Новости

Новости

Токарные станки с числовым программным управлением (ЧПУ)


Особенности системы ЧПУ. Система ЧПУ принципиально отличается от других систем автоматического управления тем, что у нее вся программная информация о последовательных действиях станка с помощью чисел в кодированном виде сосредоточена на едином программоносителе — ленте. Благодаря возможности задавать программу работы станка одновременно по двум и более координатным осям в объеме практически неограниченного количества технологических переходов на таких станках можно выполнять обработку деталей любой сложности. Кроме того, отсутствие копиров и кулачков, применяемых в других системах программного управления, намного облегчает и ускоряет наладку станков с ЧПУ. Переналадка здесь в основном сводится к замене программоносителя-ленты, режущих инструментов и установке их в исходное положение соответственно началу программы. Все это способствует широкому распространению станков с ЧПУ как одного из наиболее эффективных средств автоматизации технологических процессов механической обработки.
Координатная система станков. Положение инструментов и направление их перемещения на станках с ЧПУ определяется системой координат. Применительно к токарно-винторезным станкам, на которых инструменты перемешаются в горизонтальной плоскости, используется двухкоординатная прямоугольная система с осью z, расположенной вдоль оси центров станка, и х — пёрпендикулярно к оси центров. Началом координат или «нулем станка» практически может быть принята любая точка на оси центров. Обычно ее принимают в плоскости пересечения базового торца заготовки с осью z (рис. 1.2). При этом положительным направлением перемещения инструментов (+) принято считать такое, когда координата увеличивается — движение резца от передней бабки к задней и от оси центров; соответственно перемещения в обратных направлениях, когда координаты уменьшаются, считаются отрицательными (-).

Системы ЧПУ. В зависимости от технологических возможностей различают две основные системы числового программного управления: позиционные и контурные.
В позиционных системах по каждой координатной оси задаются только величины движений подвижных узлов станка с целью перемещения их из одной позиции в другую. Обработка очередного участка детали в этом случае начинается после прихода исполнительного органа в новую позицию (точку с заданными координатами). Такие системы используются для автоматизации радиально-сверлильных и координатно-расточных станков.
В контурных системах по каждой координатной оси программируется не только величина перемещения, но и закон ее изменения по скорости движения. Благодаря этому такие системы позволяют обрабатывать как простые прямоугольные, так и сложные (конические, фасонные) контуры, нуждающиеся в согласованном перемещении режущего инструмента одновременно по двум осям координат. Контурной системой ЧПУ преимущественно оснащаются токарные и фрезерные станки.
Система ЧПУ отражается в обозначениях моделей станков. В конце маркировки, после буквы Ф, цифра 2 обозначает позиционную систему, цифра 3 — контурную. Например, модель 1И611ПФ3 — токарно-винторезный станок повышенного класса точности с контурной системой ЧПУ.
Кодирование числовой программной информации. Чтобы задать машине программу действий, ее необходимо выразить на понятном машине языке. Для этого обычно пользуются машинной азбукой, в которой вместо букв применяют различные сочетания двух условных знаков 1 и 0. С помощью этих знаков образуют коды записи числовой программной информации. Знак 1 обозначает наличие управляющего сигнала, 0 — его отсутствие.
Числовые коды образуются на базе определенных систем счисления и получают соответственно им одноименные названия. Кроме общепринятой десятичной системы счисления, в технике получили распространение и другие системы — единичная и двоичная.
Каждая система счисления характеризуется основанием системы — числом, которое, будучи возведенным в определенную степень, образует разряд числа.
В единичной системе счисления в качестве основания принята единица. Следовательно, разрядность цифры единичного числа по величине остается неизменной, так как единица, возведенная в любую степень, остается единицей. Поэтому десятичное число, переведенное в единичное, выражается равным количеством последовательно записанных единиц. Например, число 12 записывается двенадцатью единицами единичного числа, т. е.
12 = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

В двоичной системе счисления основанием служит двойка, при последовательном возведении в степень которой образуются разряды двоичного числа:

и т. д.
Например, десятичное число 21, выраженное разрядностью двоичного числа, можно представить следующей суммой произведений:
21 = 1*2в4 + 0*2в3 + 1*2в2 + 0*2в1 + 1*2в0.

