Станки, оснащенные УЧПУ классов NC и SNC, в настоящее время еще доста­точно распространены. УЧПУ этих клас­сов — наиболее простые системы управ­ления с ограниченным числом информа­ционных каналов. В составе этих систем отсутствует оперативная ЭВМ, и весь поток информации обычно замыкается на уровне 3-го ранга. Внешним призна­ком УЧПУ классов NC и SNC является способ считывания и отработки УП.

Системы класса NC. В системах клас­са NC принято покадровое чтение перфо­ленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки.

Системы класса NC работают в сле­дующем режиме. После включения стан­ка и УЧПУ читаются первый и второй кадры программы. Как только заканчи­вается их чтение, станок начинает вы­полнять команды первого кадра. В это время информация второго кадра про­граммы находится в запоминающем устройстве УЧПУ. После выполнения первого кадра станок начинает отраба­тывать второй кадр, который для этого выводится из запоминающего устройст­ва. В процессе отработки станком второго кадра система читает третий кадр про­граммы, который вводится в освобо­дившееся от информации второго кадра запоминающее устройство, и т. д.

Основным недостатком рассмотрен­ного режима работы является то, что для обработки каждой следующей заго­товки из партии системе ЧПУ приходится вновь читать все кадры перфоленты, в процессе такого чтения нередко воз­никают сбои из-за недостаточно надеж­ной работы считывающих устройств УЧПУ. В результате отдельные детали из партии могут оказаться бракован­ными. Повышенная вероятность сбоев в системах класса NC объясняется также очень большим числом кадров перфо­ленты, поскольку для работы таких систем в программе должно быть записа­но каждое элементарное действие станка. Кроме того, при таком режиме работы перфолента быстро изнашивается и за­грязняется, что еще более увеличивает вероятность сбоев при чтении. Наконец, если в кадре записаны действия, которые станок выполняет очень быстро, то УЧПУ за это время может не успеть прочитать следующий кадр, что также ведет к сбоям.

'Первые контурные УЧПУ класса NC для упрощения, удешевления и увеличе­ния надежности выполняли с вводом де­кодированной программы, записанной на магнитной ленте [38], которая являлась промежуточным программоносителем. В зависимости от типа привода подачи де­кодированную программу представляли или последовательностью импульсов (унитарного кода), или фазомодулиро - ванным сигналом. Программа для стан­ков с магнитной ленты записывалась в

Рис. 2.14. Схема управления станком с силовым шаговым двигателем

© © ©

I J 1

Фольга

Два этапа. Сначала подготовленную уп­равляющую программу записывали на перфоленту и далее с перфоленты вводи­ли в интерполятор, размещенный отдель­но от станка. В интерполяторе числовая форма программы преобразовывалась в унитарный код и в виде последователь­ности импульсов (или фазомодулирован - ного сигнала) записывалась на магнит­ную ленту. Последняя являлась програм­мой для станка, имеющего соответствую­щее считывающее устройство. Редакти­рование УП приводило к ее изменению на исходной перфоленте и повторной записи (перезаписи) на магнитную ленту.

На программах с магнитной лентой работают ряд станков с ЧПУ первых выпусков. Все они, как правило, построены на шаговых двигателях (ШД) и имеют два исполнения: с силовым ШД и с несиловым ШД (шаговым преобразо­вателем). В последних поворот ШД слу­жит задающим сигналом для гидравличе­ского или электрического следящего при - , вода.

Особенностью шаговых СЧПУ явля­ется то, что они работают, как правило, по разомкнутой схеме управления.

Упрощенная схема управления стан­ком с силовым ШД показана на рис. 2.14.

УЧПУ станком работает от магнитной ленты. Оно позволяет одновременно уп­равлять станком по трем координатам (X, У, Z) и формирует в соответствии с программой три технологические команды. Программоносителем является девятидо- рожечная магнитная лента, на которой записана декодированная информация в импульсах. Система преобразует эту информацию в электрические импульсы и распределяет по обмоткам шаговых дви­гателей (основная функция), а также воздействует на электромагнитные муф­ты, электромагниты и пр. (дополнитель­ные функции). Система может работать в двух режимах: автоматическом (от программоносителя) и ручном (от орга­нов управления, расположенных на пуль­те) .

