Числове програмне управління (ЧПУ) - комп'ютеризована система управління, керуюча приводами технологічного обладнання, включаючи верстатну оснастку. На рисунку наведено приклад ЧПУ розкрійного станка.

 

ЧПУ Розкрійного станка

 

 

Устаткування з ЧПУ може бути представлено:

• верстатний парк, наприклад верстатами (верстати, обладнані числовим програмним управлінням, називаються верстатами з ЧПУ):
  •  для обробки металів (наприклад, фрезерні чи токарні), дерева, пластмас;
  •  для різання листових заготовок;
  •   для обробки тиском;
• приводами асинхронних електродвигунів, що використовують векторне управління;
• характерною системою управління сучасними промисловими роботами.

Кілька верстатів з ЧПУ можуть об'єднатися в гнучку автоматизовану виробничу систему (ГПС), яка в свою чергу може бути доповнена гнучким автоматизованим ділянкою (ГАУ) і увійти до складу автоматичної лінії (виробництва масштабу ділянки або цеху), ГАЛ.

Загальні відомості про верстати з ЧПУ

Під управлінням верстатом прийнято розуміти сукупність впливів на його механізми, що забезпечують виконання технологічного циклу обробки, а під системою управління - пристрій або сукупність, що реалізують ці впливи.

Числове програмне управління ( ЧПУ) - це управління, при якому програму задають у вигляді записаного на якому носії масиву інформації. Керуюча інформація для систем ЧПУ є дискретною і її обробка в процесі управління здійснюється цифровими методами. Управління технологічними циклами практично повсюдно здійснюється за допомогою програмованих логічних контролерів, що реалізуються на основі принципів цифрових електронних обчислювальних пристроїв.

Системи ЧПУ практично витісняють інші типи систем управління.

За технологічним призначенням і функціональним можливостям системи ЧПУ поділяють на чотири групи:

• позиційні, в яких задають тільки координати кінцевих точок положення виконавчих органів після виконання ними певних елементів робочого циклу;
• контурні, або безперервні, керуючі рухом виконавчого органу по заданій криволінійній траєкторії;
• універсальні (комбіновані), в яких здійснюється програмування як переміщень при позиціонуванні , так і руху виконавчих органів по траєкторії, а також зміни інструментів і завантаження- вивантаження заготовок;
• багатоконтурні системи, що забезпечують одночасне або послідовне управління функціонуванням ряду вузлів і механізмів верстата.

Прикладом застосування систем ЧПУ першої групи є свердлильні, розточні і координатно - розточувальні верстати. Прикладом другої групи служать системи ЧПУ різних токарних, фрезерних і круглошліфувальних верстатів. До третьої групи відносяться системи ЧПУ різних багатоцільових токарних і свердлильно-фрезерно-розточувальних верстатів.

До четвертої групи належать безцентрові круглошліфувальні верстати, в яких від систем ЧПУ управляють різними механізмами: правки, подачі бабок і т.д. Існують позиційні, контурні, комбіновані і багатоконтурні цикли управління.

За способом підготовки і введення керуючої програми розрізняють так звані оперативні системи ЧПУ (в цьому випадку керуючу програму готують і редагують безпосередньо на верстаті, в процесі обробки першої деталі з партії або імітації її обробки) і системи, для яких керуюча програма готується незалежно від місця обробки деталі. Причому незалежна підготовка керуючої програми може виконуватися або за допомогою засобів обчислювальної техніки, що входять до складу систем ЧПУ даного верстата, або поза нею (вручну або за допомогою системи автоматизації програмування).

Програмовані контролери - це пристрої управління електроавтоматичного верстата. Більшість програмованих контролерів мають модельну конструкцію, до складу якої входять джерело живлення, процесорний блок і програмована пам'ять, а також різні модулі вводу/виводу. Для створення й налагодження програм роботи верстата застосовують програмуючі апарати. Принцип роботи контролера: зчитуються необхідні вводи/виводи і отримані дані аналізуються в процесорному блоці. При цьому вирішуються логічні завдання і результат обчислення передається на відповідний логічний або фізичний вивід для подання до відповідного механізму верстата.

У програмованих контролерів використовують різні типи пам'яті, в якій зберігається програма електроавтоматичного верстата: електричну перепрограмовану незалежну пам'ять; оперативну пам'ять з вільним доступом; стирається ультрафіолетовим випромінюванням і електрично перепрограмовується.

