2.5. Классификация систем числового программного управления

Классификационными признаками систем программного управления являются те же признаки, что и для всех систем управления. В зависимости от технологического назначения системы программного управления можно разделить на два класса: 1) позиционные; 2) контурные.

1) Позиционные СЧПУ

К позиционным (или координатным) СЧПУ относятся такие системы числового  программного управления, которые управляют прямолинейным перемещением исполнительного органа (стола станка, суппорта) от позиции к позиции.  В качестве системы координат для детали принимается прямоугольная система. Координаты X и Y соответственно означают перемещение в продольном и поперечном направлениях, в горизонтальной плоскости станка. Программа содержит числовую информацию о значении длины пути исполнительного органа или инструмента до заданного положения по каждой из координат. Управление здесь однокоординатное, так как отсутствует функциональная связь между координатами, хотя исполнительный механизм может перемещаться по нескольким координатам одновременно. В этих СУ неважно, по какой траектории перемещается рабочий орган, важно, чтобы он пришел точно в заданное положение, затратив при этом минимум времени.

Последнее обстоятельство связано с производительностью оборудования. Учитывая значительный процент холостых ходов в станках с позиционными системами ЧПУ, с целью увеличения производительности за счет сокращения потерь на холостые хода необходимо стремиться перемещать рабочие органы на высоких скоростях. В современных позиционных СЧПУ скорости достигают 8 м/мин. При таких скоростях возможны большие перебеги при позиционировании, связанные с инерционностью движущихся масс. Чтобы уменьшить эти перебеги, скорость движения при подходе к заданной координате снижают до величины «ползучей» (2…10 мм/мин). Переход на «ползучую» скорость можно осуществить с помощью изменения механической редукции либо использованием двух асинхронных двигателей или одного многоступенчатого, а сигнал на переключение подавать от специальных устройств. Таким образом, в позиционных СЧПУ следящий привод в принципе не обязателен. Это упрощает конструкцию системы.

Нашли также применение простые позиционные устройства ЧПУ с заданием программы непосредственно у станка на штеккерных панелях либо декадных переключателях. Это направление впоследствии привело к созданию устройств с ручным вводом программы в электронную память с клавиатуры пульта (системы класса HNC).

Технологическое назначение позиционных СЧПУ – автоматизировать те процессы, где необходимо перемещать исполнительный механизм в точку, заданную координатами программы, и чем больше этих точек, тем применение систем эффективнее. Позиционные устройства ЧПУ применяются для управления станками сверлильной, расточной, координатно-расточной групп.

 На рис. 2.8. показаны примеры деталей, при обработке которых наиболее целесообразно применение станков с позиционными системами ЧПУ.

Такие СПУ нашли применение в контрольно-измерительных машинах с ЧПУ (КИМ). К их достоинствам относится сокращение времени измерений (в среднем на 50 – 80 %), устранение субъективных факторов, влияющих на точность измерения, универсальность применения и несложное обслуживание. Требования по точности, предъявляемые к ним, так же разнообразны, как и разнообразно их применение. В позиционных СПУ, предназначенных для совмещения изображений, для координатно-расточных работ точность позиционирования составляет от десятых долей до нескольких микронов; при расточных работах – 0,005…0,01 мм, при сверлильных – 0,05…0,1 мм.

Эффективность позиционных СПУ возрастает, если, наряду с автоматизацией многочисленных координатных перемещений, автоматизируются все или большинство вспомогательных команд по управлению циклом работы оборудования. В этих условиях становится целесообразным применение в качестве программоносителя перфоленты, а при программировании — средств вычислительной техники. При сравнительно небольшом объеме информации программа может задаваться на штеккерных табло с помощью номеронабирателей или декадных переключателей.

По методу представления информации позиционные системы ЧПУ подразделяются на: а) кодовые, б) счетно-импульсные,  в) аналоговые.

а) Кодовые СПУ. Принцип работы кодовой СПУ заключается в сопоставлении кода числа, выражающего значение программируемой координаты, с кодом числа, определяющего фактическое положение рабочего органа, измеренного кодовым датчиком обратной связи. Кодовый датчик обратной связи является  основным элементом кодовой системы,  однозначно преобразующий фактическое положение рабочего органа в код числа. Кодовые датчики могут быть круговые и линейные, контактного и бесконтактного принципа действия.

б) Счетно-импульсные СПУ. Основной особенностью счетно-им­пульсных позиционных СПУ является наличие различных счетчиков импульсов, преобразователей импульсного типа. С рабочим органом кинематически связан импульсный датчик обратной связи (ИДОС), который при движении начинает выдавать импульсы в счетное устройство. Число импульсов обратной связи в счетном устройстве вычитается (либо складывается в зависимости от типа счетчика) из программных импульсов. При равенстве числа задающих импульсов импульсам обратной связи счетная схема возвращается в нулевое положение. Вблизи программируемого значения координаты устройство совпадения УС подает команду упреждения на переключатель напряжения ПН, переключающий двигатель с большой скорости на малую скорость. Останов рабочего органа осуществляет последний регистр счетного устройства. Таким образом, устройство совпадения здесь проще, чем в кодовых СПУ. В счетно-импульсных СПУ используется относительная система отсчета. Система работает по приращениям. Преимуществом счетно-импульсных СПУ перед кодовыми СПУ является отсутствие сложной схемы совпадения и сложных кодовых преобразователей. В качестве датчиков обратной связи могут быть использованы фотоэлектрические датчики с дифракционными линейками и индуктивные датчики. Для увеличения точности измерения в счетно-импульсных СПУ широко используют двухканальные измерительные системы (с грубым и точным отсчетом).

