Структура системы учпу, построенной на основе пэвм

 

Структурную схему системы ЧПУ класса PCNC рассмотрим на примере широко распространенной системы NC-201 российского производства. Данная система представляет собой индустриальный компьютер, построенный на основе современного процессора  AMD 5-й серии. На рис. 1.1 приведен внешний вид пульта управления.

 

 

Рис. 2.2. Лицевая панель пульта оператора системы NC-201

 

Устройство с числовым программным управлением (УЧПУ) является программно-управляемым устройством и имеет аппаратную и программную части. Структурная схема УЧПУ представлена на рис. 1.2. Структура УЧПУ включает блок управления (БУ), пульт оператора (ПО) и блок питания (БП).

БП обеспечивает преобразование первичного сетевого напряжения во вторичные необходимые для работы всех систем СЧПУ.

БУ управляет работой УЧПУ и внешнего подключаемого оборудования. Ядром БУ является плата CPU. Взаимодействие модулей БУ обеспечивают сигналы внешней локальной шины процессора ISA BAS 16.

 

 

Рис. 2.3. Структурная схема УЧПУ NC-201

 

Через каналы модуля ECDA I/O осуществляется управление периферийным оборудованием:

· следящим электроприводом подач и главного движения с обратной связью;

· преобразователями перемещений фотоэлектрического типа (энкодерами);

· шпинделем;

· электронным штурвалом фотоэлектрического типа.

 

По каналам входа/выхода модуль ECDA I/O обеспечивает двунаправленную связь (опрос/управляющее воздействие) между УЧПУ и электрооборудованием управляемого объекта. Обмен информацией происходит под управлением программного обеспечения.

Управление дополнительными устройствами ввода/вывода производится платой CPU через интерфейсы внешних устройств: RS-232/485, HDD, LAN, USB.

ПО обеспечивает выполнение всех функций управления и контроля в системе «ОПЕРАТОР-УЧПУ-ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ». Структура ПО включает в себя блок дисплея и блок клавиатуры. В качестве элементов управления ПО используются клавиши, кнопки и переключатели, а в качестве элементов контроля – дисплей и светодиоды. Эти элементы позволяют оператору управлять работой системы, вести с ней активный диалог, получать необходимую информацию о ходе управления объектом.

Связь УЧПУ с объектом управления и дополнительными устройствами ввода/вывода осуществляется через внешние разъемы.

 

Система ЧПУ фирмы Fanuc

 

Компания GE Fanuc Automation – лидер в области поставки новейших высокоэффективных устройств с ЧПУ и соответствующего оборудования для станкостроения. Компания GE Fanuc Automation выпускает ЧПУ открытого и традиционного типов, которые увеличивают производительность станков путем обеспечения возможности доступа к информационным и программным средствам в самом станке.

Системы ЧПУ компании GE Fanuc рассчитаны на такой широкий спектр операций, как шлифование, сверление, резка, фрезерование, перфорирование, токарная обработка и прочее. Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам и надежности, ЧПУ традиционного типа обслуживают самые разные станочные системы по всему миру. Встроенная в блок миниатюрная печатная плата ЧПУ позволяет полностью использовать возможности самых современных больших интегральных схем (БИС) и технологий поверхностного монтажа. Плата монтируется за жидкокристаллическим дисплеем. СЧПУ включает также высокоскоростную сервошину последовательного действия и компактный распределяемый модуль ввода-вывода, что позволяет подключать один блок управления ЧПУ и сразу несколько сервоусилителей к одному волоконно-оптическому кабелю.

Различные модули ввода-вывода могут монтироваться на рабочей панели и на пульте управления станком, что позволяет значительно уменьшить объем электроавтоматики станка и его размеры (рис. 1.3).

 

 

Рис. 2.4. СЧПУ Fanuc CNC

 

Весь спектр ЧПУ открытого типа компании GE Fanuc представлен сериями 160i, 180i, 210i and 160is, 180is, 210is, разработанными на базе 16i, 18i и 21i серий. ЧПУ открытого типа обеспечивают высокоэффективную реализацию функций управления ЧПУ компании GE Fanuc одновременно с функциями персонального компьютера и возможностью их дальнейшего расширения.

Устройство ЧПУ и станок могут управляться с помощью графического пользовательского интерфейса персонального компьютера. Кроме того, сетевые возможности могут быть использованы для обмена информацией, а программные средства и базы данных - для управления сервисными программами.

