаментальных знаний, доступных, однако, этому узкому кругу профессионалов, которые, при всем их дружелюбии, не спешат снизойти до нашего уровня.

Ситуация выглядит зеркально, когда обращаются к нам. Нам непонятно, почему эти неглупые и технически грамотные люди нуждаются в подробном объяснении элементарных вещей и задают детские вопросы.

Проходит время и всё становится понятно. Мы приобрели новые знания? Нет, скорее освоили терминологию. Любой круг специалистов создает собственный язык. Не для изоляции от непосвященных, не из щегольства - так проще и удобнее. Специалист пользуется массой стандартных решений, верность которых когда-то была раз и навсегда ему доказана, не задумываясь об их неочевидности для других. Цель данной работы – облегчить освоение терминологии, связанной с числовым программным управлением станками (ЧПУ). Надеюсь, что книга будет полезна студентам технических вузов, молодым специалистам, а также маркетологам и менеджерам высшего звена машиностроительных предприятий.

 

Абсолютный ноль

Абсолютным нулем называют то положение координаты, в котором она находится в результате выхода в ноль. Эта точка физически определяется ноль-меткой фотоэлектрического датчика положения (или фазой индуктивного) и местом, где появляется сигнал «Точный ноль». Относительно этой точки УЧПУ отсчитывает смещения для плавающих нулей. Поскольку абсолютный ноль однозначно привязан к механике станка, относительно него производятся перемещения, связанные с конструктивными особенностями станка, например, выход в зону для автоматической смены инструмента. УЧПУ FMS-3000 позволяет индицировать абсолютный ноль, я также имеет удобную возможность смещения абсолютных нулей осей относительно ноль-меток с помощью параметров.

 

Базовое программное обеспечение

Под базовым программным обеспечением УЧПУ понимают ту часть общего программного обеспечения, которая не зависит от модели станка и выполняет общие для всех типов и моделей станков задачи, такие как управление координатами, анализ и выполнение управляющей программы, обеспечение индикации. Адаптация базового ПО для конкретного станка производится установкой параметров и программой электроавтоматики, которая обменивается информацией с базовым ПО через обменные ячейки. Базовое программное обеспечение УЧПУ FMS-3000 разработано специалистами ООО «Модмаш-Софт», имеющими богатый опыт работы в данной области. В частности, эти же люди ещё в 1985 году написали программное обеспечение УЧПУ 2С42-65, которое до сих пор успешно работает на тысячах станков ГФ2171.

 

Булева алгебра

Алгебра логики или алгебра Буля – это раздел математики, дающий теоретические основы для управления электроавтоматикой. Булева алгебра оперирует с числами 0 и 1, которые можно трактовать как «ложь» и «истина». Используются три основных операции.

Первая операция - логическое сложение, иначе называемая «или».

0+0=0

0+1=1

1+0=1

1+1=1

Вторая операция – логическое умножение, иначе называемая «и».

0*0=0

0*1=0

1*0=0

1*1=1

Третье операция – инверсия. Инверсия 0 равна 1. Инверсия 1 равно 0.

 

Полезно знать, что инверсия суммы равна произведению инверсий, а инверсия произведения – сумме инверсий:

/(a+b)=/a*/b

/(a*b)=/a+/b

 

На практике широко используется формула с «самоподхватом».

a=(a+s)*/r

Сигнал «a» включается по переднему фронту сигнала «s» и остается включённым, пока не появится сигнал «r». Данная формула позволяет работать с импульсными сигналами для включения и выключения. Функции Булевой алгебры реализованы в языке электроавтоматики УЧПУ FMS-3000.

 

Выход в ноль

Датчики положения координат на станках после включения питания показывают ноль (или около). Чтобы УЧПУ после включения имело истинную информацию о положении координат, требуется выполнить выход в ноль. Для этого используется обменная ячейка, называемая «Точный ноль координаты». По команде УЧПУ происходит движение в направлении абсолютного нуля координаты до появления сигнала в этой ячейке. После чего происходит движение до появления ноль-метки, в случае фото датчика, или до нуля фазы индуктивного датчика положения. Эта точка и признается абсолютным нулем, относительно которого УЧПУ ведет отсчет.

Если движение с ожиданием сигнала «Точный ноль координаты» идет в положительном направлении, говорят, что координата имеет положительный выход в ноль, иначе – отрицательный. Поиск ноль-метки может начинаться после реверса координаты, это называют «выход в ноль с реверсом». Такой вариант удобней, так как позволяет корректно работать, если выход в ноль начинается с уже присутствующим сигналом «точный ноль». УЧПУ FMS-3000 позволяет выбрать удобный для данной оси и модели станка алгоритм выхода в ноль. Параметрами изменяется направление, наличие реверса и даже наличие самой ноль-метки.

 

Геометрия

Под геометрией понимают описание траектории движения инструмента в управляющей программе. Геометрия задается координатами (X, Y, Z или другие, в зависимости от модели станка), координатами центра окружности для круговой интерполяции I, J, K, подачей F, G-функциями, номерами корректоров при использовании коррекции на размер инструмента. В УЧПУ FMS-3000 применяется традиционная трактовка G-функций, но с помощью параметров можно изменить как набор G-функций, действующих по умолчанию, так и вид программирования центра окружности круговой интерполяции (абсолютный, относительный или в зависимости от G90-G91). Кроме того, макропрограммирование позволяет заменить любую стандартную G-функцию собственной.

