WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Б. В. ШАНДРОВ, А. Д. ЧУДАКОВ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ УЧЕБНИК Доп\/ш,ено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для ...»

-- [ Страница 3 ] --

• вспомогательные движения механизмов станков. К каждому из этих видов исполнительных приводов предъяв­ ляются свои технические требования. Классификационная схема различных исполнительных меха­ низмов, применяемых в станкостроении в качестве приводов, приведена на рис. 3.7. Для построения систем автоматизации технологического обо­ рудования, прежде всего металлорежущих станков, необходимо создание и использование высокоэффективных электрических исполнительных приводов (электрических сервоприводов). По типу базового исполнительного двигателя электрические приводы могут быть подразделены на приводы с двигателями по­ стоянного тока, с синхронными (вентильными) двигателями пе­ ременного тока, с асинхронными двигателями и с импульсными шаговыми двигателями. По способу выполнения силового преобразователя различают тиристорные электроприводы на основе управляемых вентилей, и транзисторные (транзисторно-тиристорные). По возможности изменения направления вращения различают электродвигатели реверсивные и нереверсивные. В настоящее время в станкостроении применяется, основном, автоматизированный электропривод, т.е. привод с автоматическим регулированием параметров движения: • регулируемый электропривод, отрабатывающий задание по скорости вращения;

• следящий электропривод, отрабатывающий перемещение ис­ полнительного органа в соответствии с произвольно изменя­ ющимся задающим сигналом;

Приводы в станкостроении Координатные приводы подач Дискретные Силовые Т Т ТД Задающие Т Т ТД Непрерывные 1 | Главного движения С постоянным моментом С постоянной мощностью Вспомогательных движений Нерегулируемые Электрические 1 Электро­ пневматические 1 Пневматические Гидравлические L Регулируемые Электрические Гидравлические Рис. 3.7. Классификация приводов в станкостроении • позиционный электропривод, обеспечивающий отработку за­ данного положения исполнительного органа технологического оборудования;

• адаптивный электропривод, автоматически подбирающий структуру или параметры системы регулирования при изменении условий работы. Координатные приводы подач. Эти приводы бывают двух видов: дискретные (шаговые) и следящие. В свою очередь, приводы по­ дач дискретного типа подразделяются на приводы с силовым ша­ говым двигателем, соединенным с исполнительным механизмом непосредственно через соответствующую кинематическую цепь, и на приводы с управляющим шаговым двигателем, играющим роль задатчика угла поворота для усилителя крутящего момента, выполненного в виде автономной следящей системы, обычно гид­ равлической. Область применения следящего привода подач осо­ бенно расширилась после создания высокомоментных электро­ двигателей с постоянными магнитами. Для управления скоростью вращения таких двигателей применяют тиристорные преобразо ватели. Использование реверсивных тиристорных преобразовате­ лей, построенных по многофазной мостовой схеме, позволяет реализовывать реверсивные приводы подач с высокими динами­ ческими качествами. К координатным приводам подач предъявляются следующие требования: • высокая точность перемещения;

• независимость точности перемещения от того, на каком уча­ стке полного перемещения осуществляется заданное движение;

• возможность регулирования скорости движения в достаточно широком диапазоне;

• возможность реверсирования (направления движения с об­ ратным знаком);

• независимость скорости и точности перемещения от нагрузки на исполнительный привод. Приводы главного движения. К приводам главного движения станка предъявляются требования, которые частично совпадают с требованиями, предъявляемыми к приводам координатных по­ дач, а в некоторых отношениях являются в корне иными. От при­ водов главного движения станка требуется: • обеспечение высокой точности поддержания заданной скоро­ сти, а не величины углового или поступательного перемещения;

• возможность регулирования скорости движения в достаточно широком диапазоне;

• возможность реверсирования (направления движения с об­ ратным знаком);

• независимость или незначительная зависимость скорости дви­ жения от нагрузки на исполнительный привод. В приводах главного движения станков применяют преимуще­ ственно регулируемые электроприводы с двигателем постоянного тока (обычно, с тиристорным преобразователем). При этом мощ­ ность привода главного движения изменяется в зависимости от числа оборотов шпинделя. Статистические исследования загрузки станков показывают, что от нижней границы оборотов примерно до середины диапазона регулирования зависимость потребляемой мощности от числа оборотов шпинделя близка к прямой пропор­ циональной зависимости, и, следовательно, в нижнем полудиа­ пазоне регулирование привода следует производить при постоян­ ном моменте. Затем потребляемая мощность растет и вблизи вер­ хнего предела диапазона регулирования достигает своего макси­ мума. Затем при наибольших числах оборотов потребляемая мощ­ ность несколько снижается (это соответствует чистовой обработ­ ке или же резанию легкообработываемых материалов типа алю­ миния). На этом участке (верхней половине диапазона регулиро­ вания) привод можно регулировать при постоянной максималь­ ной мощности.

Такое регулирование принято называть двухзонным. Профессивным решением в создании электромеханизмов глав­ ного движения считается создание устройств типа мотор —шпин­ дель или мотор—редуктор. Устройство типа мотор —шпиндель по­ лучается путем встройки статора и ротора электродвигателя в шпиндельный узел. Устройство типа мотор —редуктор получается путем пристройки планетарного редуктора к электродвигателю. Устройства этих типов в настоящее время применяются в приво­ дах главного движения токарных станков средних размеров, в токарно-карусельных станках и др. Приводы вспомогательных механизмов. К вспомогательным фун­ кциям современных станков относятся реверсирование и останов шпинделя, в том числе и в заданном положении, переключение поддиапазонов частоты вращения приводов главного движения, а также величины подачи, поиск и смена инструмента, коррекция и фиксация его положения, установка рабочих органов в исход­ ное положение, позиционирование заготовки, зажим и освобож­ дение заготовки, фиксация и высвобождение подвижных узлов станка, включение и выключение систем смазки, охлаждения, удаления стружки и др. Для выполнения этих функций в конст­ рукции станка должны предусматриваться специальные вспомо­ гательные механизмы, имеющие свои сервоприводы. Сервопри­ воды вспомогательных механизмов могут иметь как постоянную, так и регулируемую скорость. Регулируемые сервоприводы вспо­ могательных механизмов применяются для выполнения точных делительных и (или) установочных перемещений. К приводам вспомогательных механизмов предъявляются сле­ дующие требования: • высокие динамические качества, прежде всего высокое быст­ родействие;

• большие рабочие усилия;

• высокая кратность пускового момента (усилия) по отноше­ нию к номинальному;

