Числовое программное управление
(сокр. ЧПУ; англ. computer numerical
control, сокр. CNC — компьютерное
числовое управление) — область
техники, связанная с применением
цифровых вычислительных устройств для управления производственными
процессами[1].
Оборудование с ЧПУ может быть
представлено:
станочным парком, например,
- станками (станки, оборудованные числовым программным
управлением, называются станками
с ЧПУ) для обработки металлов
(например, фрезерные или токарные токарные), дерева, пластмасс;
- приводами асинхронных
электродвигателей, использующих
векторное управление;
- характерной системой управления
современными промышленными
роботами;
- Периферийные устройства,
например: 3D-принтер, 3D-сканер.
История
Сменяемые программы, нанесённые
на перфокарты с помощью двоичного
кода, использовались уже в
жаккардовом ткацком станке,
созданном в 1804 году. На
перфокартах были закодированы два
возможных положения
исполнительного механизма —
опуская или поднимая челнок, можно
было программировать простые
одноцветные узоры.
В XIX веке были разработаны
механические исполнительные
устройства на основе кулачкового
механизма, похожие на используемые
в механическом пианино. Хотя они
позволяли плавно варьировать
параметры движения
обрабатывающих инструментов,
процесс создания алгоритма
обработки и требовал создания
полноразмерных моделей детали.
Изобретателем первого станка с
электронным числовым управлением
(англ. Numerical Control, NC) является
Джон Пэрсонс (John T. Parsons),
работавший инженером в компании
своего отца Parsons Inc., выпускавшей
в конце Второй мировой войны
пропеллеры для вертолётов. Он
впервые предложил использовать
для обработки пропеллеров станок,
работающий по программе, вводимой
с перфокарт. В качестве привода
впервые использовались шаговые
искатели.
В 1949 году ВВС США
профинансировал Parsons Inc.
разработку станка для контурного
фрезерования сложных по форме
деталей авиационной техники. Однако
компания не смогла самостоятельно
выполнить работы и обратилась за
помощью в лабораторию
сервомеханики Массачусетского
технологического института (MIT).
Сотрудничество Parsons Inc. с MIT
продолжалось до 1950 года. В том
году MIT приобрел компанию по
производству фрезерных станков
Hydro-Tel и отказался от
сотрудничества с Parsons Inc.,
заключив самостоятельный контракт
с ВВС на создание фрезерного станка
с программным управлением.
В сентябре 1952 года станок был
впервые продемонстрирован
публике — про него была напечатана
статья в журнале Scientific American.
Станок управлялся с помощью
перфоленты.
Первый станок с ЧПУ отличался
особой сложностью и не мог быть
использован в производственных
условиях. Первое серийное
устройство ЧПУ было создано
компанией Bendix Corp. в 1954 году и
со следующего года стало
устанавливаться на станки. Широкое
внедрение станков с ЧПУ шло
медленно. Предприниматели снедоверием относились к новой
технике. Министерство обороны США
вынуждено было на свои средства
изготовить 120 станков с ЧПУ, чтобы
передать их в аренду частным
компаниям.
Первыми советскими станками с ЧПУ
промышленного применения
являются токарно-винторезный
станок 1К62ПУ и токарно-
карусельный 1541П. Эти станки были
созданы в первой половине 1960-х
годов. Станки работали совместно с
управляющими системами типа
ПРС-3К и другими. Затем были
разработаны вертикально-фрезерныестанки с ЧПУ 6Н13 с системой
управления «Контур-ЗП». В
последующие годы для токарных
станков наибольшее распространение
получили системы ЧПУ советского/
российского производства 2Р22 и
«Электроника НЦ-31».. Базовыми
системами ЧПУ в СССР были НЦ-31 и
2Р22 (токарная группа) и 2С42 и 2Р32
(фрезерная группа).
Серийный выпуск собственных
образцов промышленного
оборудования с ЧПУ был освоен в
Болгарии[2]
.
Числовое программное управление
также характерно для системуправления современными
промышленными роботами.
Аббревиатура «ЧПУ» соответствует
двум англоязычным — NC и CNC, —
отражающим эволюцию развития
систем управления оборудованием.
1. Системы типа NC (англ. Numerical
control), появившиеся первыми,
предусматривали использование
жестко заданных схем
управления обработкой —
например, задание программы с
помощью штекеров или
переключателей, хранение
программ на внешних носителях.
Каких-либо устройствоперативного хранения данных,
управляющих процессоров не
предусматривалось.
2. Более современные системы
ЧПУ, называемые CNC
(англ. Computer numerical
control), — системы управления,
позволяющие использовать для
модификации существующих/
написания новых программ
программные средства. Базой
для построения CNC служат
современный (микро)контроллер
или (микро)процессор:
1. микроконтроллер,
2. контроллер с
программируемой
логикой,
3. управляющий компьютер
на базе микропроцессора.
Возможна реализация модели с
централизованным
автоматизированным рабочим
местом (например, ABB Robot Studio,
Microsoft Robotics Developer Studio) с
последующей загрузкой программы
посредством передачи по
промышленной сети.
Крупнейшими производителями
станков с числовым программным
управлением по состоянию на 2013год являются Германия (14 млрд
долл), Япония (13 млрд долл), Китай (8
млрд долл). Крупнейшими
потребителями станков являются:
Китай (11 млрд долл), США (8 млрд
долл), Германия (7 млрд долл)[3].
Аппаратное обеспечение
Структурно в состав ЧПУ входят:
пульт оператора (или консоль
ввода-вывода), позволяющий вводить управляющую программу,
задавать режимы работы;
выполнить операцию вручную. Как
правило, внутри шкафа пульта
современной компактной ЧПУ
размещаются её остальные части;
дисплей (или операторская
панель) — для визуального
контроля режимов работы и
редактируемой управляющей
программы/данных; может быть
реализован в виде отдельного
устройства для дистанционного
управления оборудованием;
контроллер — вычислительное
устройство, решающее задачи
формирования траекториидвижения режущего инструмента,
технологических команд
управления устройствами
автоматики станка, общим
управлением, редактирования
управляющих программ,
диагностики и вспомогательных
расчетов (траектории движения
режущего инструмента, режимов
резания);
ПЗУ — память, предназначенная
для долговременного хранения
(годы и десятки лет) системных
программ и констант; информация
из ПЗУ может только считываться;
ОЗУ — память, предназначенная
для временного хранения
управляющих программ и
системных программ,
используемых в данный момент.
В роли контроллера выступает
промышленный контроллер, как то:
микропроцессор, на котором
построена встраиваемая система;
программируемый логический
контроллер либо более сложное
устройство управления —
промышленный компьютер.
Важной характеристикой CNC-
контроллера является количество
осей (каналов), которые он способен синхронизировать (управлять) — для
этого требуется высокая
производительность и
соответствующее программное
обеспечение.
В качестве исполнительных
механизмов используются
сервоприводы, шаговые двигатели.
Для передачи данных между
исполнительным механизмом и
системой управления станком обычно
используется промышленная сеть
(например, CAN, Profibus, Industrial
Ethernet).
Крупнейшие производители систем
ЧПУ (по данным на 2009 год)[4]:
Fagor Automation — 8037, 8055, 8060,
8065, 8070;
FANUC — 0i-MD, 0i-TD, 0i-PD, 0i MateMD, 0i Mate-TD, 30i-MODEL B;
Fidia — nC 12R, nC 15, C10, C20, C40;
HAAS;
Heidenhain — TNC 128, TNC 320, TNC
620, TNC 640, MANUALpus 620, CNC
PILOT 640;
Mitsubishi Electric — C70, M70V,
M700V;
Rexroth Bosch Group — IndraMotion
MTX micro, IndraMotion MTX standard, IndraMotion MTX
performance, IndraMotion MTX
advanced;
Siemens — Sinumerik 802D, 808D,
810D, 828D, 840D.
Программное обеспечение
После того как составлена
управляющая программа, оператор
при помощи программатора вводит её
в контроллер. Команды управляющей
программы размещаются в ОЗУ. В
процессе создания или после ввода
управляющей программы оператор (в
данном аспекте выполняющий
функцию программиста) может
отредактировать её, включив в работу
системную программу редактора и
выводя на дисплей всю или нужные
части управляющей программы и
внося в них требуемые изменения.
При работе в режиме изготовления
детали управляющая программа кадр
за кадром поступает на выполнение. В
соответствии с командами
управляющей программы контроллер
вызывает из ПЗУ соответствующие
системные подпрограммы, которые
заставляют работать подключенные к
ЧПУ оборудование в требуемом
режиме — результаты работы
контроллера в виде электрических
сигналов поступают на
исполнительное устройство —приводы подач, либо на устройства
управления автоматикой станка.
Управляющая система считывает
инструкции специализированного
языка программирования (например,
G-кода) программы, который затем
интерпретатором системы ЧПУ
переводится из входного языка в
команды управления главным
приводом, приводами подач,
контроллерами управления узлов
станка (например, включить/
выключить подачу охлаждающей
эмульсии).
Разработка управляющих программ в
настоящее время выполняется сиспользованием специальных
модулей для систем
автоматизированного
проектирования (САПР) или
отдельных систем
автоматизированного
программирования (CAM), которые по
электронной модели генерируют
программу обработки.
Для определения необходимой
траектории движения рабочего
органа в целом (инструмента/
заготовки) в соответствии с
управляющей программой
используется интерполятор,
рассчитывающий положениепромежуточных точек траектории по
заданным в программе конечным.
В системе управления, кроме самой
программы, присутствуют данные
других форматов и назначения. Как
минимум, это машинные данные и
данные пользователя, специфически
привязанные к конкретной системе
управления либо к определённой
серии (линейке) однотипных моделей
систем управления.
Программа для станка
(оборудования) с ЧПУ может быть
загружена с внешних носителей,
например, магнитной ленты,
перфорированной бумажной ленты(перфоленты), дискеты или флеш-
накопителей в собственную память
либо временно, до выключения
питания — в оперативную память,
либо постоянно — в ПЗУ, карту памяти
или другой накопитель: жёсткий диск
или твердотельный накопитель.
Помимо этого, современное
оборудование подключается к
централизованным системам
управления посредством заводских
(цеховых) сетей связи.
Наиболее распространенный язык
программирования ЧПУ для
металлорежущего оборудования
описан документом ISO 6983
Международного комитета по
стандартам и называется «G-код». В
отдельных случаях — например,
системы управления
гравировальными станками — язык
управления принципиально
отличается от стандарта. Для простых
задач, например, раскроя плоских
заготовок, система ЧПУ в качестве
входной информации может
использовать текстовый файл в
формате обмена данными —
например, DXF или HPGL.
<iframe src="https://yoomoney.ru/quickpay/fundraise/button?billNumber=13DB7TDTFBR.240616&" width="330" height="50" frameborder="0" allowtransparency="true" scrolling="no"></iframe>