Для сокращения записи двоичное число условно изображают только двумя коэффициентами 1 или 0 при двойке в разной степени и располагают их в числе поразрядно. Коэффициент 1 указывает на наличие данного разряда, 0 — на его отсутствие. Таким образом, число 21 в двоичной системе счисления примет следующий вид:
21 = 10101.

Для преобразования десятичного числа в двоичное рекомендуется последовательно делить его на 2, как показано ниже на примере числа 37. В конце правой колонки, составленной из остатков после делений, дописывается единица, а двоичное число считывается с этой колонки в направлении снизу вверх, т. е. 37 = 100101.

В десятичной системе счисления за основание принято число 10, которое возводится последовательно в различную степень для образования разряда числа. Например, десятичное число 2703 можно выразить суммой произведений:
2703=2*10в3 + 7*10в2 + 0*10в1 + 3*10в0.

Как видно из примера, запись десятичных чисел условно ведется с помощью десяти коэффициентов от 0 до 9, которые располагают в числе по соответствующим разрядам.
Программная информация, выраженная числами в определенной системе счисления, записывается на программоноситель одноименным кодом.

С помощью единичного (унитарного) кода число записывается равным ему количеством штрихов или черточек на определенной дорожке, расположенной в продольном направлении программоносителя (рис. 1.3,а). Длина такой записи, особенно при большом кодируемом числе, получается значительной. Поэтому единичный код в основном используется для записи числовой информации на магнитную ленту, на которой достигается высокая плотность размещения кодовых штрихов.
Запись числа двоичным кодом ведется пробивкой отверстий в одной строке перфоленты, которые располагают по дорожкам соответственно разряду единиц двоичного числа (рис. 1.3, б). При изображении таким кодом крупных чисел нужна лента большой ширины. Это является существенным недостатком двоичного кода, ограничивающим его применение только для записи небольших чисел.
Десятичным кодом цифры десятичного числа записываются пробивкой отверстий на девяти дорожках перфоленты и располагаются построчно соответственно разряду цифры в числе (рис. 1.3, в).
Ввиду нерационального использования площади программоносителя такой код не получил практического применения.
В современных станках с ЧПУ для записи числовой информации на перфоленту повсеместное распространение получил комбинированный двоично-десятичный код (рис. 1.3, г), который отличается от десятичного тем, что цифры десятичного числа записываются на перфоленте построчно четырехразрядным (1—2—4—8) двоичным кодом. Это позволяет значительно уменьшить необходимую площадь программоносителя.
Подготовка, запись и считывание программной информации. Станки с ЧПУ первого поколения действовали по программе, записанной на магнитной ленте унитарным кодом. Такой способ задания программы позволял с помощью сравнительно простых электронных устройств считывать, усиливать и с предусмотренной частотой и последовательностью направлять единичные электросигналы унитарного кода к исполнительным элементам автоматики — шаговым двигателям продольной и поперечной подач станка.
Программа на магнитную ленту записывалась с перфоленты при помощи специального электронного кодопреобразователя — интерполятора, что намного усложняло и удлиняло процесс подготовки станка к работе. В целях упрощения этого процесса и благодаря успехам развития микроэлектроники современные станки с ЧПУ второго поколения оснащаются автономными пультами программного управления со встроенными интерполяторами, способными преобразовывать числовой двоичнодесятичный код программы, записанный на перфоленте, в сигналы унитарного кода и передавать их непосредственно к шаговым двигателям станка. Таким образом, в современных станках с ЧПУ ликвидирована промежуточная стадия подготовки управляющей программы — запись информации на магнитную ленту к единым программоносителем служит перфолента, на которой пробиваются отверстия, являющиеся единицами кодового числа. Ряды отверстий, расположенных в направлении перемещения ленты, называются кодовыми дорожками. Одна дорожка с отверстиями меньшего диаметра, предназначенная для перемещения ленты транспортным механизмом считывающего устройства, называется транспортной или ведущей. Линейное расположение отверстий в перпендикулярном к дорожкам направлении называется строчками.
Перфолента обычно изготавливается из специальной плотной бумаги толщиной 0,1 мм и шириной 17,5 мм или 25,4 мм соответственно для пяти- и восьмидорожечной лент.
Запись программы на перфоленту ведется числовыми кодами: для малых чисел — двоичным кодом, для крупных — двоично-десятичным. Непосредственное использование таких кодов сопряжено со значительными затруднениями, так как нелегко запомнить большое количество кодовых комбинаций, что вынуждает каждый раз пользоваться таблицами. Поэтому кодирование и запись исходной технологической информации на программоноситель обычно выполняют в два этапа (рис. 1.4).

Вначале исходную информацию особым буквенноцифровым кодом записывают в строгой технологической последовательности в столбик на обычном листе бумаги. Создают так называемую распечатку программы. Затем полученную распечатку с помощью клавишного кодопреобразователя-перфоратора переносят на перфоленту пробивкой соответствующих отверстий числовым кодом. На клавиатуре перфоратора обозначены символы буквенно-цифрового кода, алфавит которого содержит буквы, условные знаки и числа. Буквами и знаками кодируются все безразмерные команды, а десятичными числами — размерная информация и числовые индексы при некоторых буквах.

В станкостроении наибольшее распространение получил семиразрядный буквенно-цифровой код ИСО-7 бит (ГОСТ 13052—74) для восьмидорожечной перфоленты (табл. 1.3), обладающий большой информационной емкостью. Такой код, кроме десятичных чисел, содержит заглавные буквы латинского алфавита и некоторые условные знаки, которым присваивают числовые кодовые эквиваленты. При этом числовые эквиваленты букв приняты равными порядковому номеру буквы в алфавите. При записи программной информации на перфоленту каждый символ буквенно-цифрового кода (буква, знак, цифра) записывается на отдельной строке. Несколько строк, описывающих работу одного исполнительного органа станка, называются словом. Несколько слов, содержащих информацию об обработке определенного участка детали, — это фраза, которая соответствует содержанию технологического перехода. Фразы постоянной длины называют кадрами.
Первые четыре дорожки (1—4) восьмидорожечной перфоленты используются для записи размерной информации и числовых индексов при буквах (например, F12 имеет числовой индекс 12 при букве F) двоично-десятичным кодом. Числовые эквиваленты букв и знаков записываются на первых пяти дорожках (1—5) двоичным кодом. Отверстия в пятой и шестой дорожках служат признаком цифры; отверстие в шестой дорожке — признак знака; отверстие в седьмой дорожке — признак буквы. Восьмая дорожка предусмотрена для контроля кодовых комбинаций на четкость. В этой дорожке отверстие пробивается только в том случае, если сумма отверстий в строке на семи дорожках составляет нечетное число. Благодаря этому получают четный помехоустойчивый код.
С целью сокращения рабочей длины перфоленты получил распространение так называемый адресный способ записи программы с переменной длиной фраз. Адрес, определяющий исполнителя командного сигнала, обозначается буквой, с которой начинается каждое слово кодируемой информации. Фразы между собой разделяются символом LF, означающим конец фразы. В каждой фразе записываются только те слова, которые содержат новую информацию по сравнению с предыдущей фразой.
Определенная последовательность расположения слов внутри фразы при адресном способе записи программы не является обязательным условием, так как каждое слово начинается с адреса. Тем не менее рекомендуется соблюдать следующий примерный порядок записи слов во фразах: 1) N — номер кадра (фразы); 2) G — подготовительная функция, определяющая изменения характера перемещения рабочих органов станка (разгон, торможение, задержка и др.); 3) X и Z — координатные перемещения по осям; 4) F — подача; 5) S — скорость; 6) T — инструмент; 7) M — вспомогательная функция, характеризующая условия выполнения обработки (включение или выключение охлаждения, вращение шпинделя вправо или влево и др.); 8) L — коррекция положения инструмента по координатным осям; 9) LF — конец фразы.
Пример. Необходимо записать фразу: номер кадра 031, индекс подготовительной функции (торможение) 09, перемещение по оси X +03468 имп., перемещение по оси Z — 17052 имп.; индексы: подачи 0805, скорости 05, инструмента 14, вспомогательной функции (вращение шпинделя вправо) 10, коррекции 22; конец фразы.
Выраженная кодом ИСО-7 бит фраза будет иметь вид N031G09X + 03468Z - 17052F0805S05T14M10L22LF.
Ее запись на перфоленте показана на рис. 1.5.