 

Главное движение

Главным движением называют вращение шпинделя, то есть вращение детали на токарных станках и вращение инструмента фрезерных станков. Это движение требует большей мощности при обработке детали по сравнению с подачами координат. Поэтому двигатель главного движения на станке – самый мощный. В УЧПУ FMS-3000 управление главным движением описывается в программе электроавтоматики.

 

Датчики положения

Для определения положения координат используются индуктивные и фотоэлектрические датчики положения.

Индуктивные датчики (резольверы, сельсины, индуктосины) запитываются переменным током и выдают сигнал в виде сдвига фазы двух синусоидальных сигналов. Блоки оцифровки индуктивных датчиков делят этот фазовый сдвиг и получают положение датчика в его обороте с точностью делителя. Сразу же после включения индуктивный датчик показывает свое положение внутри оборота фазы. Индуктивные датчики являются абсолютными, но в пределах слишком маленького для УЧПУ диапазона. Например, если фаза делится на 1000, можно получить значения от 0 до 1000, или от -499 до 500, то когда дискретность микронная, это всего миллиметр, и УЧПУ должно вести счет переполнений.

Фотоэлектрические датчики при движении выдают две последовательности импульсов, сдвинутых на 90 градусов. При движении вперёд полученные данные выглядят как 00, 10, 11, 01, 00. При движении назад последовательность сигналов обратная 00, 01, 11, 10, 00. Блок оцифровки реагирует на каждое изменение сигналов и, зная предыдущее состояние, прибавляет или вычитает единицу из накопленной величины. При включении фотоэлектрические датчики всегда начинают считать с нуля, поэтому для определения начала отсчета и выхода в ноль есть дополнительный сигнал – ноль-метка. Если на станке максимальная подача 15000 мм/мин, а датчик измеряет положение с точностью до 0.001 мм, сумматор должен работать с частотой более 250 000 Гц. Поскольку частота тика таймера УЧПУ явно ниже, для оцифровки фотоэлектрических датчиков требуются специальные аппаратные средства. УЧПУ FMS-3000 работает с сигналами фотоэлектрических датчиков. Для подключения индуктивных применяются преобразователи.

 

Дискретность

Длина – величина аналоговая, и её представление в числовом виде требует оцифровки, которая производится датчиками положения с точностью до некоторой величины, называемой дискретностью датчика. УЧПУ в свою очередь имеет свои требования к точности задания на перемещение в управляющей программе. Минимальное перемещение, которое может выполнить УЧПУ, называют дискретностью УЧПУ. Не следует путать дискретность с точностью. Разумеется, точность станка не может быть выше дискретности его датчиков и УЧПУ, но если УЧПУ отрабатывает микрон, это не значит, что с такой же точностью можно получать детали. УЧПУ FMS-3000 стандартно использует дискретность 0.001 мм или 1/1000 градуса для круговых осей. Но число знаков после точки можно увеличить до 5.

 

Добротность

Добротность или коэффициент усиления привода – это коэффициент, на который умножается рассогласование, чтобы получить задание на привод подачи координаты. Величина добротности определяется исходя из принятого соотношения между рассогласованием и подачей, максимальной подачи и числом для максимального задания на привод. Например, максимальная подача 6 метров в минуту, рассогласование принято 1 мм на метр в минуту, а максимальное задание 2047 (11 двоичных разрядов). Получаем, что максимальное рассогласование будет 6 мм или 6000 мкм. Чтобы из 6000 получить 2047, 6000 надо умножить на 0.3412. Это и есть искомая добротность. В УЧПУ FMS-3000 добротности задаются параметрами.

 

Дрейф нуля привода

Дрейфом нуля привода называют ненулевое задание на привод, необходимое для того, чтобы привод стоял на месте. При наличии дрейфа УЧПУ показывает рассогласование при отсутствии движения, и заданное положение координаты не может быть достигнуто с точностью до дискреты. Дрейф устраняется настройкой аппаратной части привода (смещение нуля задания) или специальной функцией УЧПУ «автоматическая компенсация дрейфа». При настройке станка с УЧПУ FMS-3000 желательно сначала добиться снижения дрейфа аппаратными средствами, а уже потом устанавливать параметр автоматической компенсации.

 

Интерполяция

Под интерполяцией понимают согласованное движение координат по стандартному участку траектории, в отличие от позиционирования, когда координаты движутся независимо. Для движения по заданной траектории с участием нескольких координат необходимо, чтобы все координаты одновременно начали движение, за равное время разогнались, каждая до своей скорости, за равное время затормозили и одновременно пришли в заданную точку. Простейшим видом интерполяции является линейная, когда подача по каждой координате вычисляется пропорционально перемещению по ней. Линейная интерполяция обеспечивает траекторию в виде прямой, если в движении участвуют не более трёх линейных координат. Все УЧПУ выполняют круговую интерполяцию, представляющую собой дугу окружности в одной из трех плоскостей вокруг заданного в управляющей программе центра. Различают круговую интерполяцию по и против часовой стрелки. Для трех линейных осей применяют линейно-круговую интерполяцию, когда две координаты описывают окружность, а третья движется линейно. Получается спираль. Интерполяционная формула для взаимодействия координат может быть любой, например, степенной многочлен.

Кроме стандартных (линейной, круговой и линейно-круговой) интерполяций, УЧПУ FMS-3000 имеет встроенные интерполяционные функции для круговой интерполяции в пространстве и сплайна. Макропрограммирование дает возможность создания собственных интерполяционных формул.

