Системы программного управления станками: история и этапы развития

Первые элементарные системы программного управления станками (ПУ), позволившие автоматизировать только процесс непосредственной обработки, были механические копировальные системы (рис. 1). В качестве программоносителя, который несет на себе данные для управления, здесь применяется неподвижно установленный копир 5.

При перемещении продольного суппорта 2 (см. рис. 1) с продольной подачей Sпр щуп 4, закрепленный, как и резец, на поперечном суппорте 3, скользит по поверхности копира 5. В результате происходит поперечная подача Sпоп суппорта 3 и обработка заготовки 1 аналогично профилю копира. Как видно из рисунка, копир в механических копировальных системах выполняет две функции: управления перемещением поперечного суппорта и его рабочей подачи. Последнее является большим недостатком, так как копир воспринимает силу резания и в результате повышается его износ и снижается точность обработки заготовки. Поэтому копир приходится делать часто стальным и для снижения износа проводить его термообработку. В результате данная система программного управления станком имеем высокую трудоемкость при изготовлении копиров, особенно со сложным профилем.

Рис. 1. Схема и принцип работы механической копировальной системы

Также, недостатком копировальной системы управления является необходимость после каждого цикла обработки делать так называемый отскок щупа от копира, отводить обратно копир или суппорт в исходное положение и там опять подводить щуп к поверхности копира. Это перемещение является дополнительным холостым ходом и снижает производительность обработки. Управляют эти системы работой только одного режущего инструмента, что снижает технологические возможности станка.

Преимуществом копировальных систем является быстрая переналадка станка на изготовление другой детали путем установки другого копира, это говорит о высокой мобильности. Однако здесь необходимо не забывать, что новый копир надо спроектировать и изготовить заранее. Обычно это делается параллельно с работой станка. Чтобы исключить недостатки, связанные с необходимостью возвратно поступательного перемещения копира, и получить возможность управлять несколькими рабочими органами станка, были разработаны и получили широкое применение кулачковые системы ПУ, где программоносителями являются кулачки.

Для работы данной системы программного управления станками, было предложено обернуть плоский копир на барабан (цилиндр) и поставить его на вал (рис. 2, α). В этом случае барабанный кулачок 3, поворачиваясь на валу через башмак 2, перемещает суппорт 1. Сделав один оборот, кулачок сразу готов для выполнения следующего цикла. Барабанные кулачки получились не очень удобными из-за их больших осевых размеров, поэтому были разработаны и получили более широкое применение дисковые кулачки (рис. 2, б). Кулачок 1 через качающийся толкатель 2, зубчатый сектор 3 и рейку перемещает суппорт 4. Обратный ход обеспечивается пружиной 5.

Рис. 2. Схемы кулачковых механизмов и принцип работы кулачковых систем программного управления: α и б - соответственно кулачковые механизмы с цилиндрическим (барабанным) кулачком и с дисковым кулачком и качающимся толкателем

Несколько кулачков, как барабанных, так и дисковых, в соответствии с разработанной циклограммой работы автомата устанавливаются на одном валу, который называется распределительным. Количество кулачков, например, в сборочных автоматах может быть более 10 штук. В результате имеется возможность последовательно и одновременно управлять работой нескольких рабочих органов станка, что расширяет его технологические возможности и повышает производительность.

Кулачковые системы программного управления станком получили широкое применение для автоматизации самого разнообразного технологического оборудования в разных отраслях промышленности. Для механической обработки резанием до сих пор эффективно применяются автоматы продольного точения, токарно револьверные автоматы, многошпиндельные полуавтоматы и автоматы и др. Автоматы с этими системами ПУ достаточно просты и надежны, имеют низкую стоимость.

Недостатком кулачковых систем программного управления является большая трудоемкость проектирования и изготовления кулачков и необходимость их последующей установки и наладки на автомате. Последнее производится непосредственно на автомате, который длительное время простаивает. Кулачки в этих системах, как и копир в механических копировальных системах, воспринимают силы резания, что требует их соответствующего изготовления и учета этого при эксплуатации автомата.

Особенно эффективно полуавтоматы и автоматы с кулачковыми системами программного управления станком применяются в массовом и крупносерийном производстве, где их переналадка производится очень редко. На базе этих станков были построены автоматические линии и даже цеха.

В самом начале ХХ в., когда был предложен и разработан принцип работы следящей системы станка, в станкостроении были разработаны и получили широкое применение следящие копировальные системы программного управления токарными и фрезерными станками (рис. 3). В отличие от механических копировальных систем программного управления (см. рис. 1) копир 8 в этих системах выполняет только функцию управления. Функцию рабочей подачи режущего инструмента выполняет специальный силовой следящий привод 3, который может быть электрическим и гидравлическим. Это позволило значительно упростить изготовление копира даже для управления обработкой сложных объемных деталей. Копир 8 и заготовка 1 в показанной на рис. 3 схеме установлены на рабочем столе 9, имеющем постоянную задающую подачу Sзад. На рисунке показано согласованное положение щупа 7 и фрезы со шпиндельной бабкой 2. При перемещении стола на величину Δl щуп 7, скользя по поверхности копира 8, поднимается вверх относительно копировальной головки 6 на величину Δh.

Рис. 3. Принцип работы следящей копировальной системы фрезерного станка

В результате в ней возникает сигнал рассогласования 4, который подается на силовой следящий привод 3. Он начинает перемещать шпиндельную бабку 2 с фрезой, обеспечивая рабочую подачу Sсл. Вместе со шпиндельной бабкой перемещается и копировальная головка 6, связанная со шпиндельной бабкой жесткой механической обратной связью 5. Как только копировальная головка установится в первоначальное согласованное положение со щупом 7, сигнал рассогласования становится равным нулю и электродвигатель 3 останавливается. При последующем перемещении стола еще на величину Δl цикл работы повторяется. То есть фреза, хотя и с небольшим отставанием, определяемым чувствительностью системы программного управления станка, следует за перемещением щупа.

Следящие копировальные системы программного управления станком, благодаря указанным преимуществам, были до появления систем ЧПУ наиболее мобильными. На их основе строились токарно копировальные и копировально фрезерные станки, широко применяемые в машиностроении. Однако после разработки систем ЧПУ выпуск станков со следящими копировальными системами практически прекратился из-за указанных выше недостатков. Учитывая большую трудоемкость изготовления кулачков и необходимость их наладки непосредственно на автомате, была сделана попытка разработать системы программного управления станком, в которых программоноситель состоит из двух частей. Размерная информация в этих системах задается путевыми упорами 1, устанавливаемыми в пазах специальной линейки 2, закрепленной на каждом рабочем органе станка 3 (рис. 4, α). Упоры определяют начало и конец холостого и рабочего ходов, воздействуя на конечные выключатели, собранные в блоке 4. Технологическая информация, такая как, направление вращения шпинделя, подача СОЖ, частоты вращения шпинделя, величины рабочих подач и др., задается на второй части программоносителя в виде пульта с переключателями или штекерами (рис. 4, б). В гнезда каждой вертикальной колонки 3 устанавливаются штекеры 4, определяющие необходимую информацию одного технологического перехода, а каждая горизонтальная строка 2 соответствует конкретной функции управления. В процессе работы станка шаговый искатель 1 последовательно подключает вертикальные колонки с информацией для отдельного технологического перехода.

Первоначально эти системы программного управления станком назывались системами управления упорами. В настоящее время они называются системами циклового программного управления (ЦПУ).

Преимущество циклового программного управления станками по сравнению с другими в том, что не надо для каждой детали изготавливать новые кулачки и копиры. Здесь нужно переставить те же упоры в новое положение на линейках. А чтобы этого не делать непосредственно на станке, линейки с упорами делают съемными и их настройка делается заранее вне станка. Установка новой технологической информации на пульте управления производится достаточно быстро.

Недостатком системы является то, что управление рабочими органами производится только в начальной и конечной точках, а в промежутке рабочие органы не управляются. В результате обработку заготовок на станках используя системы циклового программного управления можно производить только по прямоугольному циклу перемещений.

Это снижает технологические возможности данных станков. Кроме того, это обстоятельство может в ряде случаев приводить к колебаниям времени рабочего цикла и ограничениям в части совмещения выполнения рабочих и холостых ходов рабочих органов станка, что снижает производительность обработки. До появления станков с ЧПУ этими системами оснащались токарные, фрезерные и ряд других станков. В настоящее время подобные системы программного управления станками устанавливаются в основном на агрегатные станки и на автоматических линиях из агрегатных станков.
 

Рис. 4. Принцип работы системы циклового программного управления: α - линейка с путевыми упорами; б - панель для установки штекеров