Підсистема керування верстата з ЧПК

Підсистема керування верстата з ЧПК є центральною частиною усієї системи числового програмного керування. З однієї сторони вона читає керуючу програму та віддає команди різноманітним агрегатам верстата на виконання тих чи інших операцій. З іншої сторони взаємодіє з людиною-оператором, дозволяючи контролювати процес обробки. Системи керування можуть бути закритими та відкритими, так званими ПК-сумісними. Закриті системи керування мають власні алгоритми та цикли роботи, власну логіку. Виробники таких систем, як правило, не розповсюджують інформацію про їхню архітектуру. Тому самостійно оновлювати програмне забезпечення та редагувати налаштування такої системи практично неможливо. Але в системах закритого типу є важлива перевага – висока надійність, оскільки усі компоненти системи проходять тестування на сумісність. ПК-сумісні системи керування більш відкриті. Їх апаратні складові такі ж, як і у домашнього персонального комп'ютера. Перевага такого методу – в доступності та відносно невеликій вартості електронних компонентів, та їх доступності. Все ж вважається, що надійність таких систем нижча ніж закритих систем керування. 2.1. Складові підсистеми керування Серцем підсистеми керування є контролер або процесор, який найчастіше розташовується в корпусі стійки з ЧПК, що має клавіатуру та монітор для вводу і виводу необхідної інформації. Контролер – комп’ютеризований пристрій, що вирішує наступні задачі: - формування траєкторії руху різального інструменту; -реалізацію технологічних команд керування пристроями автоматики верстата; - загальне керування; - редагування керуючих програм; - діагностику та допоміжні розрахунки, наприклад, режимів різання і інше. Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 19 В якості контролера використовують мікропроцесор, на якому побудована система або логічний контролер, що програмується, чи більш складну систему – промисловий комп’ютер. а) б) Рис.2.1. Основний контролер фрезерно-свердлильного верстата: а)- жорсткий диск в корпусі (3 – штекер; 4 – запобіжна пластина); б) – вид на логічний пристрій (5 – головний контролер; 6 - запобіжна пластина; 7- плата штекерного роз'єму; 8 – гвинт кріплення) Структурно до складу ЧПК також входять постійна пам’ять (ПЗП) у вигляді карти пам’яті або жорсткого диску для довготривалого зберігання інформації (роки і десятки років)та оперативна пам’ять (ОЗП) для тимчасового зберігання керуючих та системних програм, що використовуються в даний момент. Все разом називається інтерфейсом користувача. Розробка керуючих програм на сьогоднішній день виконується з використанням спеціальних модулів для систем автоматичного проектування (САПР) або окремих систем автоматизованого програмування (САМ), які у відповідності до електронної моделі генерують програму обробки. В процесі створення або після введення керуючої програми оператор може відредагувати її, включивши в роботу системну програму редактора та виводячи на дисплей всю або потрібні частини керуючої програми і вносячи потрібні зміни. Під час роботи в режимі виготовлення деталі керуюча програма кадр за кадром поступає на виконання. У відповідності до команд керуючої програми контролер викликає із постійної пам'яті відповідні системні підпрограми, які і заставляють працювати підключене до ЧПК обладнання в заданому режимі. Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 20 Результат роботи контролера у вигляді електричних сигналів поступає на виконавчий орган – привод подач, головний привод чи пристрій керування автоматикою верстата. Для визначення потрібної траєкторії переміщення робочого органу у відповідності до керуючої програми використовується інтерполятор, що розраховує положення проміжних точок траєкторії за заданими в програмі кінцевими точками. Завдяки системі керування верстати з ЧПК мають розширені технологічні можливості при збереженні високої надійності. За характером руху виконавчих органів системи ЧПК розділяють на: - позиційні; - контурні; - синхронні; - універсальні. При позиційному керуванні засоби ЧПК забезпечують переміщення виконавчого органу в задану координату. Привод подач повинен забезпечувати високу швидкість переміщення для зменшення часу холостих ходів. Оброблювання при цьому не виконується і вид траєкторії переміщення