Классификация станков с программным управлением

    БУГП (блок управления главным приводом) для станков с ЧПУ часто оформляется в виде отдельного узла, включающего два тиристорных преобразователя: один мощный, для регулирования напряжения на якоре двигателя, другой маломощный, для регулирования напряжения возбуждения. Такой двухзонный привод является типовым для обеспечения главного движения в станках разнообразных типов. Помимо двух тиристорных преобразователей этот узел управления содержит схему управления автоматизированной коробкой скоростей станка с необходимыми блокировками.

    УД (ультразвуковой датчик) служит для измерения износа инструмента и  передает информацию о состоянии инструмента.

     5. Описание принципа  работы.

    На  перфоленту в закодированном виде наносят  путем пробивки отверстий в соответствующих  местах координаты точек сопряжения участков обрабатываемого контура  и скорость движения инструмента на каждом участке. Подобное описание допустимо для любой детали, контур которой может быть представлен в виде отрезков кривых, реализуемых устройством ЧПУ. Для задания координат каждой точки на плоскости необходимо задать по крайней мере два числа, соответствующие перемещению по двум осям станка X и Y.

    Для возможности различения этих чисел, записываемых на перфоленту, используют так называемую адресную систему  задания информации, при которой  каждому числу предшествует какая-либо буква латинского алфавита, указывающая принадлежность данного числа. Так, например, если перед числом стоит буква X, то она относится к координате X, если буква Y, то число относится к координате Y. Если перед числом стоит буква F, то число означает результирующую скорость подачи вдоль контура, а если буква N, то число означает номер обрабатываемого участка, т.е. номер кадра. Буква T означает номер инструмента, которым должен обрабатываться данный участок контура детали, а буква S – частоту вращения шпинделя станка. Эти обозначения являются общепринятыми и узаконенными международной организацией по стандартизации в виде кода ISO – 7bit. Этот код используют для кодирования информации на восьмидорожковой перфоленте шириной 25,4мм в телеграфной и вычислительной технике.

     Десятичные цифры от нуля до девяти в этой системе кодируются их двоичными  эквивалентами, занимающими по четыре отверстия, расположенные на одной  строке. Общее количество числовых строк на перфоленте равно максимальному  количеству десятичных разрядов в числе, принятых для данного устройства ЧПУ.

    На  рисунке представлена перфолента, на которой записана следующая информация:

    N025; X + 021765;  Y + 005123;  F600;  S120;  T05; LF, что означает: номер кадра – 25, перемещение по координате X на +217,65мм, перемещение по координате Y на +51,23мм, подача – 600мм/мин, частота вращения шпинделя – 1200 об/мин, номер инструмента – 5; LF – конец кадра.

    При адресном методе можно не заботиться о порядке нанесения информации в пределах кадра, так как ее смысл  определяется не местом ее расположения на ленте, а буквой или каким либо другим знаком, отличным от цифр. Адресная система заметно усложняет вводное устройство СПУ, потому что требуются специальные дешифраторы для распознавания примененного алфавита знаков. Однако она обладает наибольшей гибкостью и наибольшей степенью унификации, так как присвоив буквам или знакам вполне определенный смысл, всегда постоянный, т.е. стандартизировав их значение, возможно одну и ту же систему кодирования применить для различных станков независимо от их назначения, количества координат, степени автоматизации и т.д. Это также позволяет использовать одни и те же блоки устройств ввода (считывающие устройства и входная память с распределителями информации) для различного типа СПУ, изменяя лишь количество типовых блоков.

    Для считывания информации с перфоленты в СПУ используют фотоэлектрические  считывающие устройства ФСУ. В качестве примера приведем описание ACE типа «Readmom-300», применяемого в качестве одного из вводных устройств в единой системе ЭВМ. В этом ФСУ транспортный ролик 1 непрерывно вращается электродвигателем (не показанным на схеме) через понижающую передачу.

    При поступлении команды на протягивание ленты включается транспортный магнит 2, якорь 3 которого прижимает к ленте 4 прижимной ролик 5, и отключается тормозной магнит 6, в результате чего перфолента начинает разгоняться до скорости, определяемой скоростью вращения транспортного ролика 1. Время разгона зависит от коэффициента трения между лентой 4 и транспортным роликом 1 и от массы разгоняемого участка ленты, которая образует более или менее длинную петлю, выбираемую подпружиненными рычагами, и составляет величину порядка 4-5мс. Торможение ленты осуществляется якорем 7 при включении тормозного магнита 6 и отключении транспортного магнита 2. Время торможения составляет 1,5-2мс, что дает перебег ленты при торможении, не превышающий половины шага перфорации, т.е. 1,3мм. Перфолента протягивается через оптический блок, состоящий из осветительной   лампы 8, цилиндрической линзы 9, находящихся перед перфолентой, и блока фотодиодов 10, находящихся сзади перфоленты. Осветительная система создает светящуюся полоску света (оптическую щель) шириной 0,3-0,5мм и длиной, равной ширине перфоленты. При движении ленты в моменты, когда оптическая щель через отверстия в перфоленте освещает блок фотодиодов 10, на его выходах возникает параллельный код числа (или знака), пробитого на данной строке перфоленты в виде соответствующей комбинации напряжений, которые после усиления и формирования подаются на информационный выход 11.

    Устройство  ЧПУ работает следующим образом. Перфолента с записанной на ней информацией  устанавливается в фотоэлектрическое  считывающее устройство ФСУ. В процессе работы перфолента протягивается на величину одного кадра, содержащего информацию об обработке одного участка контура, со скоростью 200-300 строк в секунду (конец кадра кодируется специальным знаком LF, занимающим одну строку на перфоленте). При протягивании записанная в кадре информация последовательно, строка за строкой, считывается блоком фотоэлементов и передается в блок запоминания информации БЗИ, где она запоминается в соответствующих регистрах (устройствах для запоминания дискретной информации), количество которых равно максимальному количеству строк в кадре.

    Упрощенная схема  БЗИ представлена на рисунке. Помимо регистров R, запоминающих числовую информацию, БЗИ содержит дешифратор адресов ДА и коммутатор строк КС, которые распределяют числовую информацию по этим регистрам с помощью вентилей В (устройство, подобное обычному выключателю, однако вместо механического в нем используется электрический управляющий сигнал). При считывании перфоленты на выходе блока фотоэлементов на короткое мнгновение появляются коды чисел и букв в виде комбинации электрических сигналов. Эти сигналы подаются одновременно на дешифратор адресов ДА и на адресные вентили В_X, В_y, и В_F.

    При появлении на входе дешифратора  адресов кода какой-либо буквы, например X, он запоминается, и открывается соответствующий адресный вентиль В_X. При появлении кода любого числа открывается вентиль В_С, подающий синхронизирующие импульсы СИ, получаемые с помощью ведущей дорожки перфоленты, на коммутатор строк КС. Так как после строки с кодом буквы следует некоторое количество строк с кодами десятичных цифр, а коммутатор строк поочередно подает управляющие сигналы на разрядные вентили одновременно всех адресов, то информация числовых строк с кодами цифр с приходом каждого синхронизирующего импульса будет направляться в десятичные регистры соответствующего адреса: при первом синхронизирующем импульсе – в регистр единиц, т.е. в 10⁰, при втором – в регистр десятков, т.е. в 10¹, при третьем – в регистр сотен, т.е. в 10² и т.д.

    При считывании строки с кодом нового адреса , например Y, старый адрес X в дешифраторе адресов стирается, а запоминается новый адрес. При этом открывается вентиль В_y, и идет распределение цифровой информации разных  разрядов по регистрам R_Y. Так продолжается до тех пор , пока в дешифратор адресов не попадет код конца кадра, который приведет к выдаче из него сигнала  КВК (конец ввода кадра) на остановку ФСУ и на передачу информации из регистров БЗИ в интерполятор.

    Интерполятор, упрощенная схема которого для линейной интерполяции на плоскости XY представлена ниже на рисунке , работает следующим образом. В регистры R_x, R_y из БЗИ вводятся числа, соответствующие значениям координат заданной точки по осям X и Y относительно координат предыдущей точки, а регистр R_F вводится число, определяющее результирующую скорость подачи вдоль обрабатываемого контура. Эти числа с помощью вентилей В_X и В_y, открываемых импульсами от генератора ГИ и задатчика скорости – ЗC периодически, с большой частотой, передаются в сумматоры X и Y , где они каждый раз суммируются с предыдущим числом. Количество этих суммирований за цикл работы интерполятора всегда постоянно и определяется объемом  счетчика импульсов СЧ, который с помощью вентиля В_СЧ перекрывает подачу импульсов на вентили В_X и В_y в момент его переполнения, т.е. когда все его разряды станут в нуль. Предположим, что объемы регистров R_x и R_y, сумматоров X и Y  и счетчика СЧ равны 10⁶ (что соответствует максимально возможному перемещению на 10м при цене импульса 0,01мм), и в регистры  R_x и R_y введено по одной единице, т.е. по 0,01мм. После 10⁶ суммирований в сумматорах возникнут импульсы переполнения, означающие, что на выходах интерполятора за цикл его работы появится по одному импульсу. Если ввести число, равное 10, то после 10⁶ суммирований в сумматорах должно получиться число, равное 10⁷, однако так как объемы сумматоров равны 10⁶, то за цикл работы интерполятора сумматоры будут 10 раз переполняться, что означает появление на их выходах по 10 импульсов, равномерно расположенных во времени. Если в регистры ввести числа, равные 10⁶, то при каждом суммировании будут возникать импульсы переполнения, и общее число импульсов опять будет равно числу, введенному в регистры, а частота их будет равна частоте суммирований. Обычно в регистры R_x и R_y вводят разные числа, равные приращениям по осям координат. При этом частоты импульсов на выходах сумматоров будут также разные, но строго пропорциональны этим числам, и если скорости приводов подач станка строго пропорциональны этим частотам, а это всегда имеет место, так как привод отрабатывает каждый импульс, то результирующее движение подачи инструмента будет осуществляться по прямой из предыдущей точки в последующую, и каждый привод пройдет путь, равный произведению цены импульса на число, введенное в соответствующий регистр. Реальные интерполяторы значительно сложнее описанного за счет необходимости выполнения ряда функций – круговой интерполяции, стабилизации скорости, разгона и торможения и т.п. 

    В качестве приводов подач применяем  шаговый электропривод, у которого преобразование цифровой величины – числа импульсов в угол поворота происходит электромеханическим путем с помощью шагового двигателя ШД. Структура  шагового привода показана ниже на рисунке.

    Импульсы  в унитарном коде от интерполятора  поступают на вход электронного коммутатора по одному из двух каналов в зависимости от заданного направления. Электронный коммутатор представляет собой кольцевой сдвиговый регистр, изменяющий свое состояние под действием каждого очередного входного импульса. Смена состояний коммутатора приводит (через усилитель мощности) к переключению фаз электрического шагового двигателя и повороту его ротора на угловой шаг. Цена одного шага неизменна и обусловлена особенностями конструкции шагового двигателя. Шаговый двигатель является механическим задатчиком своеобразной гидравлической копировальной системы (с жесткой обратной связью), выполняющей функции усиления крутящего момента. Таким образом, шаговые перемещения электрического шагового двигателя воспроизводятся с усилением на общем силовом выходе привода.

    Конструктивно шаговый двигатель и копировальная  система усиления крутящего момента  составляет единый агрегат, что схематично показано на рисунке. 

    Шаговый двигатель 1 через пару шестерен поворачивает следящий золотник 2 гидравлического усилителя мощности в гайке, связанной с выходным валом гидромотора 5, в силу чего золотник смещается в осевом направлении из нейтрального исходного положения. При этом во внешних магистралях гидравлического усилителя возникает перепад давления, приложенный к плунжерам гидромотора через неподвижный распределительный узел 4, а выходной вал гидромотора приходит во вращение. Одновременно вращается и гайка винтового механизма обратной связи 3, так что следящему золотнику сообщается осевое перемещение в направлении, противоположном задаваемому шаговым двигателем.

    Таким образом, по мере отработки на выходном валу заданного шаговым двигателем перемещения следящий золотник возвращается в исходное положение. В этом исходном положении перепад давления во внешних магистралях гидравлического усилителя равен нулю, а выходной вал гидромотора неподвижен. Направление смещения следящего золотника из нейтрали зависит от направления вращения шагового двигателя; для разных направлений серпообразная проточка торцового распределительного узла соединена в одном случае с давлением, в другом со сливом, чем и достигается реверс гидромотора.