Системы числового программного управления металлообрабатывающими станками

Внедрение в технологические процессы вычислительной техники позволило экономически эффективно осуществить идею числового программного управления технологическим оборудованием, которая нашла широкое применение в первую очередь в управлении станками.
Числовое программное управление это управление обработкой заготовки на станке или роботом по управляющей программе (УП), заданной в цифровой форме. Станки с устройствами числового программного управления (УЧПУ) превратились сегодня в важнейший вид высокоэффективного металлорежущего оборудования. Этому способствовала не только высокая степень автоматизации обработки, но и возможность быстрой переналадки их на обработку любой детали в пределах технологических возможностей станка.
Управляющая программа включает в себя геометрическую и технологическую информацию. Геометрическая информация содержит данные о траектории движения инструмента и ее параметрах. Большинство траекторий, воспроизводимых УЧПУ, представляют собой прямые и дуги окружностей, поэтому прямая и дуга окружности — это основные элементы траектории, задаваемые в управляющей программе. Более сложные, аналитически не описываемые кривые обычно аппроксимируются отрезками прямых и дугами окружностей.
Технологическая информация в УП включает в себя данные о технологических режимах станка и режущем инструменте, а также функциях дискретно-логического управления вспомогательными системами станка.
Любое устройство ЧПУ имеет четыре основных функции: цифровое управление; обработку УП; связь с оператором; диагностирование УЧПУ, тестирование программного обеспечения и аппаратных средств УЧПУ.
Группа функций цифрового управления определяет преобразование УП в сигналы управления исполнительными механизмами станка. Функция расчета траектории включает в себя: интерпретацию текста УП, коррекцию траектории движения с учетом геометрических параметров реального инструмента, расчет оптимальных режимов разгона и торможения. Функция воспроизведения траектории обеспечивает управление приводами осей геометрии станка и отслеживание правильности воспроизведения траектории.
Для реализации заданной траектории необходимо в режиме реального времени вычислять координаты промежуточных точек траектории. Этот процесс называют интерполяцией. Функция воспроизведения траектории включает в себя реализацию замкнутого контура регулирования положения осей станка. Функция управления электроавтоматикой (ЭА) также осуществляется в режиме реального времени и обеспечивает выполнение технологических команд управляющей программы.
Другую группу функций составляют функции обработки УП, которые зависят от способа ее подготовки.
Различают следующие способы подготовки:
аналитический, предполагающий введение программы на языке технолога. Этот способ наиболее распространен при программировании станков с ЧПУ;
непосредственное обучение, при котором координаты точек по всем осям заносятся в память после вывода всех исполнительных механизмов в заданную точку. Этот способ используется, как правило, в промышленных роботах;
полуаналитический, при котором координаты опорных точек записываются в память УЧПУ, а участки кривых между ними аппроксимируются элементарными кривыми. Этот способ используется в контурных УЧПУ роботами (когда траектория задается пространственной кривой).
Современные УЧПУ имеют развитые инструментальные среды для интерактивного создания, коррекции и моделирования выполнения УП.
Следующая группа функций отвечает за взаимодействие оператора с УЧПУ. Традиционно ввод команд оператора в УЧПУ производится при помощи функциональной клавиатуры. Однако функциональные возможности современных УЧПУ значительно расширились, поэтому наряду со стандартной функциональной клавиатурой широко используются так называемые программные клавиши (SoftKey), назначение которых изменяется в зависимости от режима УЧПУ. Текущее назначение программных клавиш отображается на экране панели оператора. На экране также отображаются: текущее состояние и режим работы устройства, сообщения оператору, координаты текущего положения инструмента в различных системах координат, текущие технологические режимы, текст текущей управляющей программы и т.д.
Существует также группа функций диагностирования аппаратных средств, системного программного обеспечения, протекания технологических процессов, а также правильности вводимых УП. Чем точнее указано место неисправности, тем меньше время восстановления работоспособности системы. Для диагностирования в УЧПУ используются различные программно-аппаратные средства (датчики положения, программные счетчики и др.).
В зависимости от выполняемого задания УЧПУ работает в различных режимах. Можно выделить несколько основных режимов работы, которые соответствуют функциям УЧПУ:
режим наладки станка. В этом режиме оператор имеет возможность управлять перемещениями станка вручную при помощи клавиатуры или специальных задающих устройств. Этот режим используется при установке и базировании заготовки на станке;
режим выхода в исходное состояние. Большинство станков оснащены инкрементальными датчиками положения осей. Следовательно после включения УЧПУ абсолютные координаты осей станка неизвестны. Режим выхода в исходное состояние позволяет осуществить поиск ноль-меток измерительных датчиков и определить положение осей станка в его системе координат;
режим ввода и вывода информации по каналам связи. Он используется при подготовке УП и связи с внешними устройствами и модулями УЧПУ;
режим выполнения УП. Этот режим соответствует функции цифрового управления, а также включает в себя контроль состояния оборудования и работы программного обеспечения. При сбоях в работе УЧПУ должно связываться с оператором и сообщать об ошибке через интерфейс оператора. При выполнении этого задания одновременно выполняется несколько задач — интерпретация, интерполяция и др. Дискретно-логическое управление, основанное на логическом анализе поступающей с датчиков информации и соответствующей реакции на события, предусматривает также адаптацию управления к возмущениям, возникающим во время работы.