Числовое программное управление
Для проектирования и производства без вмешательства человека необходима компьютеризация технологической подготовки. Компьютер должен осуществлять выбор станков для производства деталей, выбор оптимальной последовательности операций на этих станках, оценку времени на настройку и изготовление, планирование производства и определение требований к оборудованию и исходным материалам. Однако одной автоматизированной технологической подготовки недостаточно для автоматизации производства, если компьютер не сможет управлять самими станками без участия человека. Это реализуется добавлением числового программного управления к обычным станочным системам.
Числовым программным управлением называют использование закодированной в числовом виде информации при автоматическом управлении позиционированием оборудования. Пошаговая программа изготовления детали сохраняется в памяти компьютера. Эта программа считывается системой управления станка, в результате чего деталь изготавливается автоматически без участия человека. Числовое управление может использоваться для задания положения резца или движения детали относительно вращающегося диска, а также для замены резцов.
Числовые данные, необходимые для изготовления детали, предоставляются станку в форме программы, называемой программой обработки деталей. Эта программа представляет собой набор операторов, которые могут интерпретироваться управляющей системой станка и преобразовываться в сигналы, перемещающие шпиндели и приводы. Программа содержит геометрическую информацию о детали и данные о перемещении резца по отношению к заготовке. В программе также указываются скорость резания, скорость подачи и дополнительные параметры, такие как состояние системы охлаждения и направление шпинделя. Готовая программа должна давать результат, отвечающий допускам и требованиям к шероховатости поверхностей.
При работе с типичными станками с ЧПУ, программа обработки деталей подготавливается программистами и вводится в контроллер станка.
Аппаратная конфигурация станка с ЧПУ
Типичная станочная система с числовым программным управлением состоит из блока управленияи собственно станка. БУ, выполняющий функции «мозга» станочной системы, считывает программу обработки деталей и управляет работой станка. Эти операции выполняются двумя отдельными модулями БУ: модулем обработки данных (МОД)и замкнутой системой автоматического регулирования (САР).Модуль МОД считывает программу обработки детали с ленты или иного носителя, декодирует операторы, обрабатывает декодированную информацию и передает в модуль МОД сведения о положении по каждой из Осей станка, направлении движения, подаче и дополнительных управляющих сигналах. Ось,или степень свободыстанка, определяется как направление относительного движения режущего инструмента и заготовки. Осей у станка может быть несколько. Модуль САР принимает данные от МОД и преобразует их в управляющие сигналы. Он управляет приводными механизмами станка, принимает сигналы обратной связи, несущие информацию о реальном положении и скорости по каждой из осей, а также требует от МОД считать следующие инструкции из программы обработки детали, когда выполнение очередной операции завершается.
Типы систем ЧПУ
Контроллеры ЧПУ делятся на две основные категории: системы позиционного регулированияи устройства контурного управления.
Контроллер СПР используется в том случае, когда траектория движения инструмента относительно детали не имеет значения, например, если инструмент не касается детали при перемещении от одной точки к другой. Чаще всего такая ситуация имеет место при сверлении, пробивании, нарезке резьбы и установке компонентов на печатной плате. Позиционное регулирование реализуется достаточно просто, а потому станок с таким контроллером стоит недорого. Он может выполнять и простые фрезеровальные операции, если снабдить его механизмом контроля скорости подачи при перемещении от одной точки к другой. Такой станок можно использовать для фрезерования пазов.
Устройство контурного управления используется в тех случаях, когда важна траектория движения инструмента относительно детали: на фрезеровальных и токарных станках, газовых резаках, сварочных установках и шлифовальных станках. В таких устройствах требуется одновременное управление по двум и более осям, причем скорость по каждой оси может задаваться независимо. Таким образом, контроллер ЧПУ может обеспечивать, например, движение по окружности при задании центра, радиуса и конечных точек дуги.
Системы координат
Относительное перемещение инструмента и заготовки осуществляется посредством направляющих станка. Три основные оси перемещения называются осями х, уи z и образуют правую систему координат. Положительные направления осей обычно определяются производителем станка. По общему соглашению положительное направление оси z соответствует удалению инструмента от заготовки.
□ Ось z. На станках, подобных токарному, где деталь вращается во время ее обработки, ось z направляется параллельно шпинделю, а движение вдоль этой оси в положительном направлении удаляет инструмент от заготовки. Если же вращается не деталь, а инструмент, как на фрезеровальном, сверлильном и расточном станках, ось z выбирается параллельной оси инструмента. Как и у станков с вращающейся заготовкой, движение вдоль оси z в положительном направлении удаляет инструмент от заготовки. В прочих станках, к которым относятся прессы, строгальный и стригальный станки, ось z направляется перпендикулярно набору инструментов.
□ Ось х. В станках с вращающейся деталью за ось хпринимается направление перемещения инструмента (резца), а движение вдоль этой оси в положительном направлении удаляет инструмент от заготовки. На вертикальных фрезеровальном и сверлильном станках положительное направление оси хсоответствует направлению правой руки оператора, стоящего лицом к станку. На горизонтальном фрезеровальном станке ось хнаправляется параллельно столу.