Програмований контролер має систему діагностики: вводів / виводів, помилки в роботі процесора , пам'яті, батареї, зв'язку та інших елементів. Для спрощення пошуку несправностей сучасні інтелектуальні модулі мають самодіагностику. Програмний носій може містити як геометричну, так технологічну інформацію. Технологічна інформація забезпечує певний цикл роботи верстата, а геометрична - характеризує форму, розміри елементів оброблюваної заготовки та інструменту і їх взаємне положення в просторі.

Верстати з програмним керуванням (ПУ) за видом управління поділяють на верстати та системами циклового програмного керування (ЦПУ і верстати з системами числового програмного керування (ЧПУ). Системи ЦПУ більш прості, так як в них програмується тільки цикл роботи верстата, а величини робочих переміщень, тобто геометрична інформація, задаються спрощено, наприклад за допомогою упорів. У верстатах з ЧПК управління здійснюється від програмоносія, на який в числовому вигляді занесена і геометрична, і технологічна інформація.

В окрему групу виділяють верстати з цифровою індикацією і попереднім набором координат. У цих верстатах є електронний пристрій для завдання координат потрібних точок (попереднім набором координат) і хрестовий стіл, забезпечений датчиками положення, який дає команди на переміщення до необхідної позиції. При цьому на екрані висвічується кожне поточне положення столу (цифрова індикація). У таких верстатах можна застосовувати або переднабору координат або цифрову індикацію; вихідну програму роботи задає верстатник.

У моделях верстатів з ПУ для позначення ступеня автоматизації додається літера Ф з цифрою: Ф1- верстати з цифровою індикацією і попереднім набором координат; Ф2- верстати з позиційними і прямокутними системами ЧПУ; Ф3 - верстати з контурними системами ЧПУ і Ф4- верстати з універсальною системою ЧПУ для позиційної і контурної обробки. Особливу групу складають верстати, що мають ЧПУ для багатоконтурної обробки, наприклад безцентрові круглошліфувальні верстати. Для верстатів з цикловими системами ПУ в позначенні моделі введений індекс Ц , з оперативними системами - індекс Т (наприклад, 16К2Т1).

Системи числового програмного керування ( СЧПУ ) - це сукупність спеціалізованих пристроїв, методів і засобів, необхідних для здійснення ЧПУ верстатами. Пристрій ЧПУ верстатами - це частина СЧПУ, виконана як єдине ціле з нею і здійснює видачу керуючих впливів за заданою програмою.

У міжнародній практиці прийняті наступні позначення: NC-ЧПУ; HNC - різновид ЧПУ із завданням програми оператором з пульта за допомогою клавіш, перемикачів і т.д.; SNS - пристрій ЧПУ, що має пам'ять для зберігання всієї керуючої програми; CNC-управління автономним верстатом з ЧПУ, зміст міні-ЕОМ або процесор; DNS- управління групою верстатів від загальної ЕОМ.

Для верстатів з ЧПУ стандартизовані напрямку переміщення та їх символіка. Стандартом ISO - R841 прийнято за позитивний напрямок переміщення елемента верстата вважати те, при якому інструмент або заготовка відходять один від іншого. Вихідною віссю (вісь Z) є вісь робочого шпинделя. Якщо ця вісь поворотна, то її положення вибирають перпендикулярно площини кріплення деталі. Позитивно напрямок осі Z- від пристрою кріплення деталі до інструмента. Також присутні вісі Х та У.

Використання конкретного виду обладнання з ЧПУ залежить від складності виготовлення деталі і серійності виробництва. Чим менше серійність виробництва, тим більшу технологічну гнучкість повинен мати верстат.

При виготовленні деталей зі складними просторовими профілями в одиничному і дрібносерійного виробництва використання верстатів з ЧПУ є майже єдиним технічно виправданим рішенням. Це обладнання доцільно застосовувати у разі, якщо неможливо швидко виготовити оснастку. У серійному виробництві також доцільно використовувати верстати з ЧПУ. Останнім часом широко використовують автономні верстати з ЧПУ або системи з таких верстатів в умовах переналагоджуваної багатосерійного виробництва.

Принципова особливість верстата з ЧПУ - це робота по керуючій програмі (КП), на якій записані цикл роботи обладнання для обробки конкретної деталі і технологічні режими. При зміні оброблюваної на верстаті деталі необхідно просто змінити програму, що скорочує на 80 ... 90 % трудомісткість переналагодження в порівнянні з трудомісткістю цієї операції на верстатах з ручним керуванням.