Для считывания программы с перфоленты в основном используются фотоэлектрические считывающие устройства (ФСУ), обладающие высокой скоростью действия — до 1500 строк в секунду и почти не изнашивающие перфоленту. ФСУ состоят из фотосчитывателя и лентопротяжного механизма. Фотосчитыватель (рис. 1.6, а) имеет осветительную лампу 1, линзу 2, фокусирующую световой поток в узкую полоску, столик 4 с рядом поперечно расположенных отверстий соответственно количеству дорожек на ленте и блок фотоэлектрических датчиков 5 под отверстием столика. При продвижении перфоленты 3 происходит построчное считывание программной информации фразы, записанной на ленте кодовыми отверстиями. После обработки станком одной фразы лента вновь приводится в движение для считывания следующей фразы и т. д.
Считывающие устройства бывают с двумя бобинами для наматывания и сматывания ленты и без них. В устройствах с бобинами после очередной обработки программы лента автоматически перематывается в исходное положение. С целью устранения непроизводительных затрат времени на перемотку ленты в считывающих устройствах без бобин (рис. 1.6,б) используется бесконечная, склеенная концами лента 1, которая в процессе считывания фотосчитывателем 2 продвигается ведущими роликами 3 только в одном направлении, а ее сматывающийся участок свободно самоукладывается в плоской нише внизу считывающего устройства.

Конструктивные особенности токарных станков с ЧПУ. На станках с контурной системой ЧПУ могут выполняться все виды токарных работ, включая нарезание резьб резцами. Конструктивно такие станки по сравнению с универсальными токарно-винторезными станками имеют ряд существенных особенностей, а между собой отличаются типом системы программного управления (ПУ) — разомкнутой или замкнутой.
В станках с разомкнутой системой ПУ, получивших наибольшее распространение в машиностроении, поток электроимпульсов программной информации осуществляется односторонне — от источника информации (программоносителя) к объекту управления (станку). В связи с этим в качестве приводов подач здесь используются в основном шаговые электродвигатели совместно с гидроусилителями крутящих моментов.
В станках с замкнутой системой ПУ предусмотрен принцип самоконтроля системы в процессе работы путем сопоставления двух потоков информации: прямого — к станку и обратного — от исполнительного органа станка. Эти потоки сигналов сравниваются в специальном электронном узле системы, и при наличии рассогласования между ними система сама себя корректирует. Такие станки в приводах подач имеют высокомоментные электродвигатели постоянного тока, обладающие широким диапазоном бесступенчатого регулирования, и датчики обратной связи.
Замкнутой системой ПУ, в частности, оснащаются станки с так называемой оперативной системой программного управления, которая позволяет вводить в долговременную память устройства управляющую программу, производить ее корректировку и редактирование с клавишного пульта, расположенного непосредственно на суппорте токарного станка, а также осуществлять ввод в память устройства программной информации с внешнего программоносителя.
Станок с разомкнутой системой ПУ (рис. 1.7) состоит из трех автономных агрегатов: шкафа 4 с устройством ЧПУ, собственно станка 1 и гидроагрегата (обычно располагается позади станка справа).

Устройства ЧПУ выпускаются серийно нескольких моделей. Они обозначаются буквами и цифрами. Первая буква указывает тип модели: П — позиционная, H — непрерывная (контурная), У — универсальная. За буквой следуют три цифры: первая указывает на число управляемых координат, вторая — число одновременно управляемых координат, третья — тип привода подачи. Цифрой 1 обозначают привод с шаговым двигателем, 2 — с датчиками обратной связи. Последняя буква M означает модернизацию устройства. Например, обозначение модели устройства ЧПУ Н22-1М расшифровывают следующим образом: система ЧПУ контурная с двумя одновременно управляемыми координатами, приводы подач с шаговыми двигателями, модернизованная.
На лицевой стороне устройства ЧПУ имеются два пульта программного управления — пульт оператора и пульт коррекции, фотосчитывающая головка, а внутри электронный узел, основой которого служит кодопреобразователь-интерполятор, представляющий собою микро-ЭВМ. Главная функция интерполятора — преобразование размерной информации, записанной на перфоленте двоично-десятичным кодом, в сигналы унитарного кода, непосредственно направляемые на вход шаговых двигателей подачи. В нем также сосредоточены блоки счисления, памяти, задания станку различных технологических команд (разгона, торможения, коррекции и т. д.).
В качестве примера на рис. 1.8 помешены пульты программного устройства мод. Н22-1М к станку 16К20Ф3.
На пульте оператора (рис. 1.8, а) расположены переключатели различного типа, лампы цифровой и световой индикации. Поворотным переключателем 2 можно регулировать запрограммированную подачу в пределах 0—120 %. Девятипозиционным переключателем 7 изменяется режим работы устройства ЧПУ.