 

Координаты

Перемещение инструмента или обрабатываемой детали на станках с ЧПУ осуществляется изменением положения координат. В трехмерном пространстве для задания положения одного тела относительно другого (в нашем случае – детали относительно инструмента) необходимо шесть координат – три линейных (Декартова система) и три угла поворота. В ЧПУ линейные координаты обозначают буквами X, Y, Z , а круговые – A, B, C. Ось вращения шпинделя станка (главное движение) стандартно параллельна оси Z. Оси вращения круговых координат A, B, и C параллельны соответственно линейным осям X, Y и Z. Если на станке обработка идёт за счет того, что инструмент или деталь вращаются шпинделем, круговая координата, чья ось параллельна оси шпинделя, не имеет смысла. Для того чтобы просверлить отверстие в любой точке шара, достаточно 5 координат, а чтобы поставить на шаре печать, надо 6, добавляется угол поворота печати вокруг собственной оси. Поэтому станки с одним шпинделем имеют не более 5 независимых осей.

УЧПУ FMS-3000 в стандартной поставке имеет до 5 интерполируемых координат. При заказе их число может быть увеличено по потребности. Названия осей, их положение в Декартовой системе, направления отсчёта, программные ограничения и многое другое задаётся параметрами.

 

Коррекция на размер инструмента

Управляющая программа описывает контуры детали, а УЧПУ управляет движением инструмента. Поскольку инструмент имеет отличные от нуля размеры, и резание производится разными его точками, траектория его движения не совпадает с контуром детали. Для удобного учета размеров инструмента предназначен набор функций коррекции. Различают коррекцию на длину и коррекцию на радиус инструмента. Коррекция на длину представляет собой смещение вдоль одной координатной оси, а коррекция на радиус обеспечивает движение центра инструмента на расстоянии заданного радиуса от запрограммированного контура. При этом происходит смещение по двум осям. Сумма квадратов этих смещений равна квадрату радиуса. Отметим, что коррекция на радиус работает в одной плоскости и для своей нормальной работы требует решения задачи об обходе внешних и внутренних углов и просчета контура движения вперёд. При обходе внешнего угла возникает участок контура, не описанный кадром управляющей программы. При просчете программы вперед определяется фрагменты контура, ширина которых меньше диаметра инструмента. На токарных станках часто применяется табличный ввод коррекций по номеру инструмента, когда одновременно с коррекцией на радиус и длину по номеру инструмента вводится смещение, что равнозначно вводу плавающего нуля. УЧПУ FMS-3000 использует два способа задания коррекции: табличный, по функции T, и через функции D и H. Первый обычно используется в токарных станках. Кроме того УЧПУ FMS-3000 имеет уникальную возможность трёхмерной коррекции размера и формы инструмента.

 

Люфт

С точки зрения ЧПУ люфт может быть двух видов: внутри контура управления положением или вне его. Если люфт имеет место между двигателем и датчиком положения, УЧПУ не в состоянии его скомпенсировать, так как не имеет информации о положении вала двигателя. Такая ситуация, возникающая на станках с линейными датчиками положения «на конечном звене» (индуктосины или оптические линейки), приводит к ударным нагрузкам в механических передачах, снижает точность и чистоту поверхности получаемых деталей. Если датчик положения установлен непосредственно на валу двигателя, люфт возможен между датчиком и «конечным звеном», то есть тем, что определяет реальное положение инструмента относительно детали. Этот люфт – величина постоянная, он может быть измерен и введен в УЧПУ для компенсации. В любом случае – без люфта лучше, чем с ним, а мнение о том, что наличие датчика положения «на конечном звене» решает все проблемы, всего-навсего распространённое заблуждение. УЧПУ FMS-3000 имеет стандартную возможность компенсации люфта между датчиком и конечным звеном.

 

Нулевые точки

При работе станка в разных случаях удобно принимать за начало координат разные точки. При включении станка УЧПУ начинает отсчет от того положения, в котором находились координаты в момент включения, поскольку датчики положения, используемые на станках, относительные, а не абсолютные, то есть выдают в УЧПУ информацию только об изменении своего положения. Для того чтобы УЧПУ имело верное представление о физическом положении органов станка, необходимо произвести выход в ноль. Положение, зафиксированное выходом в ноль, называют абсолютным нулем станка, но при работе используются плавающие нули. Смещения плавающих нулей относительно абсолютного вводятся в УЧПУ оператором в зависимости от положения заготовки и выбора нулевой точки автором управляющей программы. К точке, указанной в управляющей программе, добавляются смещение от коррекции на размер инструмента и смещение плавающего нуля, что дает положение органов станка относительно абсолютного нуля. УЧПУ FMS-3000 имеет удобный интерфейс для объявление точек нулевыми.

 

Обменные ячейки

Обменные ячейки служат для обмена информацией между базовым программным обеспечением и электроавтоматикой. Назначение и формат (бит, байт, 16 или более разрядное слово) каждой ячейки определяются базовым ПО и описываются в инструкции, которой пользуются при программировании электроавтоматики. С точки зрения электроавтоматики те ячейки, которые устанавливаются базовым ПО, являются входами, а те, что пишутся электроавтоматикой, выходами. Богатый набор обменных ячеек УЧПУ FMS-3000 позволяет программе электроавтоматики пользоваться всеми необходимыми данными.

