Системи ЧПК: класифікація та особливості сучасних систем ЧПК

Що таке системи ЧПК

Система ЧПК це комплекс апаратних та програмних засобів, призначений для автоматизованого керування технологічним обладнанням (найчастіше — верстатами) на основі введеної в неї програми. В комплекс входить комп’ютер (цифровий контроллер) на якому виконується спеціальне програмне забезпечення. По його командам електронні драйвери вмикають сервоприводи або інші механізми і додатково відслідковують правильність роботи цих механізмів.

Фактично це інформаційний центр верстата, який читає цифрові інструкції і точно виконує їх, переміщуючи інструменти та заготовку для виготовлення деталі. ЧПК та CNC (Computer numerical control) у сучасному контексті є синонімами, хоча термін CNC спочатку підкреслював використання саме комп'ютера як основного контролера.

Комплект системи ЧПК для інтеграції у верстат

Усі системи ЧПК повинні працювати в реальному масштабі часі. Це різновид комп'ютерних систем, які повинні не лише видавати правильний результат обчислень, але й гарантувати його видачу протягом строго визначеного часового інтервалу. Головна відмінність системи реального часу від звичайного комп'ютера полягає не в швидкості, а в передбачуваності. Якщо по технології вказано, що подача інструменту повинна бути 50 мм/хв, то система ЧПК повинна встигати переміщати інструмент з цією подачею по траєкторії будь-якої складності.

Основні складові систем ЧПК

Системи ЧПК складаються з апаратних, програмних та інформаційних компонентів.

Принцип роботи системи ЧПК

Ми розглянемо тут тільки послідовність роботи системи ЧПК, хоча вона невід’ємна від наладки верстату, створення управляючих програм, обслуговування. Про ці аспекти ви можете почитати в інших наших публікаціях на цьому сайті.

• При запуску відбувається самодіагностика та діагностика підключеного обладнання. Наприклад, перевіряються кінцеві вимикачі захисних дверей.
• Отримання файлу керуючої програми.
  • Його можна отримати з комп’ютерної мережи, флешки або вводу вручну.
  • Також файл можна спроектувати на самій системі ЧПК у інтегрованій CAM (системі підготовки управляючих програм).
• Процес перевірки та тестування управляючої програми перед її виконанням на верстаті. Під час такої верифікації програми проводиться перевірки кодів та візуалізація траєкторії інструменту на екрані стійки.
• Наладка верстату під час якої система ЧПК запам’ятовує взаємне розташування робочих органів.
• Виконання управляючої програми.
  • Контролер розраховує координати робочих органів верстату і подає низьковольтні електричні сигнали на драйвери приводів.
  • Драйвера перетворюють сигнали в імпульси для приводів, підсилюють їх і подають на приводи.
  • Під дією цих силових електричних імпульсів приводи виконують точні механічні оберти. Для роботи шпинделів цього вже достатньо. Для роботи осей ці оберти через механічні передачі додатково перетворюються у лінійні переміщення.
  • Одночасно контролер отримує інформацію від датчиків і корегує по ним свою роботу.
• Завершення виконання програми.
  • Контролер подає команду драйверам на вимкнення.
  • Після цього розблоковуються захисні механізми і подається сигнал оператору про завершення циклу.
• Також по програмі система ЧПК може взаємодіяти з зовнішніми пристроями. Наприклад, подавати команду зовнішньому роботу-маніпулятору на заміну заготовки. Або навпаки, приймати сигнал на запуск обробки від загальної системи керування гнучким автоматизованим виробництвом.

Види систем ЧПК

Класифікація систем ЧПК нараховує більше двадцяти розділів. Ми обмежмося тільки основними з них.