В автоматическом режиме для счи­тывания информации с магнитной ленты используется магнитное считывающее устройство, в котором с помощью магнит­ной головки, состоящей из девяти кату­шек, программа обработки детали за­дается определенной последовательностью электрических импульсов.. Информация для перемещения по одной координате считывается с двух дорожек (прямой и обратный ход). На девяти дорожках
магнитной ленты программа распреде­ляется следующим образом: дорожки 1 и 2 — координата Х дорожки 3 и 4 — координата У; дорожки 5 и 6 — коорди­ната Z; дорожки 7 и 8 — технологические команды (ТК1 и ТК2); дорожка 9 — сигнал «конец программы» (технологи­ческая команда ТКЗ). Счет дорожек ве­дут сверху вниз. Начало каждой про­граммы маркируют полоской из мягкой алюминиевой фольги, которую наклеи­вают на тыльную сторону ленты. Марки считываются фотодатчиком ФД, который формирует сигнал «начало программы». Электрические сигналы с катушек маг­нитной головки поступают на девять уси­лителей считывания УС1—УС9, усили­ваются и направляются в блоки электрон­ных коммутаторов БЭК и блок техноло­гических команд ВТК-

В блоках электронного коммутатора происходит формирование импульсов в прямоугольные, вырабатывается признак направления перемещения (прямой и обратный ход). Последовательно посту­пающие импульсы распределяются по трем фазам шеститактной схемы комму­тации.

С выхода электронного коммутатора импульсы поступают для усиления на усилители мощности УМ и далее на об­мотки шагового двигателя.

Информация о соответствующих тех­нологических командах (в виде импуль­сов) поступает в блок технологических команд, где преобразуется в постоянные напряжения, включающие электромаг­нитные реле, контактами которых замы­каются цепи исполнительных элементов технологических команд (ИЭТК). Пер­вая и вторая технологические команды (ТК1, ТК2) предназначены для использо­вания на станке. Третья технологическая команда (ТКЗ — «конец программы») поступает в блок автоматического управ­ления БАУ.

Блок автоматического управления предназначен для автоматического уп­равления лентопротяжным механизмом магнитного считывающего устройства, он также содержит генератор ручного управления ГРУ для работы системы в ручном режиме.

Блок регулирования БР предназначен для изменения скорости протяжки маг­нитной ленты, а следовательно, частоты вращения шаговых двигателей.

В ручном режиме работы от генера­тора ручного управления ГРУ импульсы с различной частотой следований (по заданию с переключателей, расположен­ных на пульте управления) или одиноч­ные импульсы поступают на вход выбран­ного блока электронного коммутатора БЭК• Далее информация преобразуется так же, как при автоматическом режиме работы.

В станке вращательное движение выходного вала шагового двигателя (ШДХ, ШДу, ШД7) через редуктор Р пе­редается на рабочий орган РО с помощью безлюфтовых механических передач с вы­соким КПД. Элементарное перемещение рабочего органа, т. е. цена одного им­пульса, составляет 0,01—0,05 мм.

Рассмотренная схема сравнительно проста. Недостатком ее является низкое быстродействие (приемистость ШД обыч­но не более 0,6—1 кГц) '. Низкая при­емистость не позволяет развивать боль­шие скорости (при цене импульса 0,01 мм максимальная скорость 10 мм/с).

Шаговые системы программного уп­равления с силовым ШД удобно приме­нять для автоматизации процессов, протекающих с невысокими скоростями и умеренными требованиями по точности. В отечественной промышленности они нашли применение в электроэрозионных станках, в некоторых конструкциях коор­динатографов, для управления ленто­протяжными механизмами, а также в программных командоаппаратах галь­ванических автоматов.

Для шаговых систем программного управления с несиловым ШД (рис. 2.15) программа, записанная на перфоленте /, поступает в выносной интерполятор 2, где она перезаписывается на магнитную ленту 4 в виде последовательности им­пульсов (в унитарном коде).

Частота введенных импульсов опре­деляет скорость движения рабочего орга­на. Вводя по каждой координате станка перемещения импульсами в количествах

1 Освоен выпуск силовых шаговых двигателей с увеличенной степенью быстродействия, имею­щих приемистость не менее 16 кГц.

	Лл
	—•»

И с частотой, пропорциональными тре­буемым размерам и скоростям перемеще­ний, можно заставить инструмент и заго­товку непрерывно перемещаться по траектории, необходимой для обработки детали. При импульсном вводе числовой программы задача привода сводится к восприятию электрического импульса и отработке его с усилием, необходимым для перемещения рабочего органа стан­ка. В УЧПУ станка м, агнитная лента перемещается лентопротяжным механиз­мом 3 относительно магнитной считываю­щей головки 5. Формирование импульсов и разделение их по полярности осущест­вляется в фазочувствительном выпрями­теле 6, с выхода которого импульсы по­ступают в коммутатор 7. Там они рас­пределяются по трем фазам и, усилив­шись в усилителях мощности 8, попадают на обмотки статора шагового двигате­ля 9. Угол поворота выходного вала ШД пропорционален количеству импульсов, а скорость поворота — частоте следования импульсов. В системе шаговый двигатель выполняет функции управляющего эле­мента гидроприводом, имеющего золот­ник 10, гидроусилитель 12 и элемент обратной связи 11. Поворот вала ШД приводит в действие гидросистему. Вал гидроусилителя через редуктор 13 связан с ходовым винтом рабочего органа 14. В системе большему повороту золотни­ка 10 соответствуют большие частоты вращения выходного вала гидроусили­теля.