□ Ось у. Направление оси увыбирается исходя из направлений осей хи z в соответствии с правилом правой руки. (z – средний вверх, большой палец – х, указательный – у. Вращение против часовой стрелки от х к у).
По общему соглашению станки классифицируются в соответствии с количеством координат, необходимых для задания положения и ориентации резца. Например, фрезеровальный станок может иметь 2, 3 или 5 осей в соответствии с тем, сколько координат могут одновременно задаваться контроллером. Другими словами, если контроллер может одновременно перемещать резец лишь по двум осям, станок называется двухосевым, или имеющим две степени свободы. В этом случае инструмент может независимо перемещаться вдоль третьей оси. Если у станка имеется три степени свободы, инструмент может перемещаться по произвольной кривой в трехмерном пространстве, но не может изменять ориентацию. Если же требуется изменение ориентации резца одновременно с перемещением его в пространстве, станок должен иметь большее количество степеней свободы. В продаже встречаются станки, имеющие до девяти степеней свободы.
Синтаксис программы обработки
Контроллер считывает инструкции в виде последовательности блоков, содержащих команды на установку параметров, скоростей по осям, а также на выполнение иных операций. Блоком называется строка слов программы обработки. Каждая команда обозначается буквой, за которой следует определенное число. Принято использовать следующие идентификаторы команд (коды).
Последовательный номер (N). Последовательный номер используется для обозначения блоков программы и позволяет быстро находить нужные команды.
Предварительная команда (G). Предварительные команды готовят блок управления станком к какой-либо операции, обычно связанной с перемещением резца.
Координаты (X, У, Z, Аи В).В этих буквах передаются сведения о положении резца и его ориентации. Если число степеней свободы превышает три, используются дополнительные буквы, например А и В. Значения координат выражаются целыми числами. Единица измерения называется базовой единицей длины. Необходимое количество шагов по какой-либо оси определяется делением реального расстояния на величину БЕД. Например, чтобы переместиться на 0,5 дюйма в положительном направлении оси ув системе, где БЕД=0,001 дюйма, нужно сделать 500 шагов. В программе это может быть записано следующим выражением: Y + 500. В современных системах достаточно просто написать Y0.5, не заботясь ни о каких базовых единицах.
Составление программ вручную
Составление программы вручную подразумевает, что программист без всякой помощи со стороны компьютера записывает блоки программы на рукописном бланке. Затем с помощью флексорайтера (Flexowriter) из этого бланка одновременно получают набранный текст и перфоленту. Каждая строка рукописного бланка эквивалентна блоку перфоленты и заканчивается символом конца блока.
Сложность программирования вручную заключается в том, что программа описывает траекторию движения инструмента, а не геометрию детали. В контурном регулировании это означает, что координаты задают положение центра резца, а не положение точек реального контура детали. Программист может воспользоваться функцией коррекции на режущий инструмент,что позволит ему не вычислять координаты положения центра резца. Однако ему все равно придется добавить дополнительные точки, соединяющие расчетные траектории.
Автоматизированное составление программ
Одной из альтернатив составлению программ обработки вручную является использование языков программирования высокого уровня вместо кодов, неудобных для запоминания. Языки высокого уровня основаны на обычных англоязычных командах и удобных математических символах. Они могут интерпретироваться персональными компьютерами. Программист, работающий с таким языком, должен решать две задачи. Во-первых, он должен определить геометрию детали в терминах базовых геометрических элементов, таких как точки, линии, окружности и т. п. Во-вторых, он должен составить программу обработки детали по этим элементам. Отступ автоматически вычисляется самой системой.
1 Программист определяет геометрию детали, общую траекторию движения резца, скорости подачи и вращения, а также параметры режущего инструмента.
2. Программист кодирует геометрию детали, траекторию движения резца и общие инструкции станку на языке программирования. Получающийся в результате код называется исходным.Одним из наиболее популярных языков высокого уровня является язык APT (Automatically Programmed Tools).
3. Исходный код компилируется в машинно-независимый список элементарных перемещений режущего инструмента и вспомогательных сведений об управлении станком. Этот список называется файлом координат резца (cutter location — CL data file). CL-файл имеет двоичный формат, но чаще всего сопровождается эквивалентной текстовой версией. В этом файле содержатся сведения о перемещениях режущего инструмента, вперемешку с которыми располагаются команды управления шпинделем, охлаждением, подачей и т. п. Формат CL-файла определен Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization — ISO).
4.CL-файл обрабатывается постпроцессором, в результате чего получаются команды, предназначенные для управления конкретным станком. Они имеют тот же формат, что и блоки ЧПУ, которые записывались на перфоленту, когда программы составлялись вручную.
Хотя автоматизированный подход к составлению программ обработки деталей все еще используется на производстве, кодирование геометрии детали и траектории движения образца на языке высокого уровня в настоящее время постепенно заменяется генерацией CL-файла непосредственно по модели CAD.