1. За типом побудови. Ця класифікація стосується апаратної частини системи керування.
   1. Системи що використовують стандартний персональний комп'ютер з операційною системою, на якому встановлено спеціалізоване програмне забезпечення, наприклад, Mach3, LinuxCNC. Частіше застосовуються в деревообробних верстатах.
   2. Автономні стійки ЧПК (фірм Fanuc, Siemens, Heidenhain, HAAS та інших). Це спеціалізовані промислові комп'ютери, розроблені виключно для керування верстатом. Вони забезпечують високу надійність в режимі реального часу.
2. За типом верстата та технологією обробки. Ці класифікація пов’язані більше з програмним забезпеченням, так як фізична структура «контролер – стійка – драйвера – приводи» на всіх верстатах однакова. А ось програмне забезпечення стійки ЧПК відрізняється. Наприклад, фрезерний ЧПК верстат має розвинуту систему емуляції траєкторії інструменту, працює з інструментальними магазинами на сотні позиції, контролює рух по 5 осям. В той же час токарні верстати з ЧПК можуть самостійно проектувати траєкторії інструменту по 2D контуру деталі, підтримують передачу заготовок від шпинделя до контр-шпинделю, мають специфічні цикли точіння.
3. За кількістю осей керування. Фактично це кількість механізмів, якими система може рухати одночасно. Кількість може доходити до 12 осей, наприклад, в верстатах з паралельною кінематикою. Стандартні системи виготовляють на 3 або 5 осей. Кількість обмежується фізично кількістю встановлених драйверів і обчислювальною потужністю контролера ЧПК.
4. За принципом створення керуючої програми.
   1. На основі файлів керуючих програм які створюються за межами верстату.
   2. На базі вбудованої системи CAM. Це можуть бути як автоматичне створення траєкторій на основі моделі деталі, так і складання програми з макросів обробки окремих поверхонь.
   3. «Безпрограмне» керування коли програма пишеться автоматично по обробці першої деталі вручну. По компонуванню це універсальні верстати з інтегрованими приводами ЧПК. Верстатник оброблює першу деталь, а система ЧПК запам’ятовує рухи робочих органів і потім відтворює їх для обробки наступних деталей.
5. За способом керування приводами.
   1. Відкрита система без зворотного зв’язку. Контролер не знає, чи точно виконано рух. Зазвичай використовуються в системах зі стандартним персональним комп'ютером.
   2. Замкнена система зі зворотним зв’язок коли датчики положення передають інформацію контролеру, який коригує по ним рух. Існують системи, в яких датчики вимірюють не оберти приводів, а положення робочих органів верстату. Це забезпечує найвищу точність позиціонування.
6. За можливостями інтеграції.
   1. Можливість керування додатковими механізмами. Наприклад, автоматичне закріплення заготовки або подача команди роботу на заміну заготовки.
   2. Можливість приймати команди. Від простого сигналу на запуск обробки після автоматичної заміни заготовки зовнішнім роботом, до видачі інформації о своєму стану в контролер гнучкої автоматизованої дільниці.

Ще кілька слів про сучасні системи ЧПК

Надійність та швидкість обчислень є двома фундаментальними властивостями сучасної системи ЧПК, що безпосередньо впливають на якість та економічну ефективність виробництва. При обробці складних поверхонь на сучасних 5-осьових верстатах вимагається майже миттєвого перерахунку координат одночасно для всіх осей. Повільний контролер не встигає виконувати ці розрахунки, що призводить до "рваного" руху, зниження якості поверхні та збільшеному зносу інструменту. Сучасні технології високошвидкісної обробки (HSM) базуються на здатності системи швидко обчислювати шлях інструменту з великою кількістю дуже коротких лінійних сегментів. Для цього потрібна висока швидкість перетворення даних, яка вимірюється в сотнях або тисячах блоків коду в секунду. Це накладає умову необхідності високої швидкості обчислень в системах ЧПК.

Більшість систем ЧПК мають інтернет-підключення і дають змогу віддалено контролювати стан верстата, відправляти повідомлення про знос інструменту чи помилки, а також інтегруватися в гнучкі виробничі лінії.

Також системи підтримують інтеграцію з CAD/CAM-середовищами, автоматично перетворюють цифрові моделі у траєкторії руху інструменту, а також здатні оптимізувати ці траєкторії в реальному часі — наприклад, підлаштовуючи швидкість різання під фактичне навантаження на шпиндель.

Переважна більшість усіх систем ЧПК світу приймає управляючі програми в G-кодах. Сміливо можна заявити, що 99% усіх верстатів світу працюють саме на них. Але крім G-кодів, в сучасних системах з ЧПК використовуються інші мови програмування. Наприклад, деякі плазмові верстати з ЧПК приймають свою, особисту мову програмування.

Варіанти мов управляючих програм

Сучасні системи підтримують повну або часткову заміну старої системи управління верстатом на нову. Замість купівлі нового верстата, підприємство отримує обладнання з новими можливостями за значно нижчу вартість. Замінити можна як тільки стійку ЧПК, так і виконуючи механізми з сервоприводами.

Висновки

Сьогодні системи ЧПК це складний симбіоз апаратних засобів реального часу, потужного програмного забезпечення та мехатроніки, що дозволяє реалізовувати складні виробничі завдання. Якщо на початку ери такі верстати застосовували тільки в середньосерійному виробництві, то зараз вони охоплюють всю серійність, навіть включно з масовим виробництвом.

Системи ЧПК стали ключовою основою сучасного машинобудування. Вони забезпечують високу точність, стабільну якість і повторюваність обробки деталей. Це результат поєднання електроніки, інформатики та механіки, що дозволило перебудувати ручні процеси на повністю автоматизовані.