Этапы развития станков с ЧПУ

1 этап – начало промышленного выпуска станков с ЧПУ и опробование принципов ЧПУ в промышленности. ЭВМ использовалась только при подготовке программы для расчета координат траектории РО и других математических расчетов. Программа записывалась на перфоленту, потом с помощью вынесенного интерполятора
преобразовывалась и переписывалась на магнитную ленту, которая использовалась для управления станком. Неавтоматизированный расчет программ.

Рисунок 10 - Этапы развития числового программного управления станками

В промышленных конструкциях систем программного управления этого поколения станков программа записывалась на 35 мм магнитной ленте. На ленте располагалось 9 дорожек: по 2 дорожки на каждую координату (для положительного и отрицательного направлений перемещений) и 3 дорожки для технологических команд. При протягивании магнитной ленты в специальном магнитном считывающем устройстве, имеющем 9 считывающих головок, сигналы с них через усилительное устройство поступают на станок, на котором производится обработка.

Такие системы управления позволяли сравнительно быстро переходить к обработке другой детали, так как для этого достаточно было сменить перфоленту ленту и установить соответствующий инструмент. Однако подготовка программ была довольно трудоёмкой, так как требовала проведения большой подготовительной работы и применения специального оборудования для записи информации на магнитную ленту. Кроме того, лента с течением времени теряла свои эксплуатационные характеристики, что приводило к увеличению погрешности обработки.

На этом этапе конструкция станка практически не изменилась по сравнению с универсальным. На него просто "навешивались" устройства программного управления (двигатели подач с соответствующими редукторами и соответствующие датчики обратной связи), органы ручного управления при этом не менялись. Этот этап можно рассматривать как модернизацию станка под ПУ.

Точность и производительность станков не повысилась. Основная причина низкой точности - большие зазоры в передачах и нежесткость конструкций. Управление станком осуществлялось от несложного универсального пульта ЧПУ. Этот этап не дал результата ни по повышению точности, ни по повышению производительности. Поэтому от такой модернизации станков отказались. Достоинства: дешевизна и простота.

Основные недостатки:

- низкая точность,

- ограниченные технологические возможности из-за работы одним инструментом

- невысокая производительность из-за малой скорости холостых ходов, невысоких допустимых рабочих усилий, значительного подготовительно-заключительного времени

- невозможность записи большого числа команд, что резко ограничивало возможности оборудования;

- большой расход программоносителя; трудоемкость редактирования и исправления программ

2 этап – широкое внедрение в промышленность станков с автономными устройствами ЧПУ постоянной структуры. Конструкция станка специально разработана для ЧПУ. Обладают более высокой жесткостью элементов станка и, следовательно, более высокой точностью. Скорости холостых перемещений повышены до 5-10 м/мин. Интерполятор встроен в УЧПУ, станок управляется перфолентой, но ЭВМ используется только для подготовки УП, как и у станков 1 поколения. Все это создает возможность высокопроизводительной и высокоточной обработки. Часто предусмотрен самоотвод стружки в автономное транспортное устройство. Недостаток - ручная установка и снятие детали. Освоение систем автоматизированного программирования на ЭВМ.

Станки с ЧПУ второго поколения работают в автоматическом режиме (следящий привод, автоматическая смена инструмента, смена скорости главного движения и т.д.). Станки для позиционной обработки (координатно-расточные) оснащены поворотными столами, управляемыми по программе, и устройства АСИ и смены числа оборотов шпинделя под инструмент. Развитие таких станков привело к появлению многооперационных станков.

Обработка криволинейной поверхности требует выполнения большого количества вычислительных операций и значительного увеличения управляющей программы, так как криволинейный профиль представлялся в виде ломаной линии с малым шагом. При записи программы каждый шаг записывался отдельным кадром, а величина шага определялась тем минимальным перемещением, которое могла отработать механика станка.

Совершенствование технологии производства интегральных микросхем и использование их при разработке систем ЧПУ привело к появлению следующего поколения программного управления более высокого уровня. Интерполятор, который раньше являлся дополнительным устройством для преобразования кодовой информации на перфоленте в соответствующие сигналы для перезаписи на магнитную ленту, встраивается непосредственно в ЧПУ.

На перфоленте обрабатываемый контур не может быть описан плавной кривой, а только дискретно, т.е. координатами отдельных точек, называемых опорными. Интерполятор преобразовывает кодовую запись о направлении и величине перемещения в командные импульсы для двигателей подач по осям координат. Траектория движения инструмента между опорными точками определяется видом интерполяции.

Используются датчики обратной связи. Такие системы выдавали управляющее воздействие на исполнительные органы в соответствии с алгоритмом обработки и информацией о состоянии управляемого объекта. В программе записывалась информация не только о направлении и скорости перемещения, но и задавались величины перемещений в их реальных значениях. На встроенные в систему элементы вычислительной техники поступали данные от датчиков обратной связи о положении рабочего органа станка, параметров, записанных в программе и состоянии других элементов системы. Эти данные подвергались математической обработке и после анализа преобразовывались в сигналы управления станком.