В режиме «Возврат в «0»» и установкой тумблеров 8 в положение «+» суппорт возвращается в нулевую точку. После выхода суппорта в «0» загораются лампы световой индикации OX и OZ.
В режиме «Ручное управление» осуществляются безразмерные перемещения суппорта в обоих направлениях по осям X и Z при включении тумблеров 8. Скорость движения в этом случае изменяют поворотным переключателем частоты сигналов 6 или нажимом на клавишу «Быстрый ход» для получения максимально возможной скорости.
Режим «Ручной ввод» используется для ввода в программу непредусмотренной информации. Для этого на пульте коррекции нажимается соответствующая клавиша переключателей «Адреса», а числовые индексы набираются с помощью декадных переключателей (корректоров) «Ручной ввод» этого же пульта.
В режиме «Сброс» система устанавливается в исходное положение по сигналам от кнопки «Логика» — для всего устройства ЧПУ или кнопки «Привод» — только для управления шаговыми двигателями.
Режим «Автомат» служит для автоматического ввода программы с перфоленты. При нажатой клавише «Пропуск кадра» совершается пропуск тех кадров (фраз), перед которыми на ленте набиты знаки «/». Если нажата клавиша «Конец кадра», то после отработки очередного кадра лента останавливается. При нажатии клавиши «Технологический останов» лента останавливается по команде MO1 программы.
Режим «Поиск кадра» служит для автоматического поиска кадра, номер которого задается на декадном переключателе «Ручной ввод» пульта коррекции.
Режим «Ускоренная обработка» совершается аналогично режиму «Автомат», но на максимальной рабочей скорости.
Режим «Проверка ленты» используется для контроля правильности записи программы без отработки ее станком. В случае обнаружения неправильностей срабатывает световая сигнализация 4 «Ответы сбоев».
Режим «Реверс» применяется для перемотки перфоленты на начало программы.
Все режимы вводятся в действие клавишей «Пуск». Кнопка «Стоп» служит для аварийной остановки системы.
Пульт коррекции (рис. 1.8,б) служит для ввода в программу дополнительной, не предусмотренной ранее информации, а также для коррекции нулевого положения суппорта (нуля программы) и исходного положения режущих инструментов. Для этого вначале переключатель 7 пульта оператора устанавливается на режим «Ручной ввод».
Введение в программу дополнительных технологических команд осуществляется нажимом на соответствующую клавишу «Адреса» и набором числового индекса адресной команды на корректоре 4 «Ручной ввод».
Коррекция нуля программы производится вводом в память устройства ЧПУ соответствующей подготовительной функции G, как изложено выше, набором знаков (+) и (-) и величин смещения нуля на корректорах «Смещение Oх» и «Смещение Oz».
Коррекция исходного положения инструментов возможна в том случае, если она предусмотрена в программной записи на перфоленте буквой L и числовым индексом, цифры которого определяют номера задействованных корректоров по осям X и Z. Порядок ввода коррекции: на переключателях «Адреса» нажимаются клавиши X и Z; на соответствующих корректорах 3 поворотом дисковых переключателей набираются знаки и величины смещений, выраженных количеством необходимых импульсов по X и Z.
Ввод в действие набранной на пульте коррекции информации осуществляется нажимом на клавиши «Ввод» и «Пуск».
Собственно станок с ЧПУ имеет ряд конструктивных отличий от станков с ручным управлением. Привод главного движения в большинстве случаев состоит из односкоростного асинхронного электродвигателя трехфазного переменного тока, автоматической коробки скоростей (AKC) и передней бабки со шпинделем и перебором внутри. Между собой эти узлы привода соединены ременными передачами. Перебор позволяет вручную настраивать станок на несколько диапазонов скоростей, внутри которых частота вращения шпинделя изменяется автоматически по программе с помощью электромагнитных муфт. На станке отсутствуют коробка подач, гитара сменных колес, фартук, верхние салазки суппорта. Привод продольных и поперечных салазок суппорта раздельный и осуществляется маломощными шаговыми электродвигателями, спаренными с гидроусилителями крутящих моментов, которые через простые зубчатые редукторы вращают ходовые винты винтовых шариковых передач. Последние более долговечны и оказывают меньшее сопротивление трением.
Четырех- или шестипозиционные резцедержатели имеют вертикальную либо горизонтальную ось поворота. Их освобождение, поворот, фиксация и зажим осуществляются автоматически по программе.
Для предварительной грубой настройки исходного положения инструментов или «Нуля программы» на станках предусмотрена возможность размерного перемещения салазок суппорта вручную при помощи съемных маховичков, устанавливаемых на квадраты ходовых винтов продольной и поперечной подач. Отсчет размеров в этом случае ведется по измерительным линейкам салазок суппорта. Точная настройка положений инструментов или суппорта осуществляется с пульта коррекции устройства ЧПУ по результатам пробных проточек поверхностей детали.
При нарезании резьб резцами согласование частоты вращения шпинделя и ходового винта продольной подачи осуществляется при помощи специального датчика, кинематически связанного со шпинделем.

