Революція в програмному забезпеченні ЧПУ

Автор : btamedia press

    Розвиток числового програмного управління (ЧПУ) має приблизно тридцятирічну історію. Цей процес протікає настільки стрімко, що в техніці не так просто знайти інший аналогічний у цьому сенсі приклад.

    Змінювалися покоління електронних пристроїв ЧПУ, принципово змінювалися їхні можливості, що накладало відбиток на конструкцію і функціональнийзв'язок із самим об'єктом управління. Основна властивість верстатів з ЧПУ - це їх гнучкість, тобто швидкість переналагодження, що на порядок вище гнучкості верстатів автоматів на основі копіювання, командаппаратів, шляхових вимикачів і т.д..


    У результаті розвитку пристроїв ЧПУ, побудованих за структурою ЕОМ, створені високопродуктивні технологічні модулі, до складу яких входять:багатоопераційний верстат з автоматичною зміною інструменту, транспортно накопичувальна система, що дозволяє проводити заміну деталі на заготівлю, система контролю і регенерації відходів.

Такі модулі можуть працювати в автономному режимі або вбудовуватися в автоматичні лінії. Верстати з ЧПУ дозволяють проводити обробку деталей з великою концентрацією інструментальних переходів, що підвищує точність деталей (обробка з однієї технологічної бази), знижує Тшт. на операцію і зменшує довжину транспортних потоків. Всі ці якості дозволяють припустити збільшення обсягу обробки на верстатах з ЧПК в умовах переходу до ринкової економіки.

    Тенденції розвитку верстатів з ЧПК: створення  ЧПУ із застосуванням мікро-ЕОМ на мікропроцесорах, застосування в електроавтоматики верстата з ЧПУ мікроелектроніки, введення в систему верстата діагностичних пристроїв; широке впровадження автоматизованих самопристосовуючих(адаптивних) пристроїв, які забезпечують оптимізацію управління та обробки деталей; створення ЧПУ, керуючих як окремими верстатами, так і групою верстатів.


    Впровадження нових технологій і модернізації в машинобудуванні

    Технічний процес не стоїть на місці, все більше відбувається впровадження в життя машинобудування та виробництва ЧПУ постійно вдосконалюючись. Верстати з ЧПУ, як нове розумне обладнання дозволяє виробництву перейти на наступний рівень розвинутих технологій.  У сучасному промисловому та експериментальному виробництві використовуються верстати, в яких пристрої числового програмного керування (ЧПУ) виконані на базі мікропроцесорних платформ, сумісних з персональними комп'ютерами (ПК), як носії інформації використовуються дискети, або ж файли з керуючими програмами (КП) яка зчитується верстатом програмую його на виконання заданих операцій. Таким чином у галузі технологій машинобудування виробництво ставати більш великим.

    Сучасне механічнообробне виробництво, як правило, передбачає наявність і ефективне використання різного обладнання з числовим програмним управлінням(ЧПК). Це можуть бути найрізноманітніші фрезерні, токарні, електроерозійні як дротові, так і прошивальні верстати, фрезерні та токарні оброблювальні центри, преси для листового штампування, лазерне обладнання, координатно-вимірювальні машини і т.п. Для ефективного використання всього спектру обладнання необхідна сучасна комп'ютерна система розробки управляючих програм.

    Склад і основний принцип роботи ЧПУ

    У загальному вигляді структуру комплексу "Верстат з числовим програмним керуванням" можна представити у вигляді трьох блоків, кожен з яких виконує своє завдання: керуюча програма (КП), пристрій ЧПУ (ПЧПУ) і власне верстат.
Всі блоки комплексу працюють взаємопов'язано в єдиній структурі.
    Керуюча програма містить збільшене кодоване описання всіх стадій геометричного і технологічної освіти вироби.
    У ПЧПУ керуюча інформація відповідно до КП транслюється, а потім використовується в обчислювальному циклі, результатом якого є формування оперативних команд в реальному масштабі машинного часу верстата. Верстат є основним споживачем інформації, що управляє, виконавчою частиною, об'єктом управління, а в конструктивному відношенні - несучою конструкцією, на якій змонтовані механізми з автоматичним управлінням, пристосовані до прийому оперативних команд від ПЧПУ, яке є основним елементом у загальній системі управління обладнанням. Функціональність реальної системи ЧПУ (СЧПУ) визначається ступенем реалізації цілого ряду функцій при управлінні:
1. Введення і зберігання системного програмного забезпечення (ВПЗ);
2. Введення, зберігання КП та реалізацію вихідної інформації;
3. Інтерпретація кадру;
4. Інтерполяція;
5. Керування приводами подач;
6. Керування приводом головного руху;
7. Логічне управління;
8. Корекція на розміри;
9. Реалізація циклів;
10. Зміна інструменту;
11. Корекція похибок механічних і вимірювальних пристроїв;
12. Адаптивне управління обробкою;
13. Накопичення статистичної інформації;
14. Автоматичний вбудований контроль.

    Додаткові функції:
1. Обмін інформацією з ПК верхнього рівня, оптимізацію окремих режимів і циклів технологічного процесу;
2. Узгоджене управління обладнанням технологічного модуля;
3. Управління елементами автоматичної транспортно-складської системи;
4. Управління зовнішніми пристроями; зв'язок з оператором;
5. Технічна діагностика технологічного обладнання та самої системи ЧПУ та ін .

    До ПЧПУ сходяться всі нитки управління автоматичними механізмами верстата. Конструктивно ПЧПУ виконано як автономний електронний агрегат, що має пристрій введення УП, обчислювальну частину, електричний канал зв'язку з автоматичними механізмами верстата.

    Відповідно до міжнародної класифікації всі ЧПУ за рівнем технічних можливостей діляться на наступні  основні класи:

• NC (Numerical Control); SNC (Stored Numerical Control); CNC (Computer Numerical Control); DNC (Direct Numerical Control); HNC (Handled Numerical Con trol);
• VNC (Voise Numerical Control), NEURO-Fuzzy (Нейро-фаззі) системиуправління.

    Всі сучасні ПЧПУ мають клас не нижче CNC, тобто в основі пристрою - потужний ПК з усіма його можливостями.
ЧПУ класів CNC, DNC, HNC відносяться до пристроїв зі змінною структурою. Основні алгоритми роботи цих пристроїв задаються програмно (чи апаратно-програмно) і можуть змінюватись для різних умов, що дозволяє зменшити число модифікацій ЧПУ, прискорити їх освоєння, в тому числі ЧПУ з самонастроюваними алгоритмами. ПЧПУ цих класів мають структуру ПК і володіють характерними ознаками обчислювальної машини.
    Для роботи ПЧПУ має бути відповідним чином запрограмовано. Для цього подібні системи мають спеціальне ПМЗ, що представляє собою комплекс алгоритмів переробки інформації, що надходить у вигляді КП. Математичне забезпечення може вводитися в систему через пристрій введення, як і основна КП. Тоді система ЧПУ відноситься до класу вільно програмованих. В інших випадках математичне забезпечення закладається в постійну пам'ять системи на стадії її виготовлення. Однак, у всіх випадках існують можливості для зміни, доповнення, збагачення цього математичного забезпечення, в силу чого подібні ЧПУ мають велику гнучкість і здатність до функціонального нарощуванню. ЧПУ можуть бути як складовою частиною обладнання, що постачається, так і пристроєм, що використовується при модернізації вже наявних в експлуатації верстатів. Моделей ЧПУ досить багато, ці пристрої виробляються як вітчизняними, так і зарубіжними фірмами. Від рівня моделі, від ряду її характеристик залежать багато технологічні характеристики керованого даної ЧПУ обладнання.
    У загальному випадку виділяють у ЧПУ наступні дані:
• кількість одночасно керованих осей;
• кількість цифрових входів / виходів;
• забезпечувана дискретність приводів подач;
• обсяги оперативної пам'яті і пам'яті жорсткого диска базового комп'ютера ЧПУ;
• інтерфейс обміну;
• характер і схеми компенсацій похибок;
• види і схеми корекцій;
• функції інтерполяції;
• графічний інтерфейс;
• функції "Перегляд кадрів вперед" / "Управління розгоном-гальмуванням";
• додаткові технологічні програми та підпрограми;
вимірювальні циклита ін..

    Вибір ЧПУ і оцінка його характеристик визначається цілою низкою чинників - типом і призначенням верстата, характером і видом виконуваних робіт, точносних характеристиками прийнятого верстата, видом виробництва, можливостями підприємства і т.д. і т.п. Але в даний час в характеристиках ЧПУ часто виділяють два моменти: можливості використовувати УЧПУ для управління високошвидкісною обробкою (ВСО) і відповідно високошвидкісним обладнанням, і прийнята схема підготовки керуючих програм.

    Основний принцип ВСО: малий перетин зрізу, що знімається з високою швидкістю різання, і, відповідно, високі частоти обертання шпинделя і висока хвилинна подача.

    Для досягнення необхідної точності обробки, особливо фінішної, потрібні часті проходи інструменту з невеликим кроком. Зазначене призводить до того, що програмовані траєкторії інструмента є складними багатоточковими і представляються у керуючих програмах великою кількістю кадрів. Особливо це помітно при програмуванні обробки складно контурних тривимірних виробів, коли управляюча програма повинна нерозривно пов'язувати узгоджені переміщення елементів верстата по 3-м, 4-м і навіть по 5-ти координатах при кроці в 0, 01 ... 0,02 мм. Вимоги нерозривності в подачі керуючих сигналів від системи ЧПУ до приводів, що забезпечують до того ж великі швидкості робочих подач, призводить до того, що дані від ЧПУ у високошвидкісних верстатів до приводів повинні передаватися з великими швидкостями і в значно більших обсягах, ніж при звичайній обробці на звичайних верстатах з ЧПК.
Оскільки в існуючих СЧПУ є обмеження по швидкості обробки (передачі) кадру керуючої програми і передачі сигналу керування до приводу, то при ВСО можливі обмеження по подачі, тобто ПЧПУ може безперервно управляти приводами лише до певної швидкості їх переміщення. Максимальну подачу, яку здатна забезпечити конкретна система ЧПУ, можна визначити за формулою:

Fmax = (Довжина переміщення в кадрі) / (Час обробки кадру) * 60.