Основні переваги верстатів з ЧПУ:

• продуктивність верстата підвищується в 1,5 ... 2,5 рази порівняно з продуктивністю аналогічних верстатів з ручним управлінням;
• поєднується гнучкість універсального обладнання з точністю і продуктивністю верстата - автомата;
• знижується потреба в кваліфікованих робітниках на верстатниках, а підготовка виробництва переноситься в сферу інженерної діяльності;
• деталі, виготовлені за однією програмою, є взаємозамінними, що скорочує час прігоночних робіт у процесі складання;
• скорочуються терміни підготовки та переходу на виготовлення нових деталей завдяки попередній підготовці програм, більш простий і універсальною технологічної оснащенні;
• знижується тривалість циклу виготовлення деталей і зменшується запас незавершеного виробництва.

Програмне забезпечення

Керуюча система зчитує інструкції спеціалізованої мови програмування (наприклад, G -код ) програми, який потім інтерпретатором системи ЧПУ перекладається з вхідного мови в команди управління головним приводом, приводами подач, контролерами управління вузлів верстата (наприклад, включити / виключити подачу охолоджуючої емульсії).

Розробка керуючих програм в даний час виконується з використанням спеціальних модулів для систем автоматизованого проектування (САПР) або окремих систем автоматизованого програмування (CAM), які генерують програму обробки.

Для визначення необхідної траєкторії руху робочого органу в цілому (інструменту/заготовки) відповідно до керуючої програми використовується інтерполятор, що розраховує положення проміжних точок траєкторії по заданих у програмі.

У системі управління, крім самої програми, присутні дані інших форматів і призначення.  Як мінімум, це машинні дані і дані користувача, специфічно прив'язані до конкретної системи управління або до певної серії (лінійці) однотипних моделей систем управління.

Програма для верстата (обладнання) з ЧПУ може бути завантажена з зовнішніх носіїв наприклад, магнітної стрічки, перфорованої паперової стрічки (перфострічки), дискети або флеш-накопичувачів у власну пам'ять або тимчасову, до виключення живлення - в ​​оперативну пам'ять, або постійну - в ПЗУ, карту пам'яті або інший накопичувач: жорсткий диск або твердотільний накопичувач. Крім цього, сучасне обладнання підключається до централізованих систем управління за допомогою заводських (цехових) мереж зв'язку.

Найбільш поширена мова програмування ЧПУ для металорізального обладнання описаний документом ISO 6983 Міжнародного комітету зі стандартизації і називається «G-код». В окремих випадках - наприклад, системи управління гравірувальними верстатами - мова управління принципово відрізняється від стандарту. Для простих завдань, наприклад, розкрою плоских заготовок, система ЧПУ в якості вхідної інформації може використовувати текстовий файл у форматі обміну даними - наприклад DXF або HPGL.

Апаратне забезпечення

Структурно, до складу ЧПУ входять:

• пульт оператора ( або консоль вводу/виводу), що дозволяє вводити керуючу програму, задавати режими роботи; виконати операцію вручну. Як правило, всередині шафи пульта сучасної компактної ЧПУ, розміщуються її інші частини;
• дисплей (або операторська панель) - для візуального контролю режимів роботи і редаговання керуючої програми/даних; може бути реалізований у вигляді окремого пристрою для дистанційного керування обладнанням;
• контролер - комп'ютеризоване пристрій, вирішальне завдання формування траєкторії руху ріжучого інструменту, технологічних команд управління пристроями автоматики верстата, загальним управлінням, редагування керуючих програм, діагностики та допоміжних розрахунків (траєкторії руху ріжучого інструменту, режимів різання);
• ПЗУ - пам'ять призначена для довготривалого зберігання (роки і десятки років) системних програм і констант; інформація з ПЗУ може тільки зчитуватися;
• ОЗУ - пам'ять призначена для тимчасового зберігання керуючих програми і системних програм, що використовуються в даний момент.

У ролі контролера виступає промисловий контролер: мікропроцесор, на якому побудована вбудовується система; програмований логічний контролер або більш складний пристрій управління - промисловий комп'ютер.

Важливою характеристикою CNC -контролера є кількість осей (каналів), які він здатний синхронізувати (управляти) - для цього потрібна висока продуктивність і відповідне ПЗ.

В якості виконавчих механізмів використовуються сервоприводи, крокові двигуни.

Для передачі даних між виконавчим механізмом і системою управління верстатом зазвичай використовується промислова мережа (наприклад, CAN, Profibus, Industrial Ethernet).