Система числового программного управления (СЧПУ) – это совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для осуществления ЧПУ станками. Устройство ЧПУ (УЧПУ) станками – часть СЧПУ (рис. 1.3), связанная конструктивным единством, осуществляющая выдачу управляющих воздействий по заданной программе. С устройства ввода программы 1 технологическая информация поступает в блок технологических команд 7, а затем на исполнительные механизмы 8, отрабатывающие технологическую информацию. Геометрическая информация с устройства ввода программы 1 поступает в устройство обработки программ 2, а затем в устройство управления приводом 3 и на привод 4. Привод 4 приводит в движение какой-либо исполнительный механизм станка, например ходовой винт. Датчик 5 контролирует положение исполнительного механизма и корректирует его перемещение через блок связи 6.

Классификация систем числового программного управления проводится по различным признакам:

1) по назначению – системы позиционные, прямоугольные, контурные (непрерывные), универсальные (комбинированные);

2) по числу потоков информации – системы незамкнутые, замкнутые, самоприспособляющиеся (адаптивные);

3) по принципу задания программы – с представлением программы в декодированном виде на магнитной ленте, в кодированном виде (в абсолютных координатах, в приращениях) на перфоленте и др., с передачей программы на станок непосредственно от центральной ЭВМ;

4) по типу привода – системы со ступенчатым приводом (только для позиционной и прямоугольной обработки), с регулируемым приводом (для позиционной и прямоугольной обработки), со следящим и с шаговым приводом;

5) по количеству одновременно управляемых координат – по одной, двум, трем, четырем и более координатам.

Возможна классификация систем и по другим признакам.

Несмотря на относительно малый срок применения СЧПУ, они в своем развитии уже прошли несколько этапов, определяемых уровнем развития электронной техники, представляющей разработчикам УЧПУ определенную элементную базу:

· релейно-контактную и транзисторную базы;

· микросхемы малой и средней степени интеграции;

· мини-ЭВМ и микропроцессорные приборы;

· большие интегральные схемы (БИС) памяти.

В связи с этим различают УЧПУ по поколениям (табл. 1.1.) в зависимости от использованной элементной базы.

Таблица 1.1

Типы некоторых отечественных УЧПУ для станков основных групп

Каждый из этапов развития УЧПУ характеризовался новыми техническими решениями. Расширялись функциональные возможности УЧПУ, повышалась их надежность, уменьшались размеры. Так было при переходе от релейно-контактной элементной базы к дискретной полупроводниковой и затем к интегральной базе малой и средней степени интеграции.

В международной практике приняты следующие обозначения устройств числового программного управления (УЧПУ) различающихся по принципу задания управляющей программы, типу программоносителей и способу обработки информации:

¨ NC (Numerical Control) – числовое программное управление, в котором в качестве программоносителя используется перфолента. Устройство имеет только оперативную память для запоминания двух кадров. Отработка управляющих программ (УП) в данных устройствах происходит в естественной форме (линейные программы), где на прерываниях можно ввести корректирующую информацию (оперативная память необходима для совмещения времени считывания последующего кадра с отработкой предыдущего кадра управляющей программы);

¨ НNС (Hand Numerical Control) – разновидность устройства ЧПУ с заданием программы оператором с пульта с помощью клавиш, переключателей и т.д. Устройство называют оперативным, так как оно позволяет просматривать и редактировать УП, а также работать в диалоговом режиме;

¨ SNC (Speicher Numerical Control) – устройство ЧПУ, имеющее память для хранения всей управляющей программы;

¨ CNC (Computer Numerical Control) – автономное управление станком с ЧПУ, содержащее мини-ЭВМ или процессор;

¨ DNC (Direct Numerical Control) – групповое управление станками от общей ЭВМ.

Перечисленные устройства по структуре построения делятся на два вида: аппаратные (типа NC, HNC) и программируемые (типа CNC и SNC).

Аппаратным УЧПУ, или устройством с жесткой (постоянной) структурой, называют устройство, функции управления которого реализуются схемным путем и не могут быть изменены после изготовления устройства. В таких устройствах каждой функции управления соответствует блок электронной аппаратуры, который осуществляет реализацию выбранной функции.

Функцию интерполирования выполняет интерполятор, цифровую индикацию – блок цифровой индикации, коррекцию – корректоры, специальные блоки воспроизводят постоянные циклы. Примерами базовых моделей таких устройств являются устройства Н22, Н33, построенные на микроэлектронной базе. Одним из недостатков таких устройств является то, что по мере усложнения задач управления увеличивается число составляющих блоков, что увеличивает стоимость УЧПУ. Изменить структуру этих устройств ЧПУ можно только путем перепайки схем. Поэтому дополнительные функции в таких УЧПУ должны предусматриваться заказчиком уже на стадии их проектирования.

Программным УЧПУ называют устройство, функции управления которого реализуются с помощью программ, вводимых в его память, и могут быть изменены после изготовления этого устройства.

Разработка УЧПУ с использованием мини-ЭВМ, а затем микропроцессоров и больших интегральных схем (БИС) памяти, привела к коренным изменениям в технике программного управления станками.

Принципиальным отличием программируемых УЧПУ от аппаратных является их структура, соответствующая структуре управляющей ЭВМ и включающая вычислительное устройство (процессор), блоки памяти и ввода-вывода информации. Объем функций, характер и последовательность проводимых операций определяются не специальными схемами, как в аппаратных УЧПУ, а специальными программами функционирования, которые вводятся в блок памяти устройства и там хранятся постоянно или до замены. Переработка исходной информации, содержащейся в управляющей программе, ведется в соответствии с программами функционирования. Согласно этим же программам формируются команды на приводы подач станка и его электроавтоматические устройства.

При реализации функций ЧПУ посредством математического обеспечения сокращается аппаратная часть устройства, уменьшается число элементов, восприимчивых к помехам. Набор диагностических программ и встроенная универсальная индикация на пульте устройства типа CNC позволяют быстро находить неисправности и устранять их посредством замены дефектного блока.

Примеры программируемых: УЧПУ 2Р22, 2У22, 2С42, 2У32, 2С85 и др. Они построены в основном на базе микроЭВМ «Электроника-60».

Системы ЧПУ по назначению подразделяются на позиционные, прямоугольные, контурные, комбинированные (рис. 1.4).

Позиционные системы ЧПУ позволяют автоматически установить рабочие органы в позицию, заданную программой управления станком, причем в период перемещения рабочего органа обработка не ведется. Такие системы применяют в сверлильных и расточных станках. Время перемещения из одной точки позиционирования (x₁, y₁) в другую (х₂, y₂) должно быть минимальным. Число одновременно управляемых координат может колебаться в пределах одной – пяти.

Позиционирование в зависимости от используемого устройства ЧПУ может происходить по двум координатам одновременно или последовательно по каждой координате. Третья координата – это подача шпинделя по оси Z. Четвертую и пятую координаты, если они есть, используют для поворота стола, для выхода на диаметр резца в планшайбе расточного шпинделя, дополнительного движения шпиндельной бабки. При позиционирование рабочего органа происходит ступенчатое снижение скорости перемещения: быстрое – на большей части пути и медленное – для точной установки при подходе к заданной точке для уменьшения влияния инерционных и упругих сил.

Прямоугольные системы ЧПУ обеспечивают рабочие перемещения по программе исполнительных органов станка поочередно вдоль его осей координат на заданные расстояния. Эти системы используют на токарных, фрезерных, расточных станках для обработки ступенчатых валиков, деталей с прямоугольным контуром, а также для сверления отверстий, растачивания, нарезания резьбы метчиком и т.д.

Контурные системы ЧПУ обеспечивают автоматическое перемещение рабочего органа по произвольной траектории с контурной скоростью, заданной программой управления станком. Контурная скорость – результирующая скорость подачи рабочего органа станка, направление которой совпадает с направлением касательной в каждой точке заданного контура обработки. Траектория обработки обеспечивается совместным и взаимосвязанным движением нескольких исполнительных устройств. Область применения контурных систем – токарные и фрезерные станки с ЧПУ. Контурные СЧПУ с управлением от перфоленты подразделяют: по типу интерполяции (с линейной, круговой и специальной), типу привода (со следящим и шаговым), по числу одновременно управляемых координат (с двумя, тремя и т.д.).

Наиболее простые линейные интерполяторы используют, если контур обрабатываемой детали можно представить в виде отрезков прямых, расположенных под любыми углами к оси координат. Криволинейные участки в этом случае представляют как ряд прямых отрезков, т.е. проводят аппроксимацию. Более сложные детали, содержащие различные дуги окружностей и отрезки прямых, удобнее обрабатывать с помощью линейно-кругового интерполятора, в котором дуга окружности задается одним кадром, а криволинейный контур плавно аппроксимируется прямыми и дугами окружности. Тем самым уменьшается длина программоносителя, упрощается расчет программ при наличии устройства автоматического расчета эквидистанты. Для обработки очень сложных деталей (гребных винтов, лопаток турбин и т.д.) применяют специальные интерполяторы, например параболические.

Обозначение типа модели УЧПУ состоит из нескольких элементов:

¨ буква означает тип системы:

- П – позиционная;

- Н – непрерывная (контурная);

- У – универсальная или контурно-позиционная;

¨ цифра впереди букв означает модификацию системы;

¨ первая цифра за буквой – общее число управляемых по программе координат;

¨ вторая цифра за буквой – число одновременно управляемых координат;

¨ третья цифра за буквой – тип привода:

- 1 – шаговый;

- 2 – следящий или следящерегулируемый.

Встречаются и кодовые обозначения, например: «Размер 4» и др. Буквы в таком обозначении чаще всего указывают модификацию системы. Например, обозначение УЧПУ типа Н221 значит, что система непрерывная (Н), с общим числом управляемых координат 2, имеющая 2 одновременно управляемые координаты, предназначена для управления приводом с шаговыми двигателями.