не задається. Точність вимагається лише при зупинці в заданій координаті. При контурному керуванні переміщення виконавчих органів виконується по заданій траєкторії з установленою швидкістю для отримання потрібної форми оброблюваної поверхні. Розрізняють контурні прямокутні системи, контурні криволінійні та синхронні системи ЧПК. Контурні прямокутні системи забезпечують рух лише по одній координаті для оброблювання поверхні, що паралельна даній вісі. Програмуються кінцеві координати точок переміщення як і в позиційній системі, але вказується швидкість переміщення відповідно до заданих режимів різання. Переміщення виконуються послідовно по кожній із координатних вісей. Прямокутні системи використовують в токарних, фрезерних та шліфувальних верстатах. Контурні криволінійні системи забезпечують формоутворення при оброблюванні заготовки з одночасним узгодженим рухом виконавчого органу по декількох координатах. Програму переміщення виконавчих органів розробляють відповідно до заданої форми обробленої поверхні та результуючої швидкості, що розрахована для заданих режимів різання. Ці Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 21 системи найбільш складні як по створенню програм так і по вимогах до приводу подач. Синхронні системи використовуються в основному в зубооброблювальних верстатах, де необхідно витримувати постійне співвідношення швидкостей не менше ніж по двох координатних вісях. Формоутворення реалізується завдяки конфігурації інструменту. Універсальне керування об'єднує принципи позиційного та контурного криволінійного, що дозволяє виконувати позиціювання в задану координату та рух виконавчих органів по відповідній траєкторії. Воно найбільш ефективне для багатоцільових верстатів. 2.2. Класифікація систем ЧПК В залежності від рівня використання засобів обчислювальної техніки системи ЧПК класифікують наступним чином: 1. Системи типу NC (Numerical Control) виконують адресування команд, інтерполяцію проміжних координат, реалізацію типових циклів за жорстко заданими алгоритмами. Інформація в систему ЧПК вводиться з керуючої програми окремими кадрами. 2. Системи типу MNC (Memory NC) або SNC (Stored NC) оснащуються додатковим блоком оперативної пам'яті, що дозволяє зберігати інформацію про керуючу програму. Програма в пристрій ЧПК вводиться зразу, перевіряється та видається для оброблювання окремими кадрами. Перевага в порівнянні з системою NC – це висока надійність в роботі, оскільки відпадає необхідність в складному фотозчитувальному пристрої для зчитування кожного кадру. 3. Системи типу HNC (Hand NC) дозволяють задавати програму вручну на пульті керування. В цьому випадку відпадає необхідність підготовки керуючої програми технологом-програмістом. 4. Системи типу CNC (Computer NC) – це системи з вбудованими однією або декількома мікропроцесорами та з програмною реалізацією алгоритмів, які записуються в постійний запам'ятовуючий пристрій при виготовленні системи ЧПК. Ці системи дозволяють формувати типові цикли оброблювання для різних технологічних задач. Програмноматематичне забезпечення для реалізації цієї можливості зберігається в запам'ятовуючому пристрої, що постійно перепрограмовується. 5. Система DNC (Direct Numerical Control) керує групою верстатів від однієї ЕОМ, що має загальну пам'ять для зберігання програм і Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 22 розподілу їх за запитами окремих верстатів. Такі системи використовують в гнучких виробничих системах(ГВС) для організації узгодженої роботи окремих технологічних об'єктів 6. Системи PCNC (Personal Computer NC) будуються на основі персонального комп'ютера в промисловому виконанні. Комп'ютер має спеціальну інтерфейсну плату, що забезпечує зв'язок з приводами, датчиками та електроавтоматикою верстата. Така будова дозволяє легко адаптувати систему ЧПК до верстатів з різним функціональним призначенням за рахунок корекції відповідного програмного забезпечення, що в свою чергу дозволяє виконувати модернізацію застарілих систем ЧПК. 7. Система STEP-NC (покрокова система керування) побудована на основі системи PCNC і її основна задача – виключити участь людини в підготовці процесу оброблювання. До складу програмного забезпечення обов'язково входять пакети CAD, CAПP, CAM. Функціонування системи виконується в наступній послідовності: а) Система CAD забезпечує автоматизацію розроблювання креслення деталі та підготовку геометричної та технологічної інформації для передачі в САПР та системи САМ. б) Система САПР створює технологічний процес оброблювання (встановлює режими різання, визначає різальний та допоміжний інструменти, послідовність та склад переходів). в) Система САМ за результатами попередніх кроків виконує розрахунок траєкторії переміщення інструменту, визначає послідовність керування приводами та автоматикою верстата, тобто створює програму керування, яка в подальшому реалізується на верстаті. Розроблюються також системи САМ, що безпосередньо керують системою ЧПК без формування керуючої програми. Лідерами на світовому ринку в області розробки та поставки високоефективних систем ЧПК для верстатобудування є фірми Fanuc, Siemens Heidenhain, Haas. 2.3. Система ЧПК фірми Fanuc Системи ЧПК фірми Fanuc (рис. 2.2) розраховані на широкий спектр операцій, таких як точіння, фрезерування, свердління, шліфування та інші. Високі експлуатаційні характеристики та надійність дозволяють обслуговувати найрізноманітніші верстатні системи. Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 23 Мініатюрна печатна плата, що вбудована в блок, дозволяє повністю використовувати можливості сучасних великих інтегральних схем та технологій поверхневого монтажу. Плата монтується за рідиннокристалічним дисплеєм. Система ЧПК також має високошвидкісну сервошину послідовної дії та компактний розподільчий модуль вводувиводу, що дозволяє підключати до одного волоконно-оптичного кабелю декілька сервопідсилювачів. Рис. 2.2 . Стійка фірми Fanuc Пристроєм ЧПК та верстатом можна керувати за допомогою графічного інтерфейсу персонального комп'ютера. Крім того, можливості мереж можуть використовуватись для обміну інформацією, а програмні засоби та бази даних для керування сервісними програмами. Програмне забезпечення (бібліотека CNC) використовується для вводу-виводу внутрішньої інформації ЧПК. Таке програмне забезпечення може підтримувати стандартний набір мов програмування Micrоsoft (Visual Basic або Visual C++TM), а також інтерфейс OLE/DDE. 2.4. Система ЧПК фірми Siemens Системи ЧПК фірми Siemens є високоякісними системами керування для металорізальних верстатів. Це цілісний комплекс взаємодіючих компонентів: - пристрій ЧПК – центр керування; - компоненти керування для спілкування оператора з системою; - контроль електроавтоматики; Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 24 - приводи та двигуни в різних виконаннях в залежності від призначення; - зворотні зв'язки вимірювальних систем; - силові та сигнальні кабелі і програмне забезпечення. Фірма Siemens представляє на ринку пристрої ЧПК: -SINUMERIK 802C, 802S, 802D для токарних та фрезерних верстатів з обмеженою кількістю осей, достатньою для реалізації функціональних можливостей цих верстатів; -SINUMERIK 810D для верстатів з невеликими робочими зусиллями; -SINUMERIK 840D – для широкої гами верстатів та технологічних задач. Рис. 2.3. Стійка фірми Siemens 2.5. Системи ЧПК фірми Heidenhain Системи ЧПК фірми Heidenhain TNC через свою багатофункціональність є ідеальними для автоматизованого виробництва. Зокрема, вони є сумісними одна з одною від самої ранньої версії до більш нової системи ЧПК. Завдяки цим якостям вони знаходяться серед всесвітньо визнаних лідерів в галузі виробництва. Системи ЧПК Heidenhain TNC дозволяють цехове керування та програмування на відстані. Найбільш широкий набір можливостей є в системах TNC640 та iTNC530. Вони ідеальні для автоматизованого виробництва завдяки короткому часу обробки кадру і можуть бути застосовані в безлюдному виробництві. Система iTNC530 дозволяє програмування вільного контуру (FK), що було недоступно в більш ранніх версіях. В системі TNC640 з’явилася нова можливість – програмування фрезерної та токарної обробки на одному верстаті або їх комбінацію в Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 25 одній програмі. Токарний контур можна задавати стандартними функціями або у вигляді вільного контуру (FK). Поряд із токарними циклами попереднього та остаточного оброблювання можна задавати цикли проточування канавок, нарізання різьби та інше. Особливістю системи TNC 640 та iTNC530 є опція DXF, за допомогою якої можна відкривати CAD-дані та отримувати із них контури безпосередньо в TNC. Рис. 2.4. Стійка фірми Heidenhain Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 26 Структурно системи керування фірми Heidenhain можна представити наступним чином (рис. 2.5): Рис. 2.5 . Структурна схема використання програмного забезпечення фірми Heidenhain Системи Heidenhain Токарні верстати Фрезерні верстати верстати Контурна система Прямокутна система TNC640 TNC530 TNC320 TNC620 TNC128 MANUAL pus 620 CNC PILOT 640 На універсальних фрезерних і свердлильних верстатах в областях: одиничне та серійне виробництво; загальне машинобудування; наукові дослідження та розробки; дослідні цехи; ремонтні служби; центри виробничого навчання та підготовки На універсальних фрезерних і свердлильних верстатах в областях: одиничне та серійне виробництво; виробництво інструменту; загальне машинобудування; наукові дослідження та розробки; дослідні цехи; ремонтні служби; центри виробничого навчання та підготовки Для фрезерних і свердлильних верстатів, оброблювальних центрів; при високошвидкісному фрезеруванні; при п'ятивісевій обробці з поворотними осями і круглим столом; при п'ятивісевій обробці на важких верстатах; на розточувальних верстатах; на автоматичних лініях Для фрезерної обробки Для комбінованої фрезерно-токарної обробки Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 27 2.6. Система ЧПК фірми Haas Фірма Haas створила закриту систему числового програмного керування на базі G та M-кодів, що оптимізована спеціально для їхніх верстатів та забезпечує незалежність від сторонніх постачальників систем ЧПК. Такий підхід створює умови високої надійності та довговічності системи керування при відносній простоті використання з 15-дюймовим кольоровим рідинно-кристалічним дисплеєм, який завдяки високій контрастності та високій інтенсивності дозволяє користувачам ефективно реалізовувати систему керування з трьома режимами та доступом до кожної функції керування. Рис. 2.6. Режим налагодження В режимі налагоджування (Setup) користуються розташованим в лівому куті екрану вікном Active Program (Активна програма). В правому верхньому куті Tool Offsets (Зміщення інструменту), під яким розташовується Work Zero Offsets (Нульове зміщення деталі). Знизу зліва вікно - Spindle Information (Дані шпинделя), в якому відображається частота обертання шпинделя та кожні її зміни а також величина подачі. Рядом з даним вікном розташовано вікно Position (Положення), в якому відображається ім'я оператора, зміщення деталі, верстат та координати заданого переміщення. З правої сторони від цього вікна знаходиться інформація – «Керування інструментом». Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 28 Таке раціональне і компактне розміщення вікон та наступна активація необхідного у потрібний момент вікна дозволяє оператору переміщувати курсор у вікні за допомогою клавіш-стрілок на клавіатурі. Рис. 2.7. Режим редагування Завантаження програми виконують після установлення необхідних даних в режимі налагодження використовуючи попередньо режим Edit (Редагування), який викликається натисканням клавіші List Programs (Список програм). В режимі редагування оператор отримує доступ до програм, що знаходяться в кожному із підключених до верстата пристроїв. В цьому режимі використовується потужна функція – довідкове меню Quick-Key, яке має повний список і опис усіх функцій та переміщень у файловій системі. В довідковому меню оператор бачить назву команди та відповідну клавішу для кожної функції а також повний опис виконання кожної функції. В режимі редагування використовуються також вікна Editor Help (Довідкова інформація для редактора) та Clipboard (Буфер обміну) і інші функції, що відносяться до редагування програми і спрощують роботу оператора. В режимі Operation (Робота) представляється уся необхідна інформація для керування верстатом під час його роботи та швидкий доступ до неї. В верхньому лівому вікні екрану розташоване вікно Program Display (Дисплей програми), в якому відображається не тільки основна програма а також і підпрограми при їх наявності. Правіше розташовані «Активні G-коди» з текстовим супроводом та інформація про активний інструмент, що включає і графічне зображення його типу. В центрі екрану знаходиться Offset Window (Вікно зміщень), в якому можна регулювати зміщення під час роботи верстата.