Классификация станков с программным управлением

Курсовой  проект

по дисциплине «Управление станками и станочными комплексами»

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Введение
2. Классификация станков с программным управлением
3. Задание на проект
4. Принципиальная схема системы программного управления
5. Описание принципа работы
1. перфолента и кодирование информации
2. описание фотосчитывающего устройства
3. блок запоминания информации
4. принцип работы интерполятора
5. принцип работы приводов подач
6. устройство и принцип работы привода главного движения
7. определение износа инструмента
8. алгоритм автоматической смены инструмента
9. резцедержателя станка с ЧПУ
10. устройство смены инструмента
6. Анализ выбираемой конструкции
7. Список литературы

     1. Введение.

    В настоящее время важным направлением научно-технического прогресса является комплексная автоматизация, включающая в себя: переход от автоматизации станков, агрегатов, установок к автоматизации работы линий, участков, цехов и заводов в целом; создание автоматизированных систем управления предприятием и целыми отраслями; расширение применения промышленных роботов и гибких автоматизированных производственных систем.

    В свое время применение станков с  ЧПУ позволило получить значительный экономический эффект и высвободить  большое число универсального оборудования. Эффективность станков с ЧПУ  характеризуется ростом производительности; числом заменяемых универсальных станков; сокращением сроков подготовки производства и технологической оснастки; уменьшением брака; обеспечение взаимозаменяемости деталей; сокращением или полной ликвидацией разметочных и слесарно-подгоночных работ; внедрением с начала запуска нового изделия  расчетно-технических норм и обеспечением тем самым существенного уменьшения трудоемкости и повышения производительности труда.

    Важным  аспектом эффективности использования  станков с ЧПУ явились значительное уменьшение доли тяжелого ручного труда рабочих, сокращение потребности в квалифицированных станочников-универсалах, изменение состава работников металлообрабатывающих цехов. В этой связи можно выделить следующие основные направления научной организации труда при внедрении станков и другого оборудования с ЧПУ: привлечение инженеров к непосредственному процессу изготовления деталей; организация многостаночного обслуживания; комплексная автоматизация  изготовления деталей при мелко- и среднесерийном характере производства с осуществлением управления работой в цехе от ЭВМ.

    На  основе создания управляемых от ЭВМ  автоматизированных производственных систем из станков с ЧПУ и транспорта решается проблема обеспечения круглосуточного  использования оборудования. При этом открываются возможности обеспечения работы производственного персонала, подготавливающего работу производственной системы, главным образом в первую, наиболее продуктивную смену; во вторую и третью смены работает малочисленный штат дежурных.

    Применение  станков с ЧПУ практически  во всех отраслях машиностроения стало  одним из главных направлений  в области автоматизации обработки  металлов резанием.

     2. Классификация станков с программным управлением

    В зависимости от метода задания программы станки с программным управлением можно разделить на две основные группы: станки с числовым программным управлением и станки с программированием цикла и режимов обработки.

    Станки  с числовым программным  управлением (ЧПУ) отличаются  от всех других систем управления тем, что программа работы станка задается в виде отвлеченных чисел и записывается на программоноситель в кодированном виде.

    Программоносителями могут служить перфоленты и магнитные  ленты. Указанная система программного управления дает возможность программировать все необходимые элементы работы станка, включая формообразование или выход исполнительного органа станка в заданное положение.

    Системы числового программного управления могут быть контурные и позиционные. Контурные системы числового  программного управления применяются в станках, предназначенных для обработки деталей сложной геометрической формы. Они определяют траекторию режущего инструмента, необходимую для получения детали заданной формы. Станки, оснащенные контурными системами, различаются по количеству программируемых координат, определяющих возможность станка.

    Станки  с контурными системами программного управления целесообразно применять  при обработке деталей сложной  формы, которые раньше обрабатывались на копировальных станках. В этом случае исключается необходимость изготовления сложных копиров, повышают точность обработки детали и производительность станка за счет подбора рациональных режимов обработки.

    Позиционные системы числового программного управления применяют в станках, где требуется выход инструмента в заданное положение, в основном для станков сверлильно-расточной группы. Применение этих станков дает возможность сократить необходимую оснастку, повысить производительность обработки, а также использовать рабочих более низкой квалификации.

    Одной из разновидностей позиционных систем является система программного управления прямоугольными перемещениями, применяемая  для различных станков, на которых  обрабатываются детали прямоугольной  формы. К таким станкам относятся  токарные станки для обработки ступенчатых валов, фрезерные станки для обработки деталей прямоугольной формы и др.

    Применение  позиционных систем программного управления дает возможность автоматизировать обработку деталей, поступающих  небольшими партиями.

    В станках с программированием цикла и режимов обработки при помощи различных программоносителей (штекерных панелей и перфолент) программируются только цикловые команды (цикл работы станка, смена режимов обработки, смена инструмента и др.). Геометрические формы изделия и размеры обработки в этих станках задаются при помощи переналаживаемых упоров, воздействующих на путевые выключатели или копиры.

    По  степени автоматизации эти станки, в свою очередь, можно подразделить на две группы: 1) с полной автоматизацией цикла обработки; 2) с программированием режимов обработки.

    Оснащение станков системой программирования цикла и режимов обработки  с полной автоматизацией цикла дает возможность обрабатывать определенную группу деталей в полуавтоматическом цикле. Переналадка такого типа с  одного вида обработки на другой заключается в смене программоносителя и перестановке упоров для копиров, определяющих размеры и формы детали.

    Оснащение станков системой программирования режимов обработки дает возможность  автоматизировать только выбор режимов  резания на станке и тем самым сократить потребное вспомогательное время обработки детали.

    Для обозначения степени автоматизации  к шифру модели станка добавляют  букву A с цифрами: Ф1 – станки с цифровой индексацией и преднабором координат; Ф2 – станки с позиционными и прямолинейными системами; Ф3 – станки с контурными системами; Ф4 – станки с универсальной системой для позиционной и контурной обработок.

     3. Задание на проект

    Состояние инструмента в патроне регламентируется током главного привода. По наступлению критического показателя износа происходит замена инструмента. Построить систему управления с учетом  возможной задержки в револьверной головке. Максимальная величина износа выбирается по стандартам для данного типа резцов. Построить  чертежи устройства смены и подвода инструмента, с применением логических устройств построить необходимые логические и арифметические устройства. Выполнить алгоритм работы и принципиальную схему всей системы управления.

     4. Принципиальная  схема системы  программного управления

    Основной  особенностью станков с ЧПУ является наличие в них         системы программного управления –  СПУ, состоящей из двух основных устройств: устройства числового программного управления УЧПУ, конструктивно оформляемого в виде отдельного шкафа или пульта, и исполнительных устройств с приводами и датчиками обратной связи, размещаемыми на станке. Ниже приведены блоки УЧПУ. 

УВИ (устройство ввода информации) – последовательно, строка за строкой, в пределах одного кадра считывает информацию, нанесенную на бумажную перфоленту (обычно восьмидорожковую). Для этой цели чаще всего применяют  фотоэлектрические считывающие устройства, быстро протягивающие перфоленту перед блоком фотоэлементов, количество которых равно восьми, т.е. максимальному количеству отверстий в строке.

    БЗИ (блок запоминания считанной с перфоленты информации), необходимый из-за того, что информация с перфоленты считывается последовательно, в то время, как используется параллельно, т.е. вся сразу, одновременно, в пределах одного кадра. Помимо запоминания входной информации в этом блоке осуществляется ее контроль и формирование соответствующего сигнала при обнаружении ошибки в перфоленте.

    Время считывания информации с перфоленты в пределах одного кадра (при обычной скорости считывания 200 – 300 строк в секунду) составляет 0,1 – 0,2 с и более, в зависимости от количества строк в кадре.

    БИ  (блок интерполяции) формирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе точками. В подавляющем числе случаев используют линейную и круговую интерполяцию.

    Входная информация на блок интерполяции поступает  с запоминающего блока. Выходная информация интерполятора обычно представлена в импульсной форме, т.е. в виде последовательности импульсов по каждой координате, частота которых определяет скорость подачи, а общее количество – пройденный путь по данной координате. При работе интерполятора с весьма высокой точностью обеспечивается заданное мгновенное отношение частот импульсов по двум или более координатам, изменяемое по соответствующему закону, что необходимо для получения заданной траектории движения инструмента. Результирующее движение подачи вдоль траектории обычно обеспечивается со значительно меньшей точностью, лишь бы она удовлетворяла условиям резания. Погрешность задания скорости подачи   3 – 5 %  считается вполне допустимой.

    БУПП  (блок управления приводами подач) служит для преобразования информации, получаемой с выхода интерполятора, в форму, пригодную для управления приводами подач. При поступлении каждого импульса управляемый объект  перемещается на определенную величину, называемую ценой импульса, которая обычно равна 0,01 – 0,02мм.

    ПУиИ (пульт управления и индикации) служат для связи человека-оператора с СПУ. С помощью этого пульта производится пуск системы и ее останов, переключение режимов работы с автоматического на ручной и т.д., а также коррекция скорости подачи и размеров инструмента по всем или некоторым координатам. На этом пульте находится световая сигнализация и цифровая индикация, показывающие оператору состояние системы.

    Сигнализация  обычно указывает «наезд» на концевые выключатели, наличие ошибок в программе, конец программы. Цифровая индикация  в первую очередь показывает номер  отрабатываемого кадра, затем величину перемещения по одной из выбранных оператором координат, а также номер инструмента, которым обрабатывают деталь в данный момент.

    БТК (блок технологических команд) служит для управления цикловой автоматикой станка, включающей поиск и смену инструмента, зажим – разжим координат станка, различные блокировки, обеспечивающие сохранность станка. Цикловая автоматика станка состоит в основном из основных элементов типа пускателей, электромагнитных муфт, соленоидов и т.п. электромагнитных механизмов и дискретных элементов обратной связи типа концевых и путевых выключателей, реле тока, реле давления и других элементов, сигнализирующих о состоянии исполнительных органов.

    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.