 

Ориентация шпинделя

Под ориентацией шпинделя подразумевают его останов в заранее известном положении. Ориентация требуется для вывода из растачиваемого отверстия резца, установленного на борштанге. После ориентации инструмент отводится в направлении, противоположном вылету резца, на безопасное расстояние, после чего борштанга выводится из отверстия. Ориентация также необходима на фрезерных станках с автоматической сменой инструмента в шпинделе. В УЧПУ FMS-3000 ориентация является одной из задач, решаемых электроавтоматикой.

 

Параметры

Параметры служат для настройки базового программного обеспечения под модель станка и под конкретный станок. Набор параметров УЧПУ позволяет учитывать те признаки станка, которые меняются редко, или не меняются никогда. Например, количество и наименования координат остаются неизменными, а коэффициент приведения дискретности датчика положения к дискретности УЧПУ может быть изменен при замене датчика положения. УЧПУ FMS-3000 имеет обширную систему параметров, позволяющую осуществить привязку базового программного обеспечения к широкой гамме станков.

 

Плавающие нули

Автор управляющей программы начинает отсчет перемещений от той точки детали, которая кажется ему наиболее удобной. Оператор станка устанавливает заготовку, исходя их своих соображений. В результате между нулевой точкой детали и абсолютным нулем станка имеется разница. Эта разница, введенная в УЧПУ, позволяет сделать избранную нулем точку детали началом отсчета для управляющей программы. Обычно в УЧПУ есть возможность иметь несколько таких точек, которые меняются функциями G54,55,56 и т.д. Функция G53 устанавливает программирование относительно абсолютного нуля. УЧПУ FMS-3000 имеет 6 групп плавающий нулей, доступных не только оператору, но и управляющей программе через функции макроязыка.

 

Подача

Подачей называют скорость перемещения координат, в то время как термин «скорость» употребляют в отношении шпинделя. В управляющей программе подача задается функцией F в миллиметрах в минуту. Большинство станков имеют корректор подачи, позволяющий оператору изменять текущую подачу даже во время движения, снижая её до нуля или повышая на десятки процентов. Если в движении участвуют несколько координат, подача равна корню квадратному из суммы квадратов их скоростей. Если координаты линейные, подача представляет собой скорость движения инструмента относительно детали. При участии в интерполяции круговых осей реальная скорость инструмента зависит от радиусов поворотов и подача является условной величиной. На токарных станках используется задание подачи в миллиметрах на оборот шпинделя и функция поддержания постоянной скорости резания. В этих случаях скорость координат определяется информацией о скорости шпинделя, поступающей с его датчика положения. УЧПУ FMS-3000 позволяет задавать подачу не только в целых миллиметрах в минуту, но и с десятичной дробью.

 

Позиционирование

Под позиционированием, в отличие от интерполяции, подразумевается перемещение в заданную точку по одной или нескольким координатам на максимальной для каждой оси подаче. При этом движение по координатам может заканчиваться не одновременно. Позиционирование применяется, когда нужно выйти в заданную точку за минимальное время, а траектория не имеет значения. В УЧПУ FMS-3000 в зависимости от параметра функция позиционирования G0 может выполняться как в виде позиционирования, так и с интерполяцией осей.

 

Просмотр программы вперёд (lookahead)

Геометрия управляющей программы содержит не только траекторию движения инструмента, но и контурную подачу. И то, и другое – требования технолога, выполнить которые одновременно невозможно. Точное выполнение траектории требует снижения подачи до нуля на стыках кадров, а сохранение контурной подачи приводит к сглаживанию углов за счет рассогласования. Традиционный подход отдает предпочтение подаче, при этом отклонение от траектории зависит от настройки привода, подачи и её коррекции, то есть нестабильно. Просмотр управляющей программы вперёд (lookahead) является популярной сейчас функцией УЧПУ, которая позволяет установить компромисс между подачей и траекторией, снижая подачу на поворотах для прохождения контура с заданной точностью. В УЧПУ FMS-3000 действует одна из группы G-функций, задающая приоритет подачи, приоритет траектории или компромисс с заданным ограничением отклонения от траектории.

 

Рассогласование

Рассогласованием называют разницу между заданным и реальным (текущим) положением координаты. Превышение допустимой величины рассогласования УЧПУ считает сбоем, но само по себе рассогласование не является чем-то вредным или ошибочным. Наличие рассогласования естественно и неизбежно при движении координаты.

Среди множества задач, УЧПУ решает задачи слежения за координатой и движения координаты. Задача движения определяет заданное положение координаты по требованиям управляющей программы, или ручных перемещений, с учётом заданной подачи, её коррекции, условий разгона, торможения, ограничений размеров перемещений и т.п. Заданное положение обновляется каждый тик таймера. Если координата должна стоять на месте, заданное положение остается неизменным. Задача слежения получает с датчика положения информацию о текущем положении координаты, вычисляет рассогласование и пропорционально ему выдаёт задание (управляющее воздействие) на привод подачи координаты. Коэффициент, на который умножается рассогласование, чтобы получить задание на привод, называется добротностью. А подача, с которой будет двигаться координата в установившемся режиме, пропорциональна заданию на привод.