    З наведеного слід зазначити, що при переміщеннях 0,01 мм і часу обробки кадру 2 мс максимальна подача обмежена значенням 0,3 м / хв.
Таким чином, при організації ВСО, при визначенні ПЧПУ вибираного верстата повинні враховуватися три чинники, пов'язані з системою управління верстатом:
• для забезпечення безперервного руху інструменту потрібні у УЧПУ високі швидкості обробки даних (не менше 200 блоків у хвилину);
• система ЧПУ повинна переглядати дані як мінімум на 150.200 блоків вперед з тим, щоб обчислювати зміни величини подачі при підході інструменту до гострих кутів (або іншим подібним перешкод) і відхід від них;
• для підвищення якості поверхні і зниження навантажень на інструмент необхідно, щоб закон зміни величини подачі мав плавний колоколообразний вигляд, тому що причиною зниження якісних характеристик процесу є занадто різкі прискорення при рухах по траєкторіях з кутами.
    Так, якщо розглянути характер звичайної лінійної інтерполяції, то видно, що приводу по осях подач після кожного кроку інтерполяції поперемінно припиняють рух робочого елементу. У зв'язку з цим обов'язковою умовою програмування ВСО є використання NURBS інтерполяцій як у процесі створення КП, так і в реалізації NURBS конкретною системою ЧПУ.
Використання 3D електронних моделей оброблюваних деталей -Найбільш сучасний метод підготовки КП, де 3D моделі є програмний продукт CAD / CAM систем. Тут можна виділити дві основні схеми. У першій з них, яка стала вже традиційною, створена на ПК електронна модель деталі обробляється САМ модулем. Цей модуль дозволяє вибрати інструмент (інструменти), задати схеми видалення припуску, встановити по заданому інструменту траєкторії руху цього інструмента, задати режими обробки, виконати масу розрахунків координат різних точок по траєкторії руху інструменту і т.д. Створену таким чином комп'ютерну КП можна візуалізувати, тобто подивитися запрограмовану обробку на моніторі ПК у вигляді своєрідного технічного мультфільму. Природно, за результатами перегляду програму можна відредагувати. Але створену САМ програму не можна відразу відправити на верстат в його систему ЧПУ. Тому обов'язково застосування узгоджуючої програми (постпроцессора), яка переводить комп'ютерну САМ програму в машинні коди, тобто в КП даного верстата (даної ЧПУ). До будь-якої САМ системі зазвичай прикладається кілька десятків постпроцесорів (для різних моделей ПЧПУ), які і забезпечують перекладзагальної САМ програми (для заданої деталі) у міру потреби в КП для верстатів з різними моделями ЧПУ.
    Застосування постпроцесорів, як етапу у виробничому процесі, природно збільшує вартість і час розробки верстатних КП, в якійсь мірі впливає на якість програми управління верстатом і, як наслідок, призводить до погіршення якості виготовлених деталей.
Електронна 3D модель оброблюваної деталі як програма для верстата - новітня схема САМ програмування. Вона дозволяє виключити етап використання постпроцесорів при підготовці КП для верстатів, встановлюючи тим самим певний новий стандарт для верстатобудування. Однак, нова схема вимагає застосування для управління верстатами і нових моделей ЧПУ, що дозволяють вести таке програмування.
    Комп'ютерні ЧПУ до цих верстатів містять ПЗ, що включає 3D CAD / CAM систему, систему автопрограммірованія і систему автотехнологам. Комбінація технології та програмного забезпечення дозволяє ПЧПУ безпосередньо використовувати геометричне визначення деталі як програму і виключає етап постпроцессора в циклі робіт з підготовки верстатних КП.
Модель в 3D форматі може бути створена безпосередньо в ПЧПУ, або введена ззовні практично з будь-якої CAD / CAM системи. Для роботи верстата в автоматичному режимі після введення 3D моделі потрібно ввести (у режимі діалогу) лише деякі вихідні дані за матеріалом заготовки та інструменту, по необхідної шорсткості і т.п. Система може інтерполювати реально заданий профіль деталі, управляти прискоренням, точно управляти швидкістю обробки, товщиною матеріалу, що знімається, стабілізувати зусилля на інструмент при обробці та ін. Адаптація до режимів різання дозволяє збільшити точність і скоротити знос інструменту, поліпшити якість оброблюваної поверхні, при цьому зменшується вартість обслуговування устаткування і процесів підготовки КП. Різко скорочується обсяг КП, оптимізується сама КП, скорочується час обробки.

    Велика кількість моделей ЧПУ в поданні різних фірм вимагає уважного вивчення при їх виборі для конкретного використання. При цьому, природно, найважливішим чинником є фактор ціни при рівних характеристиках, серед яких гарантії стабільності роботи можуть бути визначальними.

    Класифікація та види ЧПУ

    Верстати з ЧПУ поділяються на:
• токарні з ЧПУ (токарні, токарно-револьверні, токарно-карусельні, токарні напівавтомати з горизонтальною віссю шпинделя, токарні з вертикальною віссю шпинделя, токарні - універсальні);
• сверільние, розточувальні з ЧПУ (вертикально-свердлильні, координатно-свердлильні, верстати свердлильні спеціальні, горизонтально-розточні, координатно-розточувальні);
• шліфувальні, полеровальние з ЧПУ (круглошліфувальні, круглошліфувальні, плоскошліфувальні напівавтомати, верстати заточувальні вертикальний контурно-шліфувальний напівавтомат);
• зубо-і резьбообробативающіе з ЧПУ (зубодовбальні, зубофрезерні);
• фрезерні із ЧПУ (вертикально-фрезерні, поздовжні фрезерно-розточувальні, горизонтально-фрезерні для об'ємної обробки, фрезерний широкоуниверсальні);
• та ін (стругальні, довбальні, протяжні і відрізні, також оснащені системою ЧПУ).

    Область застосування

    З усіх верстатів нового покоління оснащених ЧПУ найбільш затребувані в машинобудуванні та сфері металообробки (виготовлення різних деталей типу тіл обертання високої точності, монтажних одиниць для складання в вузли) саме токарні автомати і напівавтомати. Токарні верстати з числовим програмним управлінням призначені для зовнішньої і внутрішньої обробки складних заготовок деталей типу тіл обертання. Вони складають найзначнішу групу за номенклатурою у парку верстатів з ЧПК. На токарних верстатах з ЧПК виконують традиційний комплекс технологічних операцій: гостріння, відрізку, свердління, нарізування різьблення і ін
    Великий шлях модернізацій пройшли верстати. ЧПУ та Інтернет - останні віхи його розвитку до досконалості. Якщо відвідати музеї присвячені прогресу індустрії, то мимоволі викликає посмішку інформація про те, якими були перші верстати. ЧПУ і тим більше Інтернет, доповнили сьогодні ці механізми, просто захоплюють. Об'єднання в один механізм верстат - ЧПУ здатні творити дива. Без втручання людини тандем верстат - ЧПУ здатні видати будь деталь з неймовірною складністю виконання.
Верстат ЧПУ це обладнання, яке має комп'ютерну оснащення, і здатне за попередньо заданою програмою виконати необхідні операції без безпосередньої участі людини. Використовувані верстати з ЧПУ в промисловому виробництві різко підвищують продуктивність праці, завдяки тому, що один оператор може обслуговувати відразу декілька машин. Так само використовувані верстати з ЧПУ значно підвищують ергономічні показники, скорочуючи число травм на виробництві.
Частка обладнання верстатів - ЧПУ у виробництві всіх напрямів зростає з року в рік. Сьогодні вже нікому не потрібні прості верстати. ЧПУ - невід'ємна частина будь-якого верстата. Обумовлено це великими економічними показниками: значним скороченням обслуговуючого персоналу і поліпшенням якості продукції, що випускається. Крім того на великих промислових підприємствах, де використовуються верстати з ЧПУ у великих кількостях можливо об'єднане управління всіма машинами з одного диспетчерського пульта за допомогою гнучкої автоматизації виробничої системи - ГВС.
Практично на будь-якому підприємстві необхідні обробні верстати. ЧПУ, якщо дані верстати обладнані цим забезпеченням, здатні зчитувати інструкцію процесу роботи зі спеціальної мови програмування і управляти приводами верстата і всієї оснащенням.
Верстати з ЧПУ засновані на мікропроцесорах з оперативною пам'яттю, операційною системою і мікроконтролерах. Роботи, де необхідна точність до мікрона, не здатний виконати жоден простий верстат. ЧПУ дозволяє виконувати роботу з неймовірною точністю, притому, що його робота практично не пов'язана з людським фактором.
    Сучасний верстат з ЧПК передбачає використання жорстко заданої схеми управління процесом роботи. Зберігання програми технологічного процесу може здійснюватися на різних носіях - від перфорованої паперової стрічки до флеш-пам'яті. За призначенням і за завданням виконуваних процесів бувають різні верстати. ЧПУ об'єднує їх своєю електронною начинкою, яка універсальна для програмування будь-яких технологічних процесів. У металообробці застосовується токарний верстат. ЧПУ для цих механізмів є невід'ємною частиною для будь-яких видів виконуваних робіт. Комбіноване назва токарний верстат - ЧПУ означає, що технологічний процес виконується за допомогою числового програмного забезпечення.
За класифікацією токарний верстат з ЧПК має кілька позицій. У сфері металообробки абсолютно незамінний такий винахід як токарний верстат. ЧПУ - найкорисніше доповнення до цього механізму. Токарний верстат з ЧПК - це комп'ютеризована система для управління процесами виготовлення деталей з металів. Механічну обробку виробляє безпосередньо сам токарний верстат. ЧПУ - управляє процесом виготовлення деталей, виключаючи найменші помилки, які може зробити людина. Токарні верстати з ЧПУ в експлуатації нескладні, і навчання для роботи на них не вимагає багато часу. На сьогоднішньому етапі таке об'єднання як токарний верстат - ЧПУ - має дуже прогресивний характер. Токарний верстат з ЧПК сьогодні може програмуватися навіть за допомогою Інтернету. Токарні верстати з ЧПУ є найбільш затребуваними для застосування в сфері металообробки.

