5.2.1. Базові поняття про числове програмне управління

Числове програмне управління – це автоматичне управління шляхом передачі інформації у формі чисел від програмоносія до виконавчого органа, яке визначає його рух або виконання ним інших функцій.

Цим ЧПУ відрізняється від механічного програмного управління, що задає величину руху або передає команди за допомогою механічних пристроїв: копірів, кулачків, важелів, розподільних валів та інших елементів. Перші верстати з ЧПУ мали свої індивідуальні пристрої управління з програмоносіями на перфокартах, перфострічці або магнітній стрічці.

Можливість роботи ЕОМ у режимі поділу часу дозволила перейти до прямого числового управління верстатами і устаткуванням від центральної ЕОМ – Direct Numerical Control (DNC). У такій системі управління програма (програмоносій) знаходиться в пам’яті центральної ЕОМ, а на верстат подаються з пам’яті тільки окремі команди, коли це потрібно.

З розвитком інтеграції виробництва, малих ЕОМ і мікропроцесорної техніки з’явилися верстати з ЧПУ, керовані безпосередньо від власної ЕОМ – Computerized Numerical Control (CNC). У такій системі управління в пам’яті ЕОМ знаходиться вся або частина програми, по якій здійснюється управління верстатом від власної ЕОМ. На верстат подаються команди на завантаження і запуск необхідних програм, а також можлива передача управляючої програми з централізованого банку програм даного верстата.

У результаті появи ЧПУ типу CNC з’явилася можливість створення багатоцільових верстатів з автоматичною зміною інструмента, що одержали назву центрів (обробних, складальних). На таких верстатах виконується велика кількість різноманітних видів обробки різних деталей з мінімальним часом на встановлення та зняття.

У цілому обробні центри поділяються на центри для обробки корпусних деталей за допомогою операцій фрезерування, свердління, розточування, нарізання різей та центри для обробки тіл (деталей) обертання за допомогою операцій токарного типу. На основі таких центрів створюються ГВМ і ГВК.

Управляюча програма (УП) представляє собою таку сукупність команд проблемно-орієнтованою мовою програмування, яка відповідає заданому алгоритму функціонування устаткування по виконанню технологічних, транспортних, допоміжних операцій. Реалізується програма пристроєм ЧПУ верстата.

Під пристроєм ЧПУ розуміють пристрій, що видає керуючі сигнали на виконавчі органи об’єкта у відповідності з управляючою програмою, алгоритмами її обробки та інформацією про стан керованого об’єкта.

В залежності від способу реалізації алгоритму обробки управляючої програми пристрої ЧПУ (ПЧПУ) бувають апаратні та мікропроцесорні. В апаратних пристроях алгоритми обробки реалізуються за допомогою спеціальних електронних схем і не можуть бути змінені, у мікропроцесорних – всі алгоритми обробки або їх частина реалізуються програмно (мікропрограмно) і існує можливість їх зміни або повної заміни. Мікропроцесорні пристрої не можуть функціонувати без програмних засобів, що забезпечують функціонування верстата як інформаційно-управляючої системи.

Під системою ЧПУ розуміють сукупність функціонально взаємозалежних і взаємодіючих технічних і програмних засобів, що забезпечують числовє програмнє управління устаткуванням. Власне пристрій ЧПУ складає частину цієї системи і конструктивно виконується у вигляді окремого блока.

У верстаті з ЧПУ система управління виконує багато функцій верстатника. Але система повинна навчитися управляти верстатом. Системі необхідно знати, коли й у якому порядку користуватися інструментами, на яких режимах різання працювати, як досягти необхідної точності форми і розмірів оброблюваної деталі. Усі ці знання верстат із ЧПУ одержує у вигляді вхідної інформації – програми, записаної на перфострічці або іншим способом.

У програмі задається траєкторія руху інструмента відносно заготовки. Ця траєкторія формується за допомогою окремих приводів стола, салазок та інших механізмів, що керуються за програмою.

Технолог-програміст складає програму на підставі креслення і технологічного процесу обробки деталі. При цьому технологічна інформація кодується на перфострічку, що і передається в цех і встановлюється в пристрої ЧПУ верстатом.

Етапи підготовки процесу обробки деталі на верстаті з ЧПУ показані на рис. 5.12 і включають:

а) збір вихідної інформації (креслення деталі, дані про інструмент, технологічні дані про режим обробки);
б) розрахунок програми;
в) формування запису програми;
г) підготовка програмоносія;
д) введення програми у пристрій ЧПУ.

Можливе також автоматичне програмування за допомогою ЕОМ, яке заміняє в значній частині програміста і складає програми для верстатів з ЧПУ.

Рис. 5.12. Етапи підготовки процесу обробки деталі на верстаті з ЧПУ

Основним елементом програмного управління є пристрій ЧПУ, що включає в себе устаткування для зчитування управляючої програми. Ця програма запам’ятовується в пам’яті пристрою ЧПУ. На підставі цієї інформації пристрій задає швидкості та величини переміщень виконавчих механізмів верстата, що реалізують пересування інструмента або стола із заготовкою.