Если задача движения оперирует только числами в виртуальном пространстве, то задача слежения имеет дело с реальным материальным объектом, поведение которого прогнозируемо, но непредсказуемо. Даже если нет движения, рассогласование может иметь место из-за дрейфа нуля привода. Когда задача движения начинает изменять заданное положение, возникает рассогласование. В первый тик таймера движения это рассогласование будет равно приращению за тик таймера. На первый взгляд может показаться, что в идеальном случае рассогласование всегда должно быть таким. Представьте, задача движения добавляет некоторую величину к заданному положению, задача слежения умножает эту величину на добротность и выдает задание на привод, который к началу следующего тика таймера перемещает координату в точку, которая была заданным положением в предыдущем тике. На практике так не получается. Попытки подобного управления приводят к перерегулированию, то есть координата проезжает дальше, чем задано, а это в станках недопустимо. Эмпирически можно порекомендовать, чтобы рассогласование составляло около 1 мм при подаче 1000 мм/мин. В описании систем ЧПУ и станков встречаются упоминания о движении «без рассогласования». Это просто другая трактовка термина.

Соотношение подачи и рассогласования должны быть одинаковым для всех координат станка, иначе при интерполяции движение пойдёт по ошибочной траектории. При выполнении управляющей программы завершение кадра и переход к следующему происходит при выдаче задачей движения заданного положения, соответствующего точке, записанной в кадре, если иное не указано специально (позиционирование, торможение в конце кадра G9, просмотр программы вперёд). То есть текущее положение ещё отстаёт от заданного на величину рассогласования, а уже начался следующий кадр. В результате – «заваливание» углов детали на величину, пропорциональную рассогласованию и подаче. Но только так можно достичь постоянства подачи на траектории, от чего зависит чистота получаемой поверхности. Надо быть готовым к тому, что две детали, выполненные по одной управляющей программе, но на разных подачах, будут отличаться в размерах. В УЧПУ FMS-3000 при установившемся режиме движения рассогласование пропорционально текущей подаче, а вопрос повышения геометрической точности при максимально возможном сохранении заданной подачи решается функцией просмотра программы вперёд.

 

Резьбонарезание

Нарезание резьбы на станках с ЧПУ может производиться метчиком или резцом.

При использовании метчика представляется невозможным синхронизировать вращение метчика с его продольной подачей таким образом, чтобы количество оборотов на миллиметр соответствовало шагу резьбы. Поэтому используют крепление метчика, обеспечивающее его свободный ход в продольном направлении. Поскольку в станках с ЧПУ величина перемещения контролируется, а скорость шпинделя зависит от настройки привода и не является точной величиной, при таком способе нарезания резьбы невозможно гарантировать число оборотов резьбы. Предположим, что метчик имеет 2 нитки на миллиметр, требуется нарезать 20 мм резьбы и запрограммирована подача 100 мм/мин. То есть движение должно продолжаться 20/100= 1/5 минуты, а метчик должен сделать 20*2=40 оборотов. Получается скорость шпинделя 200 об/мин. Если реальная скорость шпинделя меньше, к примеру, на 5%, метчик сделает не 40, а 38 оборотов, что соответствует 1 мм, который потребуется выбрать из свободного хода оправки метчика. При повышении глубины эта величина пропорционально растет, а величина свободного хода не бесконечна. Кроме того, свободный ход необходим для выкручивания метчика из отверстия. Даже если скорость вращения очень точно настроена, время разгона-торможения оси отличается от времени реверса шпинделя.

При нарезании резцом используется датчик положения шпинделя, а подача задается в миллиметрах на оборот. При этом реальное положение шпинделя контролируется УЧПУ. Для того, чтобы нарезать резьбу в несколько проходов или делать многозаходную резьбу, существует функция синхронизации начала кадра по ноль-метке датчика положения шпинделя. УЧПУ FMS-3000, кроме обычной, позволяет нарезать разнообразные резьбы, в том числе конические и с переменным шагом.

 

Система автоматического проектирования

Системы автоматического проектирования (САПР по-русски или CAD/CAM по-английски) широко применяются для создания управляющих программ станков с ЧПУ. САПР представляют собой набор программных средств, которые позволяют создать модель поверхности детали, а затем, задав форму и размер инструмента, получить с помощью программы, называемой постпроцессором, управляющую программу для УЧПУ. Постпроцессор настраивается под используемую модель УЧПУ. Благодаря стандартной трактовке G-функций на УЧПУ FMS-3000 могут выполняться программы, подготовленные на постпроцессорах, настроенных под широко распространенные УЧПУ.

 

Станок с ЧПУ

Станок – это механическое устройство для перемещения инструмента относительно детали. Для этого на станке есть устройства, обеспечивающие линейные движения и повороты. Эти устройства имеют двигатели и датчики положения и называются координатами. Задача УЧПУ заключается в управлении координатами по заданной траектории с заданной скоростью (подачей). Траектория задается управляющей программой. Кроме геометрии, управляющая программа содержит технологию, которая служит для управления прочим оборудованием. Большинство станков, оснащенных УЧПУ, являются токарными, фрезерными или электроэрозионными.

 

Технология

В управляющей программе описывается не только геометрия движения координат, но и действия других исполнительных органов станка, управляемых электроавтоматикой. Эти команды записываются в управляющей программе технологическими функциями M, S и T. Функция S обычно означает скорость шпинделя в оборотах в минуту, а Т – номер инструмента. Функции М от 00 до 99 могут вызывать самые разные действия, но часть их стандартна. М00 – безусловный останов программы, М01 – останов при наличии разрешения, М02 – конец программы, М03 – пуск шпинделя по часовой стрелке, М04 – пуск шпинделя против часовой стрелки, М05 – стоп шпинделя, М06 – смена инструмента, М08 – включение охлаждения, М09 – выключение охлаждения, М30 – конец программы с возвратом на её начало, М99 – возврат из подпрограммы. Технологические функции выдаются в электроавтоматику, и выполнение управляющей программы приостанавливается до получения ответа в соответствующей обменной ячейке. Технологические функции могут быть начала кадра, конца кадра и выполняемые параллельно с геометрией. То есть если в кадре, кроме технологической функции, есть геометрия, порядок работы может быть разным. В УЧПУ FMS-3000 обработка технологических функций выполняется электроавтоматикой.