    В основі класифікації токарних верстатів з ЧПК лежать такі ознаки:
• розташування осі шпинделя (горизонтальні і вертикальні верстати);
• число використовуваних в роботі інструментів (одно - та багатоінструментальні верстати);
• способи їх закріплення (на супорті, у револьверної голівці, в магазині інструментів);
• вид виконуваних робіт (центрові, патронні, патроно-центрові, карусельні, пруткові верстати);
• ступінь автоматизації (напівавтомати і автомати).

    Центрові верстати з ЧПУ служать для обробки заготовок деталей типу валів з прямолінійним і криволінійним контурами. На цих верстатах можна нарізати різьбу різцем по програмі.

    Патронні верстати з ЧПУ (наприклад, револьверний верстат) призначені для обточування, свердління, розгортання, зенкування, цекованія, нарізування різьби мітчиками в осьових отворах деталей типу фланців, зубчастих коліс, кришок, шківів тощо; можливо нарізування різцем внутрішньої і зовнішньої різьби по програмі.
Сучасні верстати з ЧПУ пройшли величезний шлях модернізацій - від перших, наведених в роботу паровою машиною, до механізмів, якими можна управляти через інтернет без безпосередньої участі людини.
Токарні верстати з ЧПУ стали найважливішим обладнанням по обробці металів. Слід звернути увагу, що токарні верстати з ЧПУ покликані для роботи з металами лише умовно. Токарний верстат з ЧПК може обробляти практично всіматеріали, такі як пластмаса, ебоніт та інші.
Продукція, що в наш час різними компаніями верстати з ЧПУ мають безліч найменувань і призначені для виконання різних робіт на підприємствах з виробництва певного виду продукції.

    Доцільність і перевага використання ЧПУ у виробництві

    Спираючись на пройдену історію розвитку верстатів у машинобудуванні їх модернізації та вдосконалення до автоматів та напівавтоматів, верстатів нового розумного покоління оснащених системами ЧПУ, що працюють за заданою керуючої програмі виконуючи бездоганно необхідні операції для виготовлення деталей різного типу і точності з матеріалів різної міцності, при цьому використовується керуюча програма зберігається в пам'яті верстата і при необхідності обробки аналогічних деталей коригується під них і запускається знову. Особливо найбільш доцільним є використання верстатів з ЧПУ для випуску продукції масового виробництва (тобто верстат виконує величезну кількість деталей по одній вже заданої УП). Точність і дотримання необхідних розмірів гарантовано, що призводить до поліпшення якості виготовленої продукції та підвищенню цінні і попиту, а також відповідно зниженню витрат на собівартість одиниці виробу, т.к немає необхідності в персональному операторі з високим рівнем кваліфікації для кожного верстата, одним оператором може обслуговуватися до 3х і більше верстатів з ЧПК.