Системы ЧПУ: классификация и особенности современных систем ЧПУ

Что такое системы ЧПУ

Система ЧПУ это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для автоматизированного управления технологическим оборудованием (чаще всего станками) на основе введённой в неё программы. В комплекс входит компьютер (реже цифровой контроллер), на котором выполняется специальное программное обеспечение. По его командам электронные драйверы включают сервоприводы или другие механизмы и дополнительно отслеживают правильность работы этих механизмов.

Фактически это информационный центр станка, который считывает цифровые инструкции и точно выполняющий их, перемещая инструменты и заготовку для изготовления детали. ЧПУ и CNC (Computer numerical control) в современном контексте являются синонимами, хотя термин CNC первоначально подчёркивал использование именно компьютера в качестве основного контроллера

.

Комплект системы ЧПУ для интеграции в станок

Все системы ЧПУ должны работать в реальном масштабе времени. Это разновидность компьютерных систем, которые должны не только выдавать правильный результат вычислений, но и гарантировать выдачу в течение строго определенного временного интервала. Главное отличие системы реального времени от обычного компьютера заключается не в скорости, а в предсказуемости. Если в технологии указано, что подача инструмента должна быть 50 мм/мин, то система ЧПУ должна успевать перемещать инструмент именно с этой подачей по траектории любой сложности.

Основные составляющие систем ЧПУ

Системы ЧПУ состоят из аппаратных, программных и информационных компонентов.

Принцип работы системы ЧПУ

Мы рассмотрим здесь только последовательность работы системы ЧПУ, хотя она неотделима от настройки станка, создания управляющих программ, обслуживания. Об этих аспектах вы можете прочитать в других наших публикациях на этом сайте.

• При запуске происходит самодиагностика и диагностика подключённого оборудования. Например, проверяются концевые выключатели защитных дверей.
• Получение файла управляющей программы.
  • Его можно извлечь из компьютерной сети, флешки или ввода вручную.
  • Также файл можно спроектировать на самой системе ЧПУ в интегрированной CAM (системе подготовки управляющих программ).
• Процесс проверки и тестирования управляющей программы перед выполнением на станке. При верификации программы производится проверка кодов и визуализация траектории инструмента на экране стойки.
• Наладка станка во время которой система ЧПУ запоминает взаимное расположение рабочих органов.
• Выполнение управляющей программы.
  • Контроллер рассчитывает координаты рабочих органов станка и подаёт низковольтные электрические сигналы на драйверы приводов.
  • Драйвера преобразуют сигналы в импульсы для приводов, усиливают их и подают в приводы.
  • Под действием этих силовых электрических импульсов приводы выполняют точные механические обороты. Для работы шпинделей этого достаточно. Для работы осей обороты через механические передачи дополнительно преобразуются в линейные перемещения.
  • Одновременно контроллер получает информацию от датчиков и корректирует по ним свою работу.
• Завершение выполнения программы.
  • Контроллер подаёт команду драйверам на отключение.
  • После этого разблокируются защитные механизмы и подаётся сигнал оператору о завершении цикла.
• Также по программе система ЧПУ может взаимодействовать с внешними устройствами. Например, подавать команду внешнему манипулятору на замену заготовки. Или наоборот, принимать сигнал на запуск обработки от общей системы управления гибким автоматизированным производством.

Виды систем ЧПУ

Классификация систем ЧПУ насчитывает более двадцати разделов. Мы ограничимся только основными из них.