 

Тик таймера

УЧПУ представляет дискретно не только длины, но и время. Минимальным временным интервалом является тик таймера. За это время базовое программное обеспечение должно опросить все датчики положения координат, рассчитать и выдать задание на приводы. Рост частоты таймера повышает качество управления, но ограничен быстродействием аппаратной части компьютера. В УЧПУ FMS-3000 обычно устанавливается тик таймера в 0.001 с, но при использовании достаточно мощного процессора эта величина, доступная как параметр, может быть уменьшена.

 

Токарные станки

На токарных станках в шпинделе вращается деталь, это считается главным движением, инструмент (резец) перемещается линейно. Ось, параллельную шпинделю, обозначают Z, а перпендикулярную – X. Направление вдоль оси Z считается положительным при движении от оси шпинделя, то есть когда радиус резания увеличивается. Точку, где радиус равен нулю, где кромка резца доходит до оси шпинделя, считают началом отсчета, нулевой точкой. Индикация и задание положения по оси Z на токарных станках может быть радиальным или диаметральным. При радиальном задании указывается положение или перемещение резца, совпадающее с радиусом или изменением радиуса получаемой детали. При диаметральном задании следует помнить, что изменение диаметра в два раза больше, чем изменение положения резца. В токарных станках часто применяются задание подачи в миллиметрах на оборот шпинделя и функция резьбонарезания, а коррекция на размер инструмента обычно использует таблицу инструментов. Нормальным направлением вращения шпинделя в токарных станках является такое, при котором режущая кромка инструмента направлена вверх. Шпиндель традиционно расположен слева, поэтому с рабочего места оператора деталь вращается против часовой стрелки. Тем не менее, это называется «по часовой стрелке», то есть в направлении ввинчивания правого буравчика. Для нарезания правой резьбы инструмент должен двигаться справа налево к шпинделю. Токарно-карусельные станки имеют вертикальную ось шпинделя и, с точки зрения ЧПУ, то токарных не отличаются. УЧПУ FMS-3000 имеет большой набор стандартных циклов для токарных станков, что существенно упрощает работу. Макроязык дает возможность создания диалогов для часто встречающихся деталей.

 

Управляющая программа

Управляющая программа состоит из последовательности кадров, в которых описаны действия для изготовления детали на станке с ЧПУ. К этим действиям относятся перемещения координат (геометрия) и технология. Все УЧПУ поддерживают стандартный язык управляющих программ, но изготовители УЧПУ часто по-разному трактуют некоторые функции геометрии, а назначение технологических функций зависит от модели станка и его электроавтоматики. Кроме стандартного языка применяются языки макропрограммирования, позволяющие использовать в управляющих программах переменные, вычисления по формулам, условные и безусловные переходы. УЧПУ FMS-3000 выполняет программы, написанные на стандартном языке программирования управляющих программ, но в дополнение к этому в качестве макроязыка используется широко известный язык Basic.

 

Устройства цифровой индикации

Устройства цифровой индикации (УЦИ) не являются полноценными УЧПУ, но некоторые УЦИ имеют возможность позиционирования и выполняют функции электроавтоматики. Большинство УЦИ используют фотоэлектрические датчики и показывают положение координат относительно указанной точки. Для изготовления деталей на станке с УЦИ необходим квалифицированный рабочий.

 

Фрезерные станки

На фрезерных станках в шпинделе вращается инструмент. Относительно неподвижной станины могут перемещаться как инструмент, так и деталь. Программируется траектория перемещения инструмента относительно детали. Если деталь движется навстречу режущей кромке инструмента, говорят о встречном фрезеровании, а когда направления режущей кромки инструмента и детали совпадают, это называется попутным фрезерованием. Считается, что попутное фрезерование дает лучшую чистоту поверхности и точность. Фрезерные станки с автоматической сменой инструмента называют обрабатывающими центрами. Фрезерные станки могут иметь линейные и круговые оси. Подавляющее большинство фрезерных станов трехкоординатные и имеют три линейных оси. Станки, имеющие четвертую ось в виде поворотного стола, обычно используются для обработки корпусных деталей, где требуются фрезеровка плоскостей, сверление и растачивание отверстий с четырех сторон параллелепипеда. Пятикоординатные станки с двумя поворотными осями необходимы для изготовления деталей сложной поверхности, типа гребных винтов и турбинных лопаток. Хотя УЧПУ FMS-3000 широко используется на самых станках, возможности этой системы наиболее полно раскрываются на станках фрезерной группы. Это и многокоординатное формообразование, высокая скорость отработки кадров, большие объемы управляющих программ, сложная электроавтоматика.