Программное обеспечение компании GE Fanuc (библиотека CNC) используется для ввода-вывода внутренней информации ЧПУ. Такое программное обеспечение может поддерживать стандартный набор языков программирования Microsoft (Visual Basic или Visual C++TM), а также интерфейс OLE/DDE.

 

Система ЧПУ фирмы Siemens

 

СЧПУ фирмы Siemens являются высококачественными системами управления для обрабатывающих станков. ЧПУ Siemens представлены такими сериями: SINUMERIK 802D, SINUMERIK 810D, SINUMERIK 840D (рис. 1.4).

 

 

Рис. 2.5. СЧПУ фирмы Siemens

 

СЧПУ фирмы Siemens представляют собой целостный комплекс взаимодействующих компонентов: устройство ЧПУ — управляющее ядро системы, компоненты управления для общения оператора с системой, контролирующий электроавтоматику, силовые исполнители: привода и двигатели в различных исполнениях в зависимости от задач, обратные связи измерительных систем, соединительные силовые и сигнальные кабели и программное обеспечение: системное, операторское, ввода в эксплуатацию, администрирования и информационного обмена.

Фирма Siemens разработала две группы УЧПУ:

1) Семейство SINUMERIK 802C, 802S, 802D, которое ориентировано на применение в простых токарных и фрезерных станках. Эти УЧПУ ограничены по количеству осей и имеют оптимальные функциональные возможности, соответствующие их назначению.

2) Семейство SINUMERIK 810D, 840D. SINUMERIK 810D – для станков с небольшими рабочими усилиями. SINUMERIK 840D - наиболее распространенное базовое модульное УЧПУ для широкого круга станков и технологических задач.

 

Подсистема приводов

Подсистема приводов включает двигатель и передачу для преобразования вращательного движения в поступательное перемещение исполнительных органов станка.

А) Высокоточные ходовые винты

Они расположены на днище стола, где закреплена гайка. При повороте винта гайка перемещается и происходит линейное движение стола.

Усовершенствованные ходовые винты позволяют выполнять перемещение исполнительного органа с минимальным трением и имеют механизм устранения люфта.

Б) Двигатели

Вращение вала двигателя приводит к повороту высокоточного ходового винта и линейному перемещению рабочего стола. В конструкции станков используются шаговые электродвигатели и серводвигатели. Шаговый электродвигатель - это электромеханическое устройство, преобразующее электрический сигнал управления в дискретное механическое перемещение. Существует несколько основных видов шаговых двигателей, отличающихся конструктивным исполнением:

1. шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением;

2. шаговые двигатели с постоянным магнитным сопротивлением;

3. гибридные двигатели.

Принцип работы у всех этих двигателей примерно одинаков и достаточно прост.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением имеет несколько полюсов на статоре и ротор из магнитно-мягкого материала (реактивный ротор).

Рис. 2.6. Устройство шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением:

шесть полюсов на статоре, ротор с четырьмя зубьями,

три независимые обмотки

 

При подаче электрического тока в одну из обмоток ротор стремится занять положение, при котором возникший магнитный поток будет замкнут. То есть зубья ротора будут находиться напротив соответствующих полюсов статора. Если подать его в следующую обмотку, то ротор повернется на один шаг. Для непрерывного вращения ротора необходимо попеременно подавать электрический ток в 1, 2 и 3 обмотки, при этом шаг по углу вращения для представленного двигателя составит 30°.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами состоит из статора с обмотками и ротора с постоянными магнитами.

 

Рис. 2.7. Устройство шагового двигателя с постоянными магнитами:

две пары полюсов статора и три пары полюсов ротора

 

При подаче электрического тока в одну из обмоток ротор займет положение, при котором разноименные полюса статора и ротора будут находиться напротив друг друга. Для непрерывного вращения ротора необходимо попеременно подавать электрический ток в 1 и 2 обмотки.

Большинство современных шаговых электродвигателей являются гибридными, то есть сочетают достоинства двигателей с переменным магнитным полем и двигателей с постоянными магнитами, имеют большее число полюсов статора и зубьев ротора. Шаг вращения при (дискрета) может достигать одного и менее градуса.