1. По типу построения. Эта классификация относится к аппаратной части системы управления.
   1. Системы использующие стандартный персональный компьютер с операционной системой, на котором установлено специализированное программное обеспечение, например Mach3, LinuxCNC. Чаще используются в деревообрабатывающих станках.
   2. Автономные стойки ЧПУ (фирм Fanuc , Siemens , Heidenhain , HAAS и других). Это специализированные промышленные компьютеры, разработанные исключительно для управления станком. Они обеспечивают высокую надёжность в режиме реального времени.
2. По типу станка и технологии обработки. Эти классификация связаны больше с программным обеспечением, так как физическая структура «контроллер – стойка – драйвера – приводы» на всех станках одинакова. А вот программное обеспечение стойки ЧПУ отличается. К примеру, фрезерный ЧПУ станок имеет развитую систему эмуляции траектории инструмента, работает с инструментальными магазинами на сотни позиции, контролирует движение по 5 осям. В то же время токарные станки с ЧПУ могут самостоятельно проектировать траектории инструмента по 2D контуру детали, поддерживают передачу заготовок от шпинделя к контр-шпинделю, имеющие специфические циклы точения.
3. По количеству осей управления. Фактически это количество механизмов, которые система может двигать одновременно. Количество может доходить до 12 осей, например, в станках с параллельной кинематикой. Стандартные системы имеют 3 или 5 осей. Количество осей ограничивается физически количеством установленных драйверов и вычислительной мощностью контроллера ЧПУ.
4. По принципу создания управляющей программы.
   1. На основе файлов управляющих программ, которые создаются за пределами станка.
   2. На основе встроенной системы CAM. Это могут быть как автоматическое создание траекторий на основе модели детали, так и составление программы по макросам обработки отдельных поверхностей.
   3. «Беспрограммное» управление когда траектория инструмента пишется автоматически по обработке первой детали вручную. По компоновке это универсальные станки с интегрированными приводами ЧПУ. Станочник обрабатывает первую деталь, а система ЧПУ запоминает движения рабочих органов и затем воспроизводит их для обработки последующих деталей.
5. По способу управления приводами.
   1. Открытая система без обратной связи. Контроллер не знает, точно ли выполнено движение. Обычно используются в системах со стандартным персональным компьютером.
   2. Замкнутая система с обратной связью когда датчики положения передают информацию контроллеру, который корректирует по ним движение. Есть системы, в которых датчики измеряют не обороты приводов, а положения рабочих органов станка. Это обеспечивает высокую точность позиционирования.
6. По возможностям интеграции.
   1. Возможность управления дополнительными механизмами. К примеру, автоматическое закрепление заготовки или подача команды работу на замену заготовки.
   2. Возможность принимать команды. От простого сигнала на запуск обработки после автоматической замены заготовки внешним роботом до выдачи информации о своём состоянии на контроллер гибкого автоматизированного участка.

Еще несколько слов о современных системах ЧПУ

Надёжность и скорость вычислений являются двумя фундаментальными свойствами современных систем ЧПУ, непосредственно влияющих на качество и экономическую эффективность производства. При обработке сложных поверхностей на современных 5-осевых станках требуется почти мгновенный пересчёт координат одновременно по всем осям. Медленный контроллер не успевает рассчитывать, что приводит к "рваному" движению, снижению качества поверхности и увеличению износа инструмента.

Современные технологии высокоскоростной обработки (HSM) базируются на способности системы быстро вычислять путь инструмента с большим количеством очень коротких линейных сегментов. Для этого требуется высокая скорость преобразования данных, измеряемая в сотнях или тысячах блоков кода в секунду. Это налагает условие высокой скорости вычислений в системах ЧПУ.

Большинство систем ЧПУ имеют интернет-подключение и позволяют удалённо контролировать состояние станка, отправлять уведомления об износе инструмента или ошибки, а также интегрироваться в гибкие производственные линии.

Также системы поддерживают интеграцию с CAD/CAM-средами, автоматически превращают цифровые модели в траектории движения инструмента, а также способны оптимизировать эти траектории в реальном времени – например, подстраивая скорость резания под фактическую нагрузку на шпиндель.

Подавляющее большинство всех систем ЧПУ мира принимает управляющие программы в G-кодах. Смело можно заявить, что 99% всех станков мира работают именно на них. Но кроме G-кодов, в современных системах с ЧПУ используются другие языки программирования. Например, некоторые плазменные​​​​​​​ станки с ЧПУ принимают свой, личный язык программирования.

Варианты языков управляющих программ

Современные системы поддерживают полную или частичную замену старой системы управления станком на новую. Вместо покупки нового станка предприятие получает оборудование с новыми возможностями но более низкой стоимости. Заменить можно как только стойкую ЧПУ, так и исполняющие механизмы с сервоприводами.

Выводы

Сегодня системы ЧПУ это сложный симбиоз аппаратных средств реального времени, мощного программного обеспечения и мехатроники , позволяющий реализовывать сложные производственные задачи. Если в начале эры такие станки применяли только в среднесерийном производстве, то сейчас они охватывают всю серийность, включая даже массовое производство.

Системы ЧПУ стали ключевой основой современного машиностроения. Они обеспечивают высокую точность, стабильное качество и повторяемость обработки деталей. Это результат сочетания электроники, информатики и механики, что позволило перестроить ручные процессы в полностью автоматизированные.