 

Числовое программное управление

Техническое задание для числового программного управления (ЧПУ) формулируется просто: станок должен работать сам. Всё прочее – неизбежные уступки технической невозможности и экономической нерентабельности. Для начала кто-то должен написать программу, то есть каким-то образом описать траекторию движения инструмента и действия органов станка для обработки заготовки. Даже если применяется система автоматического проектирования (САПР по-русски или CAD/CAM по-английски), участия человека избежать не удаётся, хотя это работа «чистая», офисная. Но есть и «грязная» работа, работа у станка. Например, замена детали. Какими бы широкими ни были требования к привязке заготовки к абсолютному нулю, без человека это сделать трудно. Ещё надо контролировать исправность инструмента. Конечно, всё это можно автоматизировать, но тут выходит на арену экономика.

Нет универсального ответа на вопрос, когда экономически выгодно использовать ЧПУ и до какой степени следует автоматизировать обработку. При экономических расчетах в первую очередь следует учитывать, что производит станок и в каких количествах. Если цена обработки детали и их количество полностью оправдывают покупку станка, может быть выгоднее использовать агрегатный станок, который может делать только одну эту деталь с низкими затратами. Но если деталь имеет сложную форму, без ЧПУ всё равно не обойтись. На станке с ЧПУ деталь обрабатывается быстрее, чем если бы рабочий делал её на дешёвом универсальном станке, но надо учесть затраты на подготовку программы. Станок с автоматической сменой инструмента дороже, но меняет инструмент быстрее, чем оператор. С другой стороны, не всегда надо часто менять инструмент, а час работы оператора и час работы станка стоят по-разному.

 

Рассмотрев вопрос «Надо ли использовать ЧПУ?», перейдём к вопросу «Какое устройство ЧПУ надо использовать?». То есть что в УЧПУ считается хорошим?

Первое, что приходит в голову – надёжность. В теории надёжность – это когда не ломается, но мы знаем, что так не бывает. Поэтому надёжность следует оценивать по двум показателям: чтобы редко ломалось и чтобы быстро ремонтировалось. Современные устройства ЧПУ разных марок и прочая промышленная электроника содержат одинаковые микросхемы, установленные на платы, изготовленные и по одной и той же технологии. Вероятность того, что они изломаются и перестанут работать «просто так» очень мала. Неизмеримо выше вероятность попадания не туда, куда надо, высокого напряжения, металлической стружки или даже злоумышленника. Современные платы для УЧПУ неремонтопригодны, по крайней мере, в условиях того производства, где эксплуатируют станки с ЧПУ. Поэтому надежность современных УЧПУ обеспечивается доступностью и ценой запчастей (в виде плат).

Для технолога, который готовит управляющие программы, хорошо, когда УЧПУ не имеет ограничений по длине программы, эту программу удобно отлаживать, а набор G-функций, действующих по умолчанию, может быть настроен в соответствии с привычным.

Для оператора важен удобный интерфейс, и, особенно когда оператор берёт на себя часть функций технолога, возможность редактирования управляющих программ с использованием заготовок, шаблонов, макроязыка, диалогов, подсказок.

Для руководителей производства хорошее УЧПУ, это когда станок можно использовать на все 100%. И это касается не только рабочего времени, но и технологических возможностей станка. Поэтому хорошее УЧПУ не должно занимать время станка для подготовки и отладки управляющей программы, то есть программа готовится или параллельно с обработкой, или вообще в другом месте.

Кроме того, УЧПУ не должно ограничивать возможности механики. Как может быть иначе? Оказывается, может. В России до сих пор работают импортные УЧПУ, закупленные в годы холодной войны, где установлен запрет на интерполяцию более двух координат. Это, конечно, анахронизм, но есть и другое существенное ограничение, связанное со скоростью отработки кадров управляющей программы. Например, хорошая 20 лет назад и очень надёжная (20 лет, и всё ещё работает) стойка Fanuc 6m отрабатывает не более 5 кадров в секунду. Когда программы составлялись вручную, это не имело значения, но для сложного контура при подготовке программы на компьютере длина перемещения в кадре 10 мкм – обычное явление. При скорости отработки программы 5 кадров в секунду такой кадр может быть выполнен на подаче не выше 3 мм/мин. А если технолог написал F600, производительность станка падает в 200 раз! Конечно, на практике средняя длина кадра больше, но если деталь обрабатывается 10 часов, а можно за 1 час, это очень серьёзный аргумент при выборе УЧПУ. Попробуем выработать требования к УЧПУ по скорости отработки кадров. Если реальная точность станка изменяется сотками, то для программы на штамп длина перемещений будет порядка 0.1 мм, и столько же будет сниматься металла за проход инструмента при чистовой обработке. При такой нагрузке допустимы подачи до 6000 мм/мин. 6000 мм/мин это 100 мм/сек или 1000 кадров по 0.1 мм в секунду.

Как я уже говорил, современное УЧПУ – вещь надежная, когда ремонт сводится к замене немногочисленных и доступных плат, но надежность прочего электрооборудования станка за последние 20 лет существенно не выросла. УЧПУ должно позаботиться и об этом. УЧПУ должно обеспечить разнообразные возможности диагностики исполнительных органов станка, чтобы облегчить жизнь тем, кто этот станок обслуживает. На производстве УЧПУ касаются три человека: технолог, рабочий и ремонтник. Они могут по-разному называться в штатном расписании, могут совмещаться в двух или даже в трёх лицах, но первый пишет управляющую программу, второй устанавливает на станок заготовку, жмёт кнопку «пуск», снимает готовую деталь и зовёт третьего, если станок неисправен. Что такое «хорошо» с точки зрения ремонтника? Если уж такая беда случилась, и УЧПУ сломалось «совсем», хорошо, когда есть возможность его быстрой и легкой замены на уровне переключения разъемов. Если УЧПУ «живое», но требуется замена его части, хорошо, когда легко можно понять, какая часть требует замены. То же самое, если неисправность в станке. Но станок – система с многочисленными взаимными блокировками и обратными связями сигналов. Поэтому хорошо, когда УЧПУ диагностирует станок не только статически (состояние сигналов), но и динамически (циклограммы – по изменению сигналов, осциллограммы – в реальном времени). Еще лучше, когда все возможное неисправности уже предусмотрены, и УЧПУ сразу сообщает о том, какое устройство на станке вышло из строя.