Совершенствование математического аппарата вычислительных машин, встраиваемых в системы программного управления, позволило упростить подготовку управляющих программ. Длина кадра программы стала переменной, появились стандартные циклы обработки, расширился список вспомогательных команд. Выполнение отдельных переходов и некоторых операций программировалось одной командой, например, цикл глубокого сверления, обработка галтели и т.д.

Для работы на таких станках уже не требовалась высокая квалификация рабочих, потому что качество обработки обеспечивалось программой и техническими характеристиками станка. Однако трудоёмкость подготовки управляющей программы оставалась довольно высокой. Разработка программы выполнялась высококвалифицированными программистами, после чего она переносилась на программоноситель на специальном оборудовании. При обнаружении ошибок в программе в процессе её отладки необходимо было изготавливать новый программоноситель и снова проверять программу.

3 этап – создание устройств ЧПУ на микроЭВМ и многоцелевых станков.

Развитие микроэлектроники привело к появлению систем управления следующего поколения. Станок с числовым программным управлением выполняется в виде двух самостоятельных агрегатов: непосредственно металлорежущего станка и собственно системы программного управления. Система управления представляет собой стойку с электронными устройствами и панелью управления и монтируется рядом со станком.

Это существенно расширяет возможности станка. Функции интерполятора переданы ЭВМ. Управляющая программа записывается непосредственно с пульта управления в память ЭВМ. Такие системы еще называют системами оперативного программного управления (ОПУ). Сначала использовалась одна ЭВМ на группу станков. Появление микро-ЭВМ позволило встроить ЭВМ в УЧПУ станка. УЧПУ этих станков позволяют управлять большим количеством координат одновременно. Разработка новых конструктивных компоновок станков.

Использование микропроцессорной техники позволило использовать программный метод реализации функций управления станком вместо аппаратного. Повысилась универсальность управляющего устройства, гибкость и эффективность программирования, расширились технологические возможности. Для этих станков характерен модульный принцип компоновки, короткие передачи в системе привода РО.

Точность выполнения заданного размера уже не зависит от точности настройки станка, так как в этой системе отсутствуют концевые выключатели, ограничивающие величину перемещений, а определяется кинематической точностью передаточного механизма от шагово-импульсного двигателя до рабочего органа станка.

Следующее поколение систем программного управления позволило отказаться от использования внешних программоносителей, таких как перфолента и магнитная лента. Программа обработки записывалась в долговременную память системы непосредственно с клавиатуры пульта оператора. Это предоставило широкие возможности для редактирования программ непосредственно у станка. Отлаженная программа переносилась на внешний программоноситель для хранения в библиотеке программ.

Технологические возможности таких систем ещё более расширились. Они стали управлять не только станком, но и внешними устройствами, обслуживающими этот станок, например, роботом для загрузки станка или транспортным устройством для подачи заготовок.

Совершенствовалась система индикации и диагностики. На пульте оператора можно прочитать параметры выполняемого перехода: обрабатываемый размер, величина подачи ит.д. В случае возникновения сбоев в системе управления на пульте оператора отображается вид неисправности и код того элемента, где она возникла. Многие модели пультов оператора снабжались дисплеем, на который выводилась вся информация, вплоть до конфигурации детали, траектории движения инструмента и выполняемой в данный момент технологической команды.

Вносились изменения в конструкцию станков. В приводах главного движения подач устанавливаются регулируемые двигатели постоянного или переменного тока, что позволило отказаться от громоздких и тяжёлых коробок скоростей и использования гидравлики в качестве усилителей крутящего момента. При этом появилась возможность плавного регулирования скоростей и подач, что расширило технологические возможности оборудования.

Совокупность прогрессивных технических решений в области механики и электроники привело к созданию уникальных металлообрабатывающих станков с очень широкими технологическими возможностями, которые получили название обрабатывающие центры. На таких станках обрабатываются сложные корпусные детали с высокой точностью почти полностью с одной установки. Для выполнения большого количества видов работ такие станки оснащаются инструментальным магазином и устройством для автоматической его замены.

4 этап – объединение станков с ЧПУ в общую систему автоматизированного управления технологическим процессом (создание ГПС). Для этих станков характерен модульный принцип компоновки, появились многооперационные станки с автоматической сменой многошпиндельных головок и насадок, столов, зажимных патронов и планшайб. Повышение степени автоматизации привело к появлению многошпиндельных и многокоординатных танков с ЧПУ, причем каждый шпиндель может работать автономно по собственной программе одновременно с другими.

Следующее поколение систем программного управления оснащалось настолько мощным математическим аппаратом, что позволило решать ряд технологических задач непосредственно оператору станка. Работа по вводу управляющей программы ведётся в диалоговом режиме. Оператор с пульта управления выводит на дисплей чертёж обрабатываемой детали с указанием заданных размеров с допусками и материал заготовки. На дисплее появляются вопросы, на которые должен отвечать оператор, вводя соответствующую информацию. Например, какой режущий инструмент, какова твёрдость обрабатываемого материала, какой элемент заготовки подвергается обработке на данном переходе и т.д. На основе полученной информации система предлагает рациональную траекторию перемещения инструмента и режимы обработки.