ФСУ

Z | Аналогично X

В рассмотренной системе сочетание маломощного быстродействующего ШД с гидроусилителем момента позволяет получить приемистость до 2—8 кГц. В этих СПУ шаговый привод выполняет функцию преобразователя дискретной информации в поворот вала, а гидро­усилитель момента (за счет линии обратной связи) осуществляет слежение за механическим движением вала ШД.

Преобразование дискретной инфор­мации — сложная задача, так как сопро­вождается мгновенными девиациями час­тот, поступающих на вход шагового при­вода. Не менее важной задачей в разомк­нутой системе является передача им­пульсных сигналов. Эти задачи можно ре­шить предельно возможным расшире­нием диапазона рабочих частот и умень­шением дискретности шаговопщривода. Для этого применяют шагов^£;'-;фвигате - ли с большим числом фаз (До;'пяти), блоки управления с многоконтактными электронными коммутаторами и значи­тельным формированием электромагнит­ных переходных процессов.

В качестве силовых следящих приво­дов в шаговых СПУ с несиловым ШД можно применять электрические и гид­равлические следящие приводы.

Рис. 2.15. Принципиальная схема шаговой СПУ С гидроусилителем момента

9 Ю

11 12

U о о Or

Шаговые СПУ с несиловым ШД на­шли применение в пультах управления ПРС-2-60, ПРС-4А, «Контур 2П-67», «Контур ЗП-68», «Контур 4П-68», УМС-2, УМС-402. Эти системы использовались для управления фрезерными и токарными
станками, газорезательными, сварочны­ми автоматами и другим технологиче­ским оборудованием.

В СЧПУ с магнитной лентой возмож­но представление УП в аналоговом виде. В таком станке (рис. 2.16) УП пред­ставлена магнитными дорожками на магнитной ленте, причем степень на­магниченности поля ленты вдоль дорож­ки изменяется по синусоидальному зако­ну. Фреза 1 установлена на ползуне 2, Имеющем поперечное перемещение (по оси У) "от привода Му. Заготовка 10 Закрепляется на с-толе 11, продольное пе­ремещение которого (по оси X) обеспе­чивается приводом Мх. Станок имеет систему наладки фрезы по оси Z (ось Z перпендикулярна к плоскости XWY).

Для программы перемещений по осям X и У предназначены независимые до­рожки РСУ и РСХ магнитной ленты, запи­сываемые параллельно с центральной (опорной) дорожкой, на которую нано­сится так называемый опорный сигнал ОС. Этот сигнал наносится в процессе записи программы путем подачи на го­ловку непрерывного синусоидального электрического сигнала с определенной частотой coo, например 250 Гц. Числовая форма программы (перемещения по осям X и У, выраженные числом импульсов в единицу времени) при записи рабочих дорожек преобразуется в сдвиг фаз сиг­нала этих дорожек относительно опорно­го сигнала на величины <ру и ср*. При этом одному импульсу соответствует сдвиг фазы рабочей дорожки на опреде­ленный угол. Для записи программы на магнитную ленту служит специальный импульсно-фазовый преобразователь, находящийся в выносном записывающем устройстве.

11 10 ' Рис. 2.16. Схема управления фрезерным станком фазовой СЧПУ

При работе станка (рис. 2.16) магнит­ная лента 9 (с нанесенной программой) протягивается механизмом 8 с постоян­ной скоростью (например, 50 мм/с). Многоканальная магнитная головка МГС Считывает сигналы на каждой дорожке ленты по линии А—А (рис. 2.17). Опор­ные ОС и рабочие РСХ и РСУ сигналы, считанные с магнитной ленты, выдаются головкой в виде сигналов переменного тока частотой 250 Гц и напряжением 5—10 мВ. Эти сигналы усиливаются

В усилителях УСо, УСХ и УСу (см. рис. 2.16). Сигналы с УСХ и УСу посту­пают в фазовые дискриминаторы соответ­ственно ФДХ и ФДУ, а сигнал с УС0 — во вращающиеся трансформаторы ВТХ и ВТУ на роторные обмотки.