Такой сервис реализуется программой электроавтоматики, а она пишется и отлаживается конструктором при проектировании станка или его модернизации. Проектирование – краткий миг в жизни станка с ЧПУ, но конструктор занимается этим постоянно и вправе предъявлять к УЧПУ свои специфические требования. Конструктор экономит собственное время, когда имеет дело со знакомым УЧПУ, где можно повторно использовать уже проверенные решения. Поэтому конструктор заинтересован в максимальной универсальности УЧПУ, его легкой адаптации к разным требованиям, что достигается обширным (но понятным) набором параметров и обменных ячеек. Для конструктора удобно, когда расширение УЧПУ (увеличение числа входов, выходов, управляемых осей) не требует замены существенных аппаратных и программных частей, когда одну и ту же модель УЧПУ можно поставить на самые разные станки.

УЧПУ FMS-3000 обладает всеми признаками современной системы ЧПУ. Аппаратное устройство имеет высокую надежность, которую гарантируют высокие тиражи плат для промышленной автоматизации, выпускаемых конкурирующими производителями. Применение промышленных процессорных плат позволяет использовать все удобства обычного компьютера по работе с периферией. Даже при сравнительно слабом процессоре MMX-200 программное обеспечение позволяет отрабатывать до 1000 кадров в секунду, а длина управляющей программы лимитируется только местом на носителе. Обширный набор параметров и обменных ячеек, развитый язык электроавтоматики, исключительная открытость системы для макропрограммирования делают УЧПУ FMS-3000 мощным и гибким средством автоматизации.

 

Шпиндель

Шпинделем называют узел станка, обеспечивающий главное движение. В управляющей программе функцией S задаётся скорость вращения шпинделя в оборотах в минуту. Многие станки имеют корректор, позволяющий оператору во время отработки управляющей программы изменять скорость шпинделя в некоторых пределах (но не снижать до нуля). Задача управления шпинделем является одной из задач электроавтоматики. При управлении шпинделем его точная скорость не контролируется УЧПУ, обычно имеется только дискретный сигнал, указывающий, что двигатель шпинделя вышел на заданные обороты. Датчик положения, расположенный на шпинделе ряда станков, используется не для поддержания заданной скорости, а для резьбонарезания, ориентации и обеспечения подачи координат, заданной в миллиметрах на оборот.

 

Электроавтоматика

Электроавтоматика (иначе PLC, или программа привязки, или встроенный контроллер) – это программный буфер между универсальным базовым программным обеспечением УЧПУ и исполнительными механизмами данной модели станка. Программа электроавтоматики общается с базовым ПО через обменные ячейки, а со станком – через физические входы и выходы. Программа электроавтоматики пишется на специальном языке, математической основой которого является Булева алгебра (алгебра логики) с набором дополнительных функций для производства вычислений и работы со временем. Программа электроавтоматики обеспечивает переключение режимов работы базового ПО (устанавливает соответствующие сигналы в обменные ячейки), работу исполнительных органов станка (включает и выключает дискретные выходы УЧПУ), контролирует правильность работы исполнительных органов (по информации с дискретных входов УЧПУ), обеспечивает выполнение технологии из управляющей программы (по информации в обменных ячейках). УЧПУ FMS-3000 имеет набор средств, необходимых для создания программ электроавтоматики. Это в первую очередь редактор и транслятор языка электроавтоматики, а также отладчик, позволяющий отлаживать программу электроавтоматики не только на УЧПУ, но и на обычном компьютере.

 

Электроэрозионные станки

Электроэрозионными станками называют станки, на которых удаление металла происходит за счёт электрического разряда, возникающего про контакте детали и электрода в ванне с жидкостью. Электроэрозионные станки бывают двух типов – так называемые прожигные и проволочные. В первых электродом часто служит зеркальная копия детали, и такие станки часто не являются полноценными станками с ЧПУ. В проволочных станках используется проволочный электрод, что позволяет получить поверхности, образованные прямыми линиями. Так как проволока, в отличие от фрезы, не имеет конца, электроэрозионные станки имеют две линейные координаты. Если добавить ещё две оси, обеспечивающие наклон проволоки, можно изготовить, например, конус. Особенностью проволочных электроэрозионных станков является то, что подача на них зависит от тока. Когда электрод не касается детали, ток равен нулю, и оси движутся на подаче из управляющей программы. При касании электродом детали (точнее, при пробое искрой жидкости) начинает течь ток, и подача должна быть снижена обратно пропорционально току. При слишком большом токе должен происходить «отскок», то есть быстрое перемещение назад по пройденному ранее пути. УЧПУ для электроэрозионных станков должно иметь аналогово-цифровой преобразователь и возможность отработки управляющей программы задом наперёд. УЧПУ FMS-3000 имеет все необходимые функции для работы с электроэрозионными станками, при этом данные аналогово-цифрового преобразователя обрабатываются электроавтоматикой.