Структурна схема пристою ЧПУ верстата показана на рис. 5.13, де: 1 – пристрій ЧПУ; 2 – блок ручного управління та сигналізації; 3 – блок зчитування інформації; 4 – кодовий перетворювач; 5 – блок управління приводом салазок; 6 – блок технологічних команд; 7 – блок управління приводом переміщення стола; 8 – управління технологічними командами; 9 – шкаф силового електрообладнання; 10 – передача команд на електрообладнання верстата; 11 – лінія зв’язку з приводом стола; 12 – лінія зв’язку з двигунами; 13 – привод салазок.

Рис. 5.13. Спрощена структурна схема пристрою ЧПУ верстата

Перші ПЧПУ на базі ламп і реле з’явилися у 1954 р. для управління верстатами, а на початку 60-х років ПЧПУ верстатами вже широко застосовувалися. У цей час одержали поширення ПЧПУ із записом управляючої програми на магнітну стрічку, де заданому переміщенню по осі верстата відповідала зміна фази аналогового сигналу. Кодування інформації управління при цьому було відсутнє, що, у принципі, виключало можливість зміни УП безпосередньо оператором верстата і подовжувало цикл технологічної підготовки виробництва. Такі ПЧПУ класифікуються як ПЧПУ першого покоління.

Розвиток елементної бази призвів до появи ПЧПУ другого покоління, побудованих на базі транзисторів і змінних печатних плат з роз’ємами. Крім різниці в елементній базі, ПЧПУ другого покоління передбачали кодування УП на стандартній вхідній мові ISO (Міжнародна організація по стандартизації), а також розміщення обчислювального пристрою, що перетворює інформацію УП у сигнали керування, безпосередньо біля верстата. Така організація ПЧПУ дозволяла оператору, у принципі, втручатися в технологічний процес, а також вводити заздалегідь обговорену корекцію в УП безпосередньо на робочому місці, що скоротило цикл підготовки виробництва. Такі системи одержали назву систем типу NC (числове управління).

У NC-системах їх структурні блоки орієнтовані на виконання визначених задач, а їх алгоритми функціонування не піддаються оперативним змінам. Ця обставина пояснює вузьку спрямованість таких ПЧПУ на конкретний клас об’єктів управління, а отже, велику кількість типів таких ПЧПУ і труднощі виробництва й експлуатації.

ПЧПУ другого покоління не мають пам’яті для збереження всієї УП, а її введення здійснюється кадрами з програмоносія (зазвичай з перфострічки) в ході виготовлення виробу, що знижує надійність роботи всієї системи.

Розвиток елементної бази систем другого покоління породив системи третього покоління, побудовані на базі інтегральних схем малого і середнього ступеня інтеграції.

Елементною базою сучасних ПЧПУ є мікропроцесори та інтегральні мікросхеми великого і середнього ступеня інтеграції. На цій елементній базі будуються проблемно-орієнтовані по застосуванню мікропроцесорні системи (МПС). ПЧПУ, які використовують МПС, називають мікропроцесорними ПЧПУ.

В даний час не всі експлуатовані і випущені ПЧПУ мають мікропроцесорну елементну базу, однак розробка нових моделей ПЧПУ, що не мають мікропроцесорів, на сьогоднішній день припинена, і якщо коли-небудь відновиться, то на зовсім іншій основі – на базі спеціалізованих великих інтегральних схем.

Основною причиною застосування в ПЧПУ спочатку стандартних мікроЕОМ, а потім проблемно-орієнтованих МПС є значне розширення функцій, реалізованих мікропроцесорними ПЧПУ при одночасному скороченні та уніфікації апаратних засобів цих пристроїв. Останнє пояснюється тим, що деякі функції реалізуються майже повністю засобами програмного забезпечення. Звичайно, для збереження програмного забезпечення теж потрібні апаратні засоби у вигляді пам’яті програм і даних, але розробка і виробництво цих апаратних засобів значно дешевші розробки спеціальних блоків для реалізації тієї чи іншої функції ПЧПУ.

Системи четвертого покоління побудовані на базі великих інтегральних схем і мікропроцесорів і одержали назву CNC-систем (числове управління від комп’ютера). У системах ЧПУ типу CNC обробку інформації, отриманої від об’єкта управління, і управління системою в цілому веде процесор.

Характерна риса ПЧПУ із запам’ятовуванням програм полягає в тому, що завдяки ЕОМ внутрішні цикли управління у вигляді послідовності команд можуть бути закладені в запам’ятовуючий пристрій. Завдяки цьому проектувальник ПЧПУ може за допомогою складеної із команд програми орієнтувати системи на рішення визначених задач. Таким чином, він проектує ПЧПУ із вбудованим у нього системним програмним забезпеченням (ПЗ).

За наявності ресурсів пам’яті користувач може розробити і закласти в пам’ять спеціальне системне ПЗ, орієнтоване на свої конкретні потреби, тобто взяти на себе функції проектувальника ПЗ ПЧПУ. Однак, як правило, користувач обмежується написанням програм адаптації ПЧПУ до свого об’єкта управління за допомогою спеціальних засобів, наданих користувачу, і програмуванням виробничого завдання – складанням програми користувача.