Для приближения наиболее часто используемых органов управления непосредственно к станку на нем смонтирован «Пульт станка» (рис. 1.7, поз. 2), имеющий кнопки и переключатели, которые частично дублируют аналогичные команды пульта программного управления устройства ЧПУ. На рис. 1.9 изображен пульт управления станком 16К20ФЗ.
Гидроагрегат предназначен для выработки напорной рабочей жидкости — масла, направляемой по гибким шлангам и магистральным трубопроводам к гидроусилителям крутящих моментов подач и гидроцилиндрам силовых приводов токарных приспособлений и пиноли задней бабки. Он состоит из масляного бака, фильтрой, насоса и контрольно-регулирующей аппаратуры. Пуск и остановка гидроагрегата осуществляются кнопками пульта управления станком. В процессе эксплуатации агрегата следует руководствоваться указаниями, приведенными в паспорте станка, периодически заменять масло, очищать сетчатые и магнитные фильтры, следить, чтобы масло не протекало, и своевременно доливать его до контрольной риски маслоуказателя.
Особенности наладки станков с ЧПУ. Наладка станка — это приведение его в рабочее состояние для обработки конкретной детали. Для станков с ЧПУ наладку рекомендуется выполнять в следующем порядке.
1. Проверить общее состояние станка, действие автоматической смазки и уровни масла по маслоуказателям. Залить масло во все предусмотренные на станке масленки.
2. Установить перфоленту в фотосчитывающее устройство на начало программы и в режиме «Проверка ленты» убедиться в отсутствии сбоев программы.
3. Пользуясь картой наладки, установить на станке необходимые приспособления.
4. Проверить действие гидросилового привода токарных приспособлений и пиноли задней бабки.
5. Установить на станке деталь — образец. Базовый торец ее должен быть поджат к переднему шпиндельному упору, уступу оправки или кулачкам токарного патрона.
6. Пользуясь универсальными измерительными инструментами и картой наладки, установить суппорт на «Нуль программы» и инструменты в исходное положение по координатным осям X и Z.
При многоинструментальной наладке целесообразно инструменты в резцедержателе правильно располагать вне станка при помощи сменных резцовых державок, блоков и специального контрольного оптического прибора.
7. Установить и закрепить заготовку на станке и в режиме «Автомат» произвести пробную обработку детали.
8. По результатам обработки детали выполнить необходимую коррекцию положения суппорта или инструментов, пользуясь пультом коррекции устройства ЧПУ.
9. После получения положительных результатов обработки и контроля первой детали приступить к изготовлению последующих деталей партии.