Достоинством счетно-импульсных СПУ является также возможность повторения кадра для нескольких одинаковых перемещений, что часто требуется в координатных СПУ при сверлении отверстий, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Такой возможности у других позиционных СПУ нет. К недостаткам этих СПУ следует отнести более низкую помехозащищенность, связанную с относительным измерением перемещения и импульсным характером информации.

в) Аналоговые СПУ. Аналоговые позиционные СПУ работают по принципу сравнения задающего сигнала, выраженного в аналоговой форме, с таким же сигналом обратной связи. Основной особенностью аналоговых СПУ является цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Назначение таких преобразователей заключается в превращении заданного числа в какой-либо электрический аналог. Одной из наиболее распространенных схем таких преобразователей является преобразователь, работающий на основе автотрансформатора. Данный преобразователь, работающий на принципе поразрядного суммирования, позволяет модулировать числа, заданные в десятичном коде. При считывании заданного числа коммутируются соответствующие ему секции автотрансформатора, и на выходе преобразователя мы имеем суммарное напряжение, соответствующее считанному числу. Известны и другие схемы преобразователей. Например, для преобразования числа, выраженного в двоичном коде, используют преобразователи, выполненные из отдельных сопротивлений.

Во всех случаях станки с позиционным управлением имеют специальное обозначение: к номеру модели добавляют индекс Ф2.

2) Контурные СЧПУ

Контурные СЧПУ объединяют группу устройств, в которых управление движением исполнительного органа (станка, робота) производится по заданной траектории и с заданной скоростью. При механической обработке эта траектория определяет контур будущей детали или части ее. Поэтому очень важно при управлении контурными СЧПУ обеспечить, чтобы траектория рабочего органа в каждый момент времени совпадала с заданной. В общем случае эта траектория представляет собой сложную функцию типа у = f (x) или r = f (x, y, φ). Ввиду невозможности воспроизведения такой траектории одним движением, ее заменяют несколькими простыми (однокоординатными) движениями поступательного и вращательного типа. Движение по заданной траектории предполагает интерполяцию, т.е. получение (расчет) координат промежуточных точек движения рабочих органов объекта (станка, робота) на плоскости или в пространстве. Чтобы движение исполнительного органа соответствовало заданной траектории (чаще всего криволинейной), необходимо в каждый момент времени поддерживать определенное соотношение скоростей и перемещений по управляемым координатам, т. е. между ними должна быть функциональная связь. Эту функциональную связь с высокой степенью точности выполняет устройство, называемое интерполятором.

Контурные СЧПУ применяют для автоматизации технологического оборудования, где необходимо перемещать исполнительный механизм (стол станка, суппорт и т.п.) по сложной криволинейной траектории, например, при изготовлении деталей, имеющих сложный плоский (рис. 2.9) или объемный контур (на токарных, фрезерных, шлифовальных станках), а также в заготовительном и сварочном производстве. Таким образом, контурные СЧПУ автоматизируют рабочие операции. Эффективность применения контурных СЧПУ особенно возрастает для технологических процессов, где длительность перемещения по сложному контуру значительно превышает длительность холостых и вспомогательных операций при мелкосерийном характере производства. В авиационной промышленности несущие конструкции самолета (панели, стрингеры, нервюры, лонжероны и др.) имеют сложный профиль и значительные размеры. Как правило, длительность обработки таких деталей зачастую составляет несколько смен. В таких производственных процессах применение контурных СПУ целесообразно с экономической точки зрения. В контурных СЧПУ объем задающей информации может быть значительным (в зависимости от сложности технологического процесса), поэтому для разработки программ здесь целесообразно применять ЭВМ.

Токарные и фрезерные станки с программированием криволинейных поверхностей (контурные СЧПУ) имеют дополнительный индекс – Ф3;

многооперационные станки, для которых желательно иметь универсальные (позиционно-контурные) системы управления, – индекс Ф4.

Из рассмотрения различных устройств ЧПУ следует, что их функционирование подчиненно принципу «как сделать». В самом деле, управляющая программа содержит набор конкретных инструкций. Контролю подлежит не качество обработки детали, а правильность выполнения этих инструкций. Случайные и систематические факторы, неизбежно сопутствующие процессу резания, вызывают ситуацию, в которой теряется точность, производительность и вполне вероятен брак. По этой причине программное управление не устраняет оператора из процесса обслуживания станка. Оператор использует доступные ему средства управления для текущей коррекции режимов резания и отдельных траекторий. Нередко возмущения столь интенсивны, что требуется более радикальное вмешательство в управляющую программу.