Рассмотрим работу привода подач ППу поперечной координаты Y при рав­ных частотах рабочего РСУ и опорного ОС сигналов (шрс =ш0) и разности фаз сигналов на рабочей и опорной дорож­ках магнитной ленты. Опорный сигнал ОС от магнитной головки считывания МГС, пройдя усилитель УСо, поступает в фазовый дискриминатор ФДУ не непо­средственно, как рабочий сигнал РСУ, А через вращающийся трансформатор ВТ у. Последний представляет собой дат­чик положения, электрический угол а' которого на выходе изменяется пропор­ционально углу а поворота его вала. Если на обмотки статора вращающегося трансформатора подавать синусоидаль­ное напряжение с частотой и о при нуле­вом угле разворота ротора (а = 0), то на обмотках ротора будет трансформиро­ваться напряжение той же частоты без фазового сдвига. При повороте ротора вращающегося трансформатора на угол а выходное напряжение будет сдвигаться на равный этому повороту электрический угол а'. Вал вращающегося трансформа­тора соединяется с валом силового дви­гателя Му (непосредственно или через зубчатую передачу). При нулевом поло­жении вала вращающегося трансформа­тора ВТУ опорный сигнал без изменений поступает по каналу 7 в фазовый дискри­минатор ФДу, на выходе которого фор­мируется управляющий сигнал Еу посто­янного тока, величина которого пропор­циональна разности фаз ц>у между опор­ным и рабочим сигналами переменного тока, а знак определяется знаком сдвига фазы. Увеличенный в усилителе мощ­ности УМу управляющий сигнал ЕумV поступает в приводной двигатель My.

Усилитель мощности управляет коли­чеством энергии, поступающей в двига­тель. При изменении управляющего сиг­нала Еу на входе усилителя мощности от нуля до максимума изменяется частота вращения Qy двигателя и, следовательно, скорость подачи. Для идеализированного привода

®« = КуМуЕу>

Где /СуМ — коэффициент усиления при­вода.

В рассматриваемом случае на выходе усилителя мощности УМу образуется ко­личество энергии, пропорциональное ве­личине сигнала Еу, а значит, разности фаз <ру между рабочим и опорным сигна­лами на магнитной ленте, причем знак его соответствует знаку ц>у. Вследствие этого вал двигателя Му начинает вра­щаться и посредством шестеренной пере­дачи 6, 5, винта 4 и гайки 3 ползун 2 И фреза 1 начнут перемещаться вниз. В процессе движения поворачивается вал вращающегося трансформатора ВТУ, В связи с чем в канал 7 поступает сигнал обратной связи по положению, равный опорному сигналу ОС, сдвинутому на угол а'. Замкнутый контур, состоящий из фазового дискриминатора ФДу (уст­ройство, сравнивающее управляющий сигнал с сигналом обратной связи, т. е. заданное перемещение с фактически отработанным), усилителя мощности УМу, двигателя Му, приводящего рабочий орган в движение, вращающегося транс­форматора ВТу (датчик обратной связи по положению, преобразующий переме­щения рабочего органа в сигналы того же вида, что и управляющий сигнал) и линии обратной связи 7, образует следящий по положению привод подачи. По мере увеличения угла а'у и приближения его к величине ц>у будут уменьшаться управ­ляющий сигнал Еу на выходе фазового дискриминатора, а значит, и мощность на выходе усилителя мощности УМу. В итоге наступит момент, когда величины ц>у и а'у сравняются настолько, что мощность, подводимая к двигателю, станет недостаточной для вращения дви­гателя Му и поперечная подача прекра­тится. Таким образом, путь, который пройдет ползун, будет пропорционален сдвигу фаз фу между рабочим и опорным сигналами.

Как видно из схемы, на входы фазово­го дискриминатора каждой координаты перемещения подаются рабочий сигнал ЕРС и сигнал обратной связи Е0.Св (индек­сы координат опущены):

EpC=Vmaxsin ((W + ф);

£о. св= Ј/maxCOS ((Й0<+ <*'),

Где ф — фазовый угол, соответствующий заданному перемещению SBX, Ф = = (2n/^)SBX; ^Ф—угловое перемещение рабочего органа, соответствующее изме­нению фазы датчика обратной связи.

Полагая а' = а, т. е. электрический угол а' на выходе вращающегося транс­форматора равным механическому углу а поворота ротора этого трансформатора, получаем

А' = (2л/<ф) SBblx.

Тогда

£рс = /Сф. д(ф —а') = K(SBX — S вых),

Где Кф. д — коэффициент усиления фазо­вого дискриминатора.

Таким образом, величина сигнала на выходе фазового дискриминатора про­порциональна ошибке между заданным программой SBX и фактически отработан­ным 5ВЫх перемещениями рабочего органа координаты станка.

При программировании на магнитной ленте рабочий сигнал можно записать и таким образом, чтобы непрерывно изменялся сдвиг фаз ф между рабочим и опорным сигналами при протягивании магнитной ленты относительно магнитной головки считывания, например путем из­менения частоты рабочего сигнала от шо до шpQ. Сдвиг фаз между рабочим и опорным сигналами будет изменяться во времени пропорционально разности этих частот, т. е. (coPC—шо)T, В результа­те вал двигателя будет вращаться, а рабочий орган станка перемещаться со скоростью, пропорциональной разности указанных частот, причем направление перемещения определится знаком раз­ности частот рабочего и опорного сиг­налов.

Аналогично работает и привод подач ППХ продольного перемещения.

Таким образом, фазовая СЧПУ стан­ка представляет собой комплекс следя­щих приводов с дополнительными уст­ройствами, необходимыми для протяги­вания магнитной ленты, считывания с нее сигналов и их усиления, конструктивно оформленными в виде пульта программ­ного управления.

Переход к микросхемам с ма­лой и средней степенью инте­грации снизил стоимость УЧПУ с ин­терполятором. Это позволило исключить промежуточный программоноситель (маг­нитную ленту) из системы управления станками, расширить состав технологи­ческих команд, включая коррекцию раз­меров, положения и траектории инстру­мента.

Развитие систем класса NC привело к созданию УЧПУ с целым рядом допол­нительных режимов. Эти УЧПУ, структу­ра которых предполагает наличие доста­точно большого числа информационных каналов (табл. 2.1, третье поколение), обеспечивают диагностику ошибок ввода программы, определяют сбои устройства, реализуют режимы автоматического и покадрового ввода программы, поиски кадра, ручное управление, автоматиче­скую установку системы в исходное по­ложение и др. Программа может быть задана как в абсолютных размерах, так и в приращениях. В УЧПУ третьего поколения наряду с увеличением ско­рости перемещения для контурных и уни­версальных устройств введен режим резьбонарезания, расширены технологи­ческие команды, кодируемые в коде ИСО-7 бит. Устройства с расширенными функциями имеют выход на канал связи с ЭВМ верхнего уровня,.систему визуаль­ного отображения информации. В настоя­щее время все станки с УЧПУ класса NC выпускаются с встроенным интер­полятором и работают непосредственно

От перфоленты, однако выпуск таких станков резко сокращен.

Системы класса SNC. Эти системы сохраняют все свойства систем класса NC, но отличаются от них увеличенным объемом памяти.

Системы класса SNC, позволяют прочитать все кадры программы и раз­местить информацию в запоминающем устройстве большой емкости. Перфолен­та читается только один раз перед обработкой всей партии одинаковых де­талей и поэтому мало изнашивается. Все заготовки обрабатываются по сигна­лам из запоминающего устройства, что резко уменьшает вероятность сбоев, а следовательно, и брак деталей. Системы SNC позволяют осуществлять однократный ввод управляющих про­грамм при длине перфоленты от 40 до 310 м.

Особенности систем классов NC и SNC. Системы классов NC и SNC отно­сятся к устройствам с постоянной струк­турой, имеющим схемную реализацию алгоритмов работы [53]. Устройства этих классов выпускаются с начала освоения ЧПУ для различных групп станков и относятся к первому, второму и третьему поколениям УЧПУ (табл. 2.1). К УЧПУ классов NC (SNC) относятся устройства типов «Контур 2ПТ», Н22 — для токар­ных станков; «Контур ЗП», НЗЗ, Н55 — для фрезерных; «Размер 2М», Г132 — для координатно-расточных; П111М, П111—для шлифовальных; «Контур 2П-67» — для электроэрозионных и др.

Кодированная программа вводится на перфоленте. Кроме того, отдельные команды могут быть введены с пульта управления УЧПУ или с панели управле­ния станком (рис. 2.18). Информация с перфоленты через блоки ввода и деко­дирования поступает в память. (Для станков с УЧПУ класса SNC в память с перфоленты записывается вся програм­ма) . При работе станка в автоматическом режиме команды программы, обработан­ные интерполятором, через блоки управ­ления поступают к приводам Дх, Ду, Дг, Дш и др. Скорость приводов регулируется по данным системы обратной связи, например по сигналам тахогенератора (Тгх, Тгу, Тг2, Тгш и др.), а перемещения (для приводов подач) — по данным путе­вых датчиков перемещения ПД.