Когда подсистема управления посылает шаговому двигателю электрический импульс, то происходит поворот ротора на определенный угол. Если ходовой винт имеет шаг 1 мм, а дискрета угла имеет 1 градус, то за один импульс исполнительный орган станка переместиться на величину 2,8 мкм. Эта величина называется разрешением системы, или ценой импульса. Нельзя переместить исполнительный орган на величину, меньшую, чем разрешение системы.

Простота конструкции и легкость управления сделали шаговые электродвигатели очень популярными. Основным минусом двигателей этого типа является их толчковая или дискретная работа, которая может привести к ухудшению качества чистовой обработки поверхностей и эффекту «ступенек» на поверхности. Однако шаговые двигатели могут работать без использования дорогостоящей и сложной обратной связи. Это позволяет создавать недорогие, хотя и не высокоточные станки.

Самые современные станки с ЧПУ оснащаются серводвигателями, которые имеют более сложную конструкцию. Серводвигатели, в отличие от шаговых двигателей, работают гладко, имеют лучшие характеристики, но ими тяжелее управлять.

Рис. 2.8. Сервопривод

 

Для работы с серводвигателем необходимо наличие специальных контроллеров и устройств обратной связи, что, несомненно, приводит к увеличению стоимости станка.

В последнее время на высокоточных станках стали использоваться ролико-винтовые передачи.

Рис. 2.9. Ролико-винтовая передача

Подсистема обратной связи

Подсистема обратной связи призвана обеспечивать подсистему управления информацией о реальной позиции исполнительного органа станка и о скорости перемещения.

 

Рис. 2.10. Схема обратной связи на станке с ЧПУ

 

Они имеют внешние датчики для проверки необходимых параметров. Как правило, в станках с ЧПУ для определения положения и состояния исполнительных органов используются два типа датчиков:

линейные датчики положения и вращающиеся датчики положения.

Вращающийся датчик положения

 

Рис. 2.11. Вращающийся датчик положения

 

Датчик крепится на валу двигателя и позволяет определять его угловое положение. Этот датчик состоит из источника света, оптического датчика (приемника) и растрового диска с маленькими радиальными прорезями. Растровый диск укреплен на валу, источник света и оптический датчик находятся с разных сторон от диска.

Когда диск вращается, то лучи проходят сквозь его прорези и падают на оптический датчик. Оптический датчик работает как переключатель, который включается или выключается при попадании на него луча света. Это дает возможность определить относительное или абсолютное положение и направление вращения двигателя. Полученная информация отправляется в подсистему управления.

Все вращающиеся датчики имеют один существенный недостаток. Они устанавливаются непосредственно на валу двигателя, а не на исполнительном органе. Поэтому они не могут напрямую измерить его линейное положение.

Линейные датчики положения

Такие датчики используются практически во всех современных станках с ЧПУ для точного определения абсолютной или относительной позиции исполнительных органов.

 

Рис. 2.12. Линейный датчик положения

 

 Датчики содержат два взаимосвязанных узла – растровую шкалу и считывающую головку. Растровая шкала (1), расположенная вдоль направляющих, представляет собой растровую линейку с маленькими прямоугольными прорезями. Считывающая головка, перемещающаяся вместе с исполнительным органом станка, состоит из осветителей (2), фотоприемников (3) и индикаторной пластины (4).

На индикаторной пластине также присутствуют два растровых участка со смещенным шагом для формирования двух сигналов. Когда считывающая головка перемещается вдоль растровой шкалы, то световые сигналы от осветителей проходят через индикаторную пластину, затем через шкалу и регистрируются фотоприемниками. Полученные сигналы дают возможность определить величину и направление перемещения.

Системе ЧПУ также необходима информация о скорости, ускорении и замедлении исполнительного органа станка. Расчет величины ускорения и замедления необходим для точного позиционирования, то есть для перемещения рабочего стола в требуемую позицию и точного останова. Рабочий стол заранее замедляет скорость перемещения, чтобы «не промахнуться» мимо заданной координаты.

Датчики состояния исполнительных органов

       В станках имеются, также, другие датчики. Например, температурные датчики (термопары) применяют для определения температуры исполнительных органов, расчета температурного линейного расширения компонентов станка. Они используются, также, для контроля температуры масла и воздуха. Инфракрасные датчики используются в станочных системах автоматического измерения.