• способность достаточно просто сочетаться с разнообразными по конструктивному исполнению механизмами. В наибольшей степени этим требованиям отвечают гидравли­ ческие и пневматические исполнительные сервоприводы. Рассмотрим семейство механических характеристик двигателя при различных нагрузках (см. рис. 3.2, б). Все кривые этого се­ мейства можно считать прямыми линиями с отрицательным на­ клоном, исходящими из одной точки. Это значит, что, во-пер­ вых, когда двигатель не развивает никакого полезного момента (Л/= 0), его обороты являются максимальными, а, во-вторых это означает, что при преодолении некоторого нагрузочного момента при прочих равных условиях (например, в случае электродвигате­ ля при неизменности подаваемого на него напряжения) обороты данного двигателя будут снижаться. Как говорят, двигатель «про­ седает» под нагрузкой. Характеристику, когда двигатель сильно снижает свои оборо­ ты под нагрузкой, принято называть мягкой. Характеристику, когда двигатель незначительно снижает свои обороты под нагрузкой, принято называть жесткой. Естественно, что для производственных задач, когда нагрузка на двигатель может изменяться самым непредсказуемым образом, желательно использовать двигатели с жесткой характеристикой. Будет ли характеристика того или иного двигателя мягкой или жесткой, зависит от конструктивных параметров данного двига­ теля. Однако схемным путем благодаря соответствующему вклю­ чению и использованию отрицательной обратной связи можно, не меняя конструкции данного электродвигателя (это в большин­ стве случаев покупное изделие), сделать его механическую харак­ теристику жесткой. Для малых станков и технологического оборудования с малы­ ми нагрузками, например для электроэрозионных станков, доста­ точно широко применяются синхронные ШД. Использование ШД в более нагруженных цепях обычно сопро­ вождалось применением следящей системы, усиливающей крутя­ щий момент на ее входе. ШД в таком случае выполнял роль задатчика угла поворота входного вала этой системы. Однако в после­ днее время появились силовые ШД, способные развивать значи­ тельный вращающий момент. В результате наблюдается тенденция к отказу от использования следящих систем, выполняющих функ­ ции усилителей вращающего момента (большей частью — гидрав­ лических), и к расширению непосредственного использования ШД в кинематических цепях. Так, в последнее время непосредственно на ШД строятся регулируемые цепи подач у средних токарных и фрезерных станков. Кроме регулируемых двигателей постоянного тока и шаговых двигателей в качестве исполнительных устройств широко приме­ няются и другие разновидности электрических двигателей. К ним в первую очередь относятся асинхронные электродвигатели пере­ менного тока. Эти двигатели бывают однофазные, двухфазные и трехфазные, с короткозамкнутым ротором, полым ферромагнит­ ным ротором и полым немагнитным ротором. В системах автома­ тики для отработки соответствующим образом преобразованной информации чаще всего в качестве исполнительных устройств используются асинхронные двухфазные электродвигатели пере­ менного тока с полым немагнитным ротором. Они обладают ма­ лым моментом инерции ротора, отсутствием скользящих токоподводов (щеток), что уменьшает момент трения и возникнове­ ние электромагнитных помех, способны к регулированию и ре­ версированию вращения, обеспечивают пропорциональность ско рости вращения напряжению питания, характеризуются стабиль­ ностью при существенном изменении температуры окружающей среды, а также рядом других положительных свойств. Помимо различных электродвигателей в качестве исполнитель­ ных устройств для систем автоматизации производственных про­ цессов в машиностроении используются и другие электромагнит­ ные устройства. Эти устройства базируются на тяговых электромагнитах, на использовании управляемых электромагнитами автоматических муфт трения или использовании порошковых электромагнитных муфт. С помощью таких устройств строятся различные электроуправляемые гидравлические и пневматические клапаны, а также электроуправляемые муфты, используемые в кинематических це­ пях.

3.9. Сопутствующие электроприводам электроаппараты систем автоматизации технологического оборудования Электроприводы, применяемые для целей автоматизации, пред­ ставляют собой сложные функционально, конструктивно и экс­ плуатационно законченные устройства, допускающие их работу в длительном, кратковременном и повторно-кратковременном ре­ жимах, а также в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками и электрическим торможением. Как правило, электроприводы, помимо базового электродви­ гателя, включают в себя следующие компоненты: • общий корпус;

• общий выключатель;

• блок питания с необходимыми принадлежностями;

• блоки регулирования (в требуемом количестве);

• силовой трансформатор;

• коммутационная аппаратура;

• сглаживающие устройства и фильтры;

• автоматические внутренние выключатели;

• усилители;

• устройства обеспечения безопасности;

• предохранители. В настоящее время благодаря развитию электронной техники, позволяющей эффективно управлять нелинейными характери­ стиками различных электродвигателей, и появлению новых маг­ нитных материалов, в частности на основе кобальта, а также на основе железа, бора и некоторых редкоземельных элементов, со­ здается техническая возможность перехода от электропривода, ра ботающего по схеме мотор—редуктор к электроприводу прямого (непосредственного) действия. Подобные электроприводы прямого действия должны удовлет­ ворять следующим требованиям: • обладать устойчивой низкой частотой вращения и при этой частоте обеспечивать высокие значения вращающего момента;

• обладать встроенным в приводной электродвигатель датчиком углового положения, причем указанный датчик должен обладать высокой разрешающей способностью;

• торможение используемых в таких приводах электродвигате­ лей должно осуществляться с высоким значением тормозного момента. Для построения электроприводов прямого действия необходи­ мы специальные подшипнию! качения, обладающие высокой то­ чностью и большой жесткостью. Такие электроприводы также тре­ буют применения специальных регуляторов, так как при отсут­ ствии механического редуктора, способного осуществлять демп­ фирование и сглаживание, базовый электродвигатель оказывает­ ся более чувствительным к колебаниям нагрузки. Такой электро­ привод оказывается более чувствительным и к колебаниям инер­ ционных масс, поскольку в приводе прямого действия приведен­ ный момент инерции ротора электродвигателя оказывается одно­ го порядка с моментом инерции приводимого механизма. Примером специального бесконтактного электропривода пря­ мого действия для узлов промышленных роботов может служить разработанный сравнительно недавно сверхвысокомоментный бескорпусный электродвигатель. Этот электродвигатель имеет тон­ кий кольцевой ротор, расположенный между внешним и внут­ ренним статорами, имеющими одинаково расположенные зубцы. Последовательное возбуждение магнитного потока, проходящего через зубцы статора, и создает вращающий момент этого элект­ родвигателя. Помимо электроприводов, реализуемых на базе электродвига­ телей традиционных или новых типов, для целей автоматизации производственных процессов применяется и другая электроаппа­ ратура. К ней относятся: 1) командная аппаратура: • кнопочные выключатели (переключатели);

• путевые выключатели (переключатели);

• переключатели пакетно-кулачковые с использованием синх­ ронного или стартстопного приводов;

• тумблеры и переключатели с ручным управлением;

• контактные и бесконтактные логические элементы;

• электромагнитные реле;

• реле времени;

2) исполнительная аппаратура: • электромагнитные контакторы и пускатели;

• электромагниты и соленоиды;

3) аппаратура защиты: • автоматические выключатели;

• предохранители;

• токовые реле;

4) аппаратура управления: • трансформаторы для питания цепей управления;

• светосигнальная аппаратура, светофоры;

• электрические соединители (коннекторы). Рассмотрим названные разновидности электрических аппара­ тов. Кнопочный выключатель {переключатель) — это коммутацион ный аппарат, предназначенный для многократного включения и отключения электрических цепей в результате воздействия опера­ тора. Кнопочные выключатели и переключатели подразделяются на нажимные, поворотные и педальные. Они могут быть с самовозв­ ратом и без самовозврата, с защелкой или блокировкой, высту­ пающие и утопленные, одно- двух- и многополюсные. Органы управления кнопочными выключателями и переклю­ чателями могут быть цилиндрическими, прямоугольными (кла­ вишными), грибовидными, а также выполненными в виде руко­ ятки. В них могут быть встроены органы подсветки, запитываемые от соответствующего трансформатора или не нуждающиеся в нем. Органы управления некоторыми кнопочными выключателями и переключателями в случае необходимости могут выполняться с ключом. Путевые выключатели {переключатели) подобно кнопкам так­ же многократно выполняют в электрических цепях коммутацион­ ные функции, но не под непосредственным воздействием опера­ тора, а под воздействием подвижного рабочего органа, например силовой головки агрегатного станка. По характеру работы контактного механизма контактные путе­ вые выключатели подразделяются на три группы: • прямого действия, когда время переключения контактов за­ висит от положения и скорости перемещения привода данного подвижного органа;

• полумгновенного действия, когда время переключения кон­ тактов практически не зависит от скорости перемещения привода данного подвижного органа, а контактное нажатие зависит от положения привода данного подвижного органа;

• мгновенного действия, когда время переключения контактов и контактное нажатие не зависят от положения привода данного подвижного органа. Путевые выютючатели отличаются большим разнообразием уст­ ройств, обеспечивающих их нажатие под воздействием подвиж­ ного органа. Это могут быть различные толкатели и рычаги с ро­ ликом или без него и т. п. В схемах автоматизации применяются также путевые выключатели на базе блоков микровыключателей. Бесконтактные путевые выключатели также осуществляют ком­ мутацию тех или иных электрических цепей под воздействием подвижных рабочих органов, но, в отличие от контактных путе­ вых выключателей, у них отсутствует механическая связь между этим подвижным элементом и коммутируемыми цепями. Чувстви­ тельный элемент таких путевых выключателей бывает, обычно, индуктивного или емкостного типа. Частота коммутации у совре­ менных бесконтактных путевых выключателей достигает 1 000 Гц. Что касается электромагнитных контактных реле, то следует учесть, что они подразделяются по способу включения катушки на шунтовые реле, реле напряжения и токовые реле. В схемах автома­ тизации станков наибольшее распространение получили именно шунтовые реле. Широкое применение в схемах автоматизации станков полу­ чили герметизированные реле с магнитоуправляемыми контак­ тами, герконы. Контактное реле типа геркона представляет собой герметизированную (запаянную) стеклянную ампулу с находя­ щимся внутри нее перекидным контактом. Этот контакт сраба­ тывает без механического воздействия на него благодаря изме­ нению конфигурации внешнего магнитного поля (например, в результате перемещения надетого на ампулу магнитного колеч­ ка). Реле типа геркона обладает большой безотказностью и долговечностью. Большой и важный класс электрической аппаратуры составля­ ют реле времени. Реле времени — это аппараты, предназначенные для коммута­ ции электрических цепей с определенными заданными проме­ жутками времени, которые могут быть как регулируемыми, так и нерегулируемыми. По характеру этих заданных промежутков вре­ мени все реле времени можно подразделить на реле времени с задержками на срабатывание и реле времени с задержками на от­ пускание. Реле времени по принципу реализации этих задержек времени подразделяются на пневматические (с регулированием времени истечения сжатого воздуха), моторные (на базе синхронных элек­ тродвигателей) и электронные. Подобные реле времени могут быть одно-, двух- и трехцепными в зависимости от числа электриче­ ских цепей, для которых независимо задаются задержки времени, а также однокомандными, программными или циклическими, кон­ тактными или бесконтактными, с точным и неточным заданием времени задержки, различным числом диапазонов задаваемой вре мени задержки, управляемыми включением либо отключением управляющей сети или же специальной командой. Соответствующая классификация реле времени приведена на рис. 3.8. Электромагнитные контакторы и пускатели, применяемые в системах автоматизации, являются различными вариантами уже рассмотренных устройств. Также различными вариантами уже рассмотренных устройств являются и электромагниты. Автоматические выключатели, применяемые в электрических схемах автоматизации, предназначены для отключения тока при нормальных условиях работы, а также для автоматического ава­ рийного отключения тока при коротком замыкании или пере­ грузке. При нормальной работе электрических схем автоматиза­ ции подобные автоматические выключатели находятся в режиме ожидания. В большинстве автоматических выключателей устрой­ ство, осуществляющее аварийное отключение, реагирует на один из трех случаев: ток превышает заданное значение, ток оказыва­ ется ниже заданного значения, контролируемое напряжение па­ дает до нуля. В электрических цепях управления используются однополюс­ ные автоматические выключатели, а в трехфазных цепях пере Реле времени Пневматические Одноцепные Моторные Электронные Двухцепные Многоцепные Однокомандные [ Программные Циклические I Контактные 1 Бесконтактные Точные Однодиапазонные Неточные Многодиапазонные Рис. 3.8. Классификация реле времени менного тока используются трехфазные автоматические выклю­ чатели. Для автоматического отключения защищаемой электрической цепи в случае перегрузок или короткого замыкания применяются также плавкие предохранители. Однако они являются электриче­ скими аппаратами одноразового действия. Защита электрических цепей от перегрузок недопустимой дли­ тельности обычно обеспечивается различного рода тепловыми реле. Для целей автоматизации применяются однофазные и трех­ фазные трансформаторы. Они используются для питания номи­ нальным напряжением цепей управления, местного освещения и сигнализации, а также цепей электродинамического торможения электроприводов. При этом напряжение на первичной обмотке таких трансформаторов составляет обычно 220, 380 или 660 В пе­ ременного тока, что соответствует фазным напряжениям завод­ ской электросети. Светосигнальная аппаратура предназначена для индикации состояния тех или иных производственных параметров, а также для аварийной и предупреждающей световой сигнализации. Све­ тосигнальная аппаратура бывает различного установочного диа­ метра и формы. Она может обладать разным свечением — крас­ ным, синим, желтым, зеленым и белым. Подобная аппаратура может различаться также по характеру используемого источника света, которым могут быть лампы накаливания, газосветные лам­ пы, светодиоды и другие. Разновидностями светосигнальной аппаратуры являются све­ тофоры и световые табло. Обычно промышленный светофор име­ ет четыре светосигнальных секции различного цвета. Световым табло обычно называют светосигнальное поле, собранное из мно­ гих элементов. Блоки зажимов и электрических соединителей предназначены как для соединения, так и для разветвления проводов в цепях управления и силовых цепях. При разработке электрических систем автоматизации произ­ водственных процессов в машиностроении следует предусматри­ вать специальные меры электробезопасности. Так, каждый шкаф системы автоматизации должен снабжать­ ся общим вводным выключателем обязательно ручного действия. Рукоятка этого вводного выключателя должна устанавливаться в легкодоступном месте и обязательно снаружи шкафа проектируе­ мой системы автоматизации. Дверцы кожухов проектируемых систем автоматизации долж­ ны снабжаться необходимыми блокировками, делающими в слу­ чае необходимости невозможным подвод напряжения к создавае­ мым системам. Эти блокировки должны иметь возможность от­ ключения. Критерием, определяющим надежность заземления или зануления потребителей энергии, является величина электрического сопротивления между металлическими корпусами создаваемой системы и тем узлом, к которому подсоединяется внешняя цепь защитного заземления. Считается, что это сопротивление должно быть порядка 0,1 Ом. Для индикации состояния отдельных узлов, агрегатов, состо­ ящих из этих узлов, и всей автоматизированной производствен­ ной системы в целом следует использовать светосигнальную ап­ паратуру. При использовании для подключения такой аппаратуры к объектам длинных линий следует запитывать эту аппаратуру от специальных трансформаторов. Управление такой светосигналь­ ной аппаратурой может осуществляться либо прямым замыкани­ ем и размыканием контактов в цепях сигнализаторов, либо замы­ канием и размыканием контактов, шунтирующих добавочные со­ противления, включенные последовательно с данными сигнали­ заторами, либо (в случае осуществления режима «мерцания») путем подключения и отключения соответствующего релаксаци­ онного генератора. В последнее время для последовательного проведения прин­ ципа модульности при построении систем автоматизации во все возрастающих масштабах применяются мехатронные узлы. Мехатронный узел представляет собой электромеханическое устрой­ ство, включающее в себя встроенный электродвигатель с элект­ ромагнитной или электромеханической редукцией, встроенные датчики механических и электрических величин, микроэлект­ ронное устройство управления движением этого устройства, а также другие электронные, оптоэлектронные, электромехани­ ческие и механические компоненты, обеспечивающие функци­ ональную, конструктивную и эксплуатационную законченность данного устройства. Использование мехатронных узлов позволяет: • существенно упростить структуру создаваемой системы авто­ матизации;

• значительно снизить трудоемкость ее создания;

• повысить качество создаваемой системы автоматизации, в том числе ее безотказности и долговечности.

3.10. Устройства гидросистем автоматизации, сопутствующие гидроприводам В технологическом оборудовании механической обработки, в частности в металлорежущих станках, наряду с электропривода­ ми широко применяются различного рода гидроприводы. с точки зрения рабочего давления различают гидроприводы низкого давления (до 1,6 МПа), среднего давления (1,6,..6,3 МПа) и высокого давления (6,3...20 МПа). Г и д р о п р и в о д ы н и з к о г о д а в л е н и я применяются обычно для автоматизации станков, предназначенных для финиш­ ной обработки. В таких станках колебания нагрузки, как и сама нагрузка, незначительны. Требуется также обеспечение низкой пульсации рабочего давления. Г и д р о п р и в о д ы с р е д н е г о д а в л е н и я применяются, главным образом, для автоматизации такого технологического обо­ рудования, где питание осуш.ествляется от традиционных лопаст­ ных или шестеренных насосов. Г и д р о п р и в о д ы в ы с о к о г о д а в л е н и я применяются в мощных протяжных и строгальных станках, а также для автомати­ зации заготовительных производств. В станкостроении и в системах автоматизации производствен­ ных процессов в машиностроении наибольшее применение нахо­ дят гидроприводы с разомкнутой циркуляцией, когда рабочая жид­ кость из бака подается насосом в гидросистему, а затем из гидро­ системы снова поступает в этот же бак. При замкнутой гидроси­ стеме масло, отработав в гидросистеме, поступает непосредственно во всасывающую линию подающего насоса. По решаемым задачам управления различают ц и к л о в ы е, следящие, адаптивные и программные гидросис­ т е м ы. Цикловые гидросистемы, в свою очередь, подразделяются на гидросистемы с управлением по пути, давлению или времени. При управлении по пути («в функции пути») управляющие сиг­ налы, поступающие на те или иные гидравлические аппараты, образуются в результате перемещения подвижного рабочего орга­ на на заданное расстояние. При управлении по давлению («в фун­ кции давления») управляющие сигналы, поступающие на те или иные гидравлические аппараты, образуются в результате дости­ жения давлением рабочей жидкости в той или иной контролиру­ емой точке заданной величины (предельно большой, предельно малой или нулевой). При управлении по времени («в функции времени») управляющие сигналы, поступающие на те или иные гидравлические аппараты, образуются по истечении заданного про­ межутка времени. Все гидроаппараты, используемые для построения гидросистем в технологическом оборудовании машиностроения, можно клас­ сифицировать, как показано на рис. 3.9. Для гидронасосов и гидродвигателей характерны взаимная об­ ратимость. В зависимости от того, какая величина — расход рабо­ чей жидкости или вращение вала — является входом, а какая — выходом^ одно и то же гидравлическое устройство может служить и гидродвигателем, и гидронасосом. Гидравлические устройства Гидронасосы (гидро­ двигатели) X Направ­ ляющие аппараты Регули­ рующие аппараты Аналоговая сервотехника Цифровая сервотехника Пластин­ чатые Распреде­ лители Клапаны давления Дроссели­ рующая Механи­ ческие приводы Шестерен­ ные Краны Клапаны расхода С пропор­ циональным электро­ управлением Электри­ ческие приводы Поршневые Обратные клапаны Дроссели С пропор­ циональным И Регулятор расхода управлением Ч Гидрозамки Регуляторы расхода Механотроника Предохра­ нительный клапан Регуляторы ц Гидравли­ давления ческие оси Рис. 3.9. Классификация гидроаппаратуры, применяемой для автомати­ зации Представленные на классификационной схеме (см. рис. 3.9) пластинчатые гидронасосы (гидродвигатели) можно классифици­ ровать на регулируемые и нерегулируемые, шестеренные — насо­ сы наружного зубчатого зацепления и насосы внутреннего зубча­ того зацепления, а поршневые — на радиально-поршневые насо­ сы и аксиально-поршневые насосы (в зависимости от того, как конструктивно располагаются рабочие цилиндры с поршнями: перпендикулярно оси враш,ения или вдоль нее). Гидрораспределители, применяемые для переработки инфор­ мации в целях ее дальнейшего использования для управления при­ водами в системах автоматизации, изменяют направление потока рабочей жидкости, останавливают или пускают его в двух и более линиях. Их можно подразделить на гидрораспределители с ручным, механическим, гидравлическим, электрическим и электрогидрав­ лическим управлением. Краны, как это следует из их определения, бывают только с ручным управлением. Обратные клапаны допускают течение рабочей жидкости толь­ ко в одном направлении, а гидрозамки, являющиеся разновидно­ стью обратных клапанов, допускают течение рабочей жидкости в обратном направлении только при наличии давления в гидравли­ ческой цепи управления. Обратные клапаны и гидрозамки бывают только с гидравлическим управлением. Среди клапанов давления различают напорные золотники, гид­ роклапаны с обратным клапаном и различного рода предохрани­ тельные клапаны, в том числе непрямого действия (регулируемые и нерегулируемые), с электроразгрузкой и без нее, двух- и трех­ линейные. Среди клапанов расхода различают регуляторы расхода, регу­ ляторы расхода с обратным клапаном, двух- и трехлинейные, регуляторы расхода с обратным клапаном и распределителем. Дроссели рекомендуются для определенного диапазона регу­ лирования расхода в зависимости от рабочего давления, Вьщеляют также дросселирующие гидрораспределители с механическим уп­ равлением. Кустройствам аналоговой гидравлической серв о т е х н и к и относятся именно дросселирующие гидрораспреде­ лители, которые применяются в высокодинамичных приводах, например в электроэрозионных станках, а также используются в качестве усилителей момента в незамкнутых системах регулирова­ ния перемещений высокой точности. К ним относятся также гид­ рораспределители с пропорциональным электроуправлением, ко­ торые используются в разомкнутых системах дистанционного уп­ равления вспомогательными механизмами и в замкнутых системах невысокой точности. Для этих же целей используются и регулиру­ ющие устройства с пропорциональным управлением. Для высоко­ точных систем регулирования давления, в том числе для испыта­ тельных стендов, применяются мехатронные пропорциональные гидроаппараты. Наконец, для привода вспомогательных механиз­ мов сравнительно небольшой точности применяются гидравличе­ ские оси, где и перемещение исполнительного органа, и переме­ щение задающего органа является возвратно-поступательным. Область применения дросселирующих гидрораспределителей существенно ограничивается необходимостью соблюдать высокие требования к чистоте рабочей жидкости, поэтому большее при­ менение получила аппаратура с пропорциональным электроуп­ равлением, которая способна работать вместе с обычными филь­ трами. Пропорциональные гидрораспределители совместно с дат чиками давления, расхода, а также датчиками положения испол­ нительного органа при микропроцессорном управлении насоса­ ми могут обеспечить практически любую регулировочную харак­ теристику. Однако вследствие существенной нелинейности расходной ха­ рактеристики и трудностей, шззникающих при регулировании и стабилизации малых расходов и давлений, применение пропор­ циональной гидроаппаратуры ограничено, главным образом, ра­ зомкнутыми системами дистанционного управления. Поскольку возможности аналоговой гидравлической сервотехники принципиально ограничиваются, как и во всякой аналого­ вой технике, дрейфом нуля и низкой помехоустойчивостью и на­ дежностью, расширяется применение цифровой гидравлической сервотехники. К у с т р о й с т в а м ц и ф р о в о й г и д р а в л и ч е с к о й сер­ в о т е х н и к и относятся ротационные и линейные приводы с ме­ ханическим или электрическим управлением, а также управляе­ мые регуляторы расхода и предохранительные клапаны. Управляе­ мые цифровые гидравлические приводы различных типов приме­ няются в станках и технологическом оборудовании с ЧПУ средней точности, промышленных роботах, вспомогательных механизмах для регулирования скорости движения серводвигателей. Управля­ емые предохранительные клапаны применяются в основном для дистанционного программного изменения рабочего давления, на­ пример для изменения усилия зажима или изменения давления рабочей жидкости в различного рода прессах. В системах цифровой гидравлической сервотехники в качестве задатчиков используются маломощные шаговые электродвигате­ ли. В системах с механической обратной связью по положению ШД во время движения рабочего органа постоянно вращается, при­ чем максимальная скорость движения рабочего органа определя­ ется максимальной пропускаемой частотой импульсов и «ценой» одного импульса. В системах с электрической обратной связью ШД поворачива­ ется на определенный угол, определяющий задание скорости дви­ жения рабочего органа. Максимальная скорость движения рабочего органа определя­ ется в этом случае максимально допустимой периодичностью счи­ тывания информации измерительной системой. В хороших при­ водах с цифровой гидравлической сервотехникой при «цене» од­ ного импульса 0,01 мм обеспечивается скорость перемещения до 80 м/мин. Для построения типовых схем гидравлических систем широко используются типовые специальные гидравлические узлы. К ним относятся:

• вращающиеся гидроцилиндры, обычно используемые для за­ жима в патроне вращающихся шпинделей токарных станков с ЧПУ;

• гидроприводы уравновешивания, позволяющие разгрузить приводы подач вертикально движущихся рабочих органов от дей­ ствия силы тяжести и тем самым повысить их точность;

• гидроприводы зажимных механизмов, которые используются в машиностроении, в том числе для закрепления деталей на нале­ тах, спутниках и поддонах;

• гидропанели реверса, которые применяются, главным обра­ зом, в технологическом оборудовании с возвратно-поступатель­ ным движением. В сверхпрецизионном оборудовании применение цифровой гид­ равлической сервотехники с электрической обратной связью от­ крывает принципиально более широкие возможности, а именно: • тонкое регулирование расхода непрерывно дозируемых рабо­ чих жидкостей, поступающих в гидродвигатели большого рабоче­ го объема, позволяет достичь высокой точности регулирования перемещений рабочих органов (точность перемещений оказыва­ ется при этом в пределах сотых долей микрометра);

• использование цифрового принципа преобразования и исполь­ зования информации повышает надежность и помехоустойчивость, исключает дрейф нуля, в том числе вызванный изменением тем­ пературы;

• совмещение в минимальном количестве деталей функций дви­ гателя, направляющего устройства и контроля (например, с по­ мощью лазерного интерферометра) предоставляет конструктору возможность оптимальной компоновки оборудования;

• создается возможность использования «холодной» гидравли­ ки, что позволяет обеспечить термическую стабилизацию. Для автоматизации производственных процессов в машино­ строении и используемого при этом технологического обору­ дования применяются с п е ц и а л ь н ы е г и д р а в л и ч е с к и е у с т р о й с т в а, не включенные в классификационную схему на рис. 3.9. К таким устройствам относятся, прежде всего, вращающиеся гидроцилиндры зажима патрона, гидроприводы поворотных ме­ ханизмов различного рода делительных столов и головок, револь­ верных головок, инструментальных магазинов и других устройств, требующих максимально высокого быстродействия, гидроприво­ ды уравновешивания, а также гидропанели реверса. Кроме описанных функциональных гидроаппаратов для пост­ роения гидросистем автоматизации используются различные филь­ тры чистоты рабочей жидкости, аккумуляторы и трубопроводы. Ф и л ь т р ы работают в режимах полнопоточной или пропор­ циональной фильтрации во всасывающей, напорной или слив­ ной линиях. А к к у м у л я т о р ы служат для накопления гидравлической энергии и уменьшения пульсации давления рабочей жидкости. Г и д р а в л и ч е с к и е т р у б о п р о в о д ы изготовляют из сталь­ ных бесшовных холоднодеформированных труб, из прецизион­ ных стальных труб, а также из тонкостенных стальных или мед­ ных труб и рукавов высокого давления. Для их соединения ис­ пользуют развальцовку, шаровой ниппель или врезающееся коль­ цо. Внутренний диаметр трубопроводов определяется расходом и скоростью протекающей рабочей жидкости. Конструктивно в современных гидросистемах наряду с труб­ ным и стыковым соединением применяется также модульный и башенный монтаж гидроаппаратуры на основе использования конструктивно законченных функциональных блоков и устройств встраиваемого исполнения. Следует заметить, что в технологическом оборудовании поми­ мо аппаратуры гидравлической сервотехники все большее приме­ нение находят гидростатические направляющие. При использова­ нии подобных направляющих в зазор между поверхностями орга­ нов, перемещающихся друг относительно друга, под давлением подается рабочая жидкость, что исключает прямой контакт этих поверхностей. Использование достаточно жестких и точных гид­ ростатических направляющих позволяет исключить механическое трение, обеспечить долговечность базирующих поверхностей, по­ высить геометрическую точность перемещений, а также обеспе­ чить внутреннее демпфирование в подвижных соединениях и воз­ можность сверхмалых коррекций положения и зажима.

3.11. Устройства пневмосистем автоматизации, сопутствующие пневмоприводам Пневматические устройства являются эффективным средством автоматизации и механизации технологического оборудования в машиностроении. Это вытекает из присущих им принципиальных преимуществ. Указанные преимущества проявляются в наибольшей степени при выполнении операций зажима и фиксации деталей, их кантова­ нии, контроле линейных размеров, выполнении операций сбор­ ки, при транспортировке, очистке базовых посадочных поверх­ ностей инструмента и деталей, реализации движений промыш­ ленных роботов и др. Такими принципиальными преимуществами пневматических устройств, делающими их в отдельных случаях незаменимыми, являются: • простота конструкции и обслуживания;

• высокая безотказность работы;

• сохранение работоспособности в широком диапазоне темпе­ ратуры, влажности и запыленности;

• большой срок службы, достигающий для отдельных пневма­ тических устройств 10... 20 тыс. ч;

• высокие скорости перемещения исполнительных органов, достигающие для линейного движения 15 м/с, а для вращатель­ ного 20 000 об/мин;

• сравнительная простота передачи энергоносителя. (сжатого воздуха) на значительные расстояния;

• централизованный источник выработки энергии (обычно за­ водская компрессорная сеть);

• возможность торможения и останова без риска повреждения механизма. Недостатками пневматических устройств являются: • невысокая скорость передачи управляющих сигналов, огра­ ниченная скоростью звука в воздухе;

• трудности обеспечения плавности перемещения рабочих ор­ ганов при колебаниях нагрузки;

• относительно высокая стоимость выработки сжатого воздуха. Классификация основных пневматических серводвигателей, применяемых в системах автоматизации производственных про­ цессов в машиностроении, была приведена ранее (см. рис. 3.5). В станкостроении и вообще в машиностроении используется пневматическая техника трех уровней давления: в ы с о к о г о (0,2...1,0 МПа), с р е д н е г о (0,1...0,25 МПа) и н и з к о г о (0,001...0,01 МПа). Помимо пнематических серводвигателей для целей автомати­ зации производственных процессов в машиностроении использу­ ются и другие устройства. К таким устройствам прежде всего следует отнести п н е в м огидравлические и пневмоэлектрические преобра­ з о в а т е л и различной конструкции. Отличительной особенностью пневмогидравлических насосов является возможность подачи рабочей жидкости лишь тогда, ког­ да действительно существует необходимость в ее потреблении. Это ведет к сокращению потребления рабочей жидкости и к предот­ вращению ее излишнего нагрева. К п н е в м о н а п р а в л я ю щ и м у с т р о й с т в а м относятся пневмораспределители, обратные пневмоклапаны, пневмоклапаны быстрого выхлопа, пневмоклапаны, управляющие последова­ тельностью выполнения рабочих операций, пневмоклапаны, уп­ равляющие вьщержкой времени, а также пневматические логи­ ческие элементы. Пневмораспределители, как и гидрораспределители, исполь­ зуются для изменения направления или пуска и останова потоков сжатого воздуха в двух или более внешних линиях. Под внешними пневмолиниями следует понимать различные воздухопроводы, в том числе и просто отверстия для связи с атмосферой. Существуют различные виды управления пневмораспределителями: • ручное от оператора под действием кнопки, рычага или педа­ ли;

• механическое от подвижного узла под действием толкателя, ролика или ломающегося рычага;

• электромагнитное (с ручным дублированием или без ручного дублирования);

• пневматическое (путем повышения или понижения давления);

• электропневматическое (путем повышения или понижения промежуточного давления). Характерным устройством сетей пневмоавтоматики является обязательное наличие в них различных кондиционеров сжатого воздуха, включающих в себя фильтры, маслораспылители и глу­ шители. Степень загрязнения сжатого воздуха, используемого в пневмосетях для целей автоматизации, должна соответствовать дей­ ствующим стандартам. Фильтры обеспечивают влагоотделение и тонкую очистку сжа­ того воздуха. Как правило, такие фильтры выполняются центро­ бежного типа и имеют ручные и автоматические устройства для выпуска конденсата. Маслораспылители служат для подачи в пневмосистему смаз­ ки, уменьшающей требуемые усилия и износ трущихся пар, а также предохраняющей от коррозии. Концентрация смазывающе­ го материала регулируется с помощью встроенного специального дросселя. Глушители служат для снижения шума и конденсации масла и воды в выхлопе. Для транспортировки сжатого воздуха в пневмосетях применя­ ются различные трубопроводы. Трубопроводы в пневмосетях бы­ вают жесткие и гибкие. Жесткие трубопроводы пневмосетей обычно изготовляются из стали, меди, латуни или алюминиевых сплавов. Гибкие трубопроводы пневмосетей обычно изготовляют из рези­ новых трубок с нитяной оплеткой из хлопка или капрона, а так­ же из таких синтетических материалов, как полиэтилен или полиэтилхлорид. При выборе подводящего трубопровода следует учитывать, что потеря давления на пути от источника давления до потребителя не должна превышать 5... 10 % от величины рабочего давления. Конструктивно в современных пневмосетях наряду с трубным и стыковым соединениями применяется также модульный и ба­ шенный монтаж на основе использования конструктивно закон­ ченных функциональных блоков и устройств встраиваемого ис­ полнения. к различным пневмогидравлическим и пневмоэлектрическим преобразователям, делающим возможным построение пневмати­ ческих сетей автоматики, относятся: • пневмовытеснители, предназначенные для передачи без изме­ нения давления сжатого воздуха рабочей гидравлической жидко­ сти;

• пневмогидропреобразователи, предназначенные для передачи энергии сжатого воздуха рабочей гидравлической жидкости с дру­ гими величинами давления;

• пневмогидронасосы, предназначенные для нагнетания рабочей жидкости в гидросистему, где она дальше работает, как это пре­ дусматривается гидросхемой;

• пневмогидроаккумуляторы;

• реле давления, предназначенные для выдачи электрического сигнала при достижении в пневматической системе заданного уровня давления (разности давлений);

• индикаторы давления. Сжимаемость воздуха является существенным фактором, кото­ рый следует учитывать при проектировании исполнительных ме­ ханизмов, работающих в условиях переменных нагрузок, напри­ мер в устройствах подачи для сверления и фрезерования. Обычно сжимаемость воздуха компенсируется путем включения в пневмо­ привод подачи гидравлических регуляторов скорости, как это по­ казано на схеме рис. 3.10. В этом случае привод включает в себя гидроцилиндр 6 с замк­ нутой циркуляцией рабочей жидкости (масла) и регулируемым дросселем 4 в возвратном канале 5, служащем для регулирования расхода масла, однозначно определяющего скорость движения штока-толкателя 3, связанного со штоком 2 рабочего пневмоцилиндра 1. Значительное распространение в практике автоматизации производственных процессов в машиностроении получили а в ­ тономные пневмогидравлические сверлильные у з л ы. Для таких узлов характерно сочетание привода вращения Рис. 3.10. Схема гидравлического регулято­ ра скорости пневмопривода:

/ — рабочий пневмоцилиндр;

2 — шток рабо­ чего пневмоцилиндра;

3 — шток-толкатель;

4 — регулируемый дроссель, 5— возвратный канал;

6 — гидроцилиндр сверла, осуществляемого пластинчатым пневматическим двига­ телем (с одной ступенью встроенного понижающего планетар­ ного редуктора) с пневмоцилиндром, снабженным гидравли­ ческим регулятором скорости, подобным описанному выше. После пуска происходит быстрый подвод пиноли со сверлильным пат­ роном к поверхности намеченной к обработке детали, затем на рабочей подаче выполняется рабочая операция сверления. После завершения операции путевой пневматический выключатель вы­ дает сигнал на возвращение подвижной части в исходное поло­ жение. Можно также организовать цикл глубокого сверления, напри­ мер пушечным сверлом, т.е. цикл многократного пошагового заг­ лубления в заготовку на заданную глубину с быстрым отводом подвижной части в исходное положение и последующим быст­ рым подводом пиноли со сверлильным патроном к образованной в заготовке новой поверхности и переходом на рабочую подачу до нового заглубления в заготовку на заданную глубину. Так следует поступать несколько раз до достижения общей требуемой глуби­ ны сверления. Наряду с использованием унифицированных пневмогидравлических узлов для схем пневмоавтоматики характерно использова­ ние с п е ц и ф и ч е с к и х т и п о в ы х у с т р о й с т в. К таким спе­ цифическим типовым устройствам относится вращающийся сдво­ енный пневмоцилиндр управления зажимом детали в патроне. Пи­ тание этого пневмоцилиндра осуществляется через муфту подво­ да воздуха. В корпус пневматического серводвигателя встроены блокиро­ вочные клапаны, удерживающие сжатый воздух при аварийном обрыве подвода питания. Факт зажима и разжима детали контро­ лируется соответствующими встроенными индуктивными датчи­ ками. Новые возможности использования пневматических устройств в качестве исполнительных механизмов возникают при их соче­ тании с устройствами переработки информации, основанными на микропроцессорной технике. Для таких устройств характер­ на тенденция к уменьшению объема преобразований информа­ ции, выполняемых собственно пневматической частью, и пе­ ренесению максимума этих преобразований и соответствующих логических операций на переключательную цепь, реализован­ ную на микроэлектронной схеме с высокой степенью интегра­ ции. Большинство из известных решений такого рода основано на применении тормозных устройств, обеспечивающих останов на заданной позиции. Имеются также решения, основанные на ис­ пользовании следящих пневматических систем, где способность воздуха к сжатию так или иначе компенсируется, Цифровой позиционный координатный пневмопривод может быть реализован различными способами. Например, он может быть построен на базе четырехкромочного следящего пневмораспределителя с шаговым управлением от системы ЧПУ. Цифровой следящий пневмопривод позволяет: • существенно расширить диапазон рабочих скоростей;

• достичь точности позиционирования в 0,05 мм за счет охвата конечного исполнительного органа обратной связью по положению;

• существенно повысить надежность за счет применения высо­ конадежных исполнительных механизмов (пневмоцилиндров), сквозной цифровой формы представления и обработки управля­ ющих сигналов, а также исключения из привода промежуточных кинематических звеньев (например, винтовых передач), внося­ щих свои погрешности;

• обеспечить выполнение требований к сохранению окружающей среды вследствие экологичности выхлопа пневмосистемы.

Контрольные вопросы 1. Что включают в себя сервоприводы? 2. Для чего служат силовые и параметрические исполнительные меха­ низмы? 3. В каких случаях применяются электрические, гидравлические и пнев­ матические серводвигатели? 4. Дайте определение рабочей, механической и регулировочной ха­ рактеристикам серводвигателя. 5. Каковы положительные особенности регулируемых электродвига­ телей постоянного тока? 6. Какие разновидности электродвигателей переменного тока исполь­ зуются в системах автоматизации в машиностроении? 7. Что такое приемистость шагового электродвигателя? 8. Каковы преимущества и недостатки шаговых двигателей? 9. Дайте определение мягкой и жесткой характеристикам двигателя. 10. Что относится к командной и исполнительной электроаппарату­ ре, электроаппаратуре защиты и управления? 11. Что называют электромагнитом? 12. Что такое контактные путевые выключатели прямого, полумгно­ венного и мгновенного действий? 13. Что такое бесконтактные путевые выключатели? 14. Какие разновидности электромагнитных реле применяются в уст­ ройствах автоматизации в машиностроении? 15. Объясните, что является мехатронными узлами. 16. Что такое объемное и дроссельное регулирование гидравлических серводвигателей? 17. Какие существуют разновидности гидравлических и пневматиче­ ских серводвигателей? 18. Что такое взаимная обратимость насосов и двигателей в схемах гидро- и пневмотехники? 19. Как осуществляется электрическая и механическая обратные свя­ зи в гидросистемах автоматики? 20. Что представляют собой и где применяются специальные унифи­ цированные узлы гидроаппаратуры? 21. В чем состоят основные преимущества и недостатки пневматиче­ ской сервотехники по сравнению с гидравлической сервотехникой? 22. В чем заключается ручное, механическое, электромагнитное, пнев­ матическое и электропневматическое управление пневмораспределителем?

ГЛАВА 4 АВТОМАТИЗАЦИЯ СТАНКОВ И СТАНОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ 4. 1. Автоматизация отдельных станков Станок — это машина для изготовления деталей. По назначе­ нию автоматизируемые станки следует подразделять на следующие категории: • универсальные, которые предназначены для выполнения раз­ личных операций на деталях многих наименований;

• широкого назначения, которые предназначены для выполне­ ния определенных операций на деталях многих наименований;

• специализированные, которые предназначены для обработки деталей одного наименования, но разных размеров;

• специальные, которые предназначены для обработки одной определенной детали. По обеспечиваемой точности обработки все станки подразде­ ляются на классы. Буква Н означает станок нормального класса точности, буква П — повышенного, буква А — особо высокого, и буква С — сверхпрецизионного класса точности, к которому относятся ма­ стер-станки с погрешностью до 1 мкм. Следует заметить, что с развитием прецизионного машиностроения появились станки еще более высоких классов точности: класса Т, обеспечивающего по­ грешность изготовления, не превышающую 0,3 мкм, и класса К, обеспечивающего погрешность изготовления, не превыша­ ющую 0,1 мкм, В соответствии с ЕСКД все детали машиностроения, изготов­ ляемые на станках, классифицируются следующим образом: • детали типа тел вращения, представляющие собой кольца, диски, шкивы, блоки, стержни, втулки, стаканы, оси, штоки, шпиндели и др.;

• детали типа тел вращения с элементами зубчатого зацепле­ ния, а также трубы, шланги, разрезные секторы, листовые сег­ менты, корпусные и опорные детали, элементы подшипников, аэрогидродинамических опор и емкостей;

• детали, не являющиеся телами вращения и представляющие собой те или иные объемы типа корпусов, опор и емкостей;

• детали, не являющиеся телами вращения и представляющие собой те или иные сплошные плоские элементы типа планок, рычагов, тяг, изгибаемых из листов, полос и лент элементов, а также профильных труб;

• специальные детали, могущие как являться, так и не являть­ ся телами вращения, а именно: детали типа кулачков, компонен­ тов карданного подвеса, компонентов карданного подвеса с эле­ ментами зубчатого зацепления, компонентов арматуры, санитарно-технические компоненты, разветвления, пружины, ручки, уплотнители, а также различные отсчетные, пояснительные, за­ щитные, оптические, электрорадиоэлектронные и крепежные компоненты;

• детали технологической оснастки и инструмента. К деталям, изготовляемым на металлорежущих станках, предъявляются специальные требования по обеспечению требу­ емого относительного положения присоединяемых неподвижных деталей и сборочных единиц, обеспечению относительного дви­ жения контактирующих с данной деталью подвижных деталей и сборочных единиц, допускаемым статическим и динамическим нагрузкам, допускаемым типовым воздействиям, допускаемым внешним воздействиям, допускаемым воздействиям окружающей среды, обеспечению требуемого периода эксплуатации, соблюде­ нию требуемого регламента обслуживания, обеспечению задан­ ных габаритных размеров, а также эргономические, эстетические и экономические требования. Автоматизация отдельного станка направлена на уменьшение участия человека в эксплуатации этого станка. Это достигается как соответствующими мероприятиями, обеспечивающими авто­ матизацию управления данного станка, так и изменением его кон­ струкции. Под управлением отдельным станком принято понимать сово­ купность воздействий на механизмы данных станка, обеспечива­ ющих выполнение им того производственного процесса, для ко­ торого этот станок применяется. Соответственно под системой управления отдельного станка следует понимать устройство или совокупность устройств, реализующие подобные воздействия. Применительно к отдельным станкам принято различать два типа управления, а именно ручное и автоматическое. Ручное у п р а в л е н и е не сводится к непосредственному воз­ действию оператора на рабочие органы станка, а заключается в принятии им решений о включении и выключении механизмов станка и задании параметров работы этих механизмов. Сами меха­ низмы станка могут быть весьма разнообразными — механиче­ скими, электрическими, электронными, гидравлическими, пнев­ матическими, а также комбинированными. В современных станках ручное управление часто сопровождается цифровой индикацией. А в т о м а т и ч е с к о е у п р а в л е н и е сводится к тому, что ре­ шения о включении и выключении механизмов станка и задании параметров работы этих механизмов принимает не человек-опе­ ратор, а система управления. В соответствии с принятыми реше­ ниями системой управления выдаются команды на исполнение этих решений. Различают следующие типы автоматического управления от­ дельными станками: • автоматическое управление неизменяемыми циклами обра­ ботки, например силовыми головками агрегатных станков;

• автоматическое управление изменяемыми циклами обработ­ ки, определяемыми материальными задатчиками, такими как си­ стема копиров, набор кулачков, набор переставных упоров, на­ пример у копировальных станков, многошпиндельных токарных автоматов и агрегатных станков;

• числовое программное управление, когда последовательность действий механизмов станка и параметры их работы определяют­ ся в виде массива числовых кодов, предварительно записанных на том или ином носителе. Системы управления на основе материальных задатчиков, пред­ ставляющих собой модели-аналоги движения рабочих органов стан­ ка, в свою очередь, можно подразделить на с и с т е м ы н е з а м ­ к н у т о г о типа, когда перемещение рабочего органа станка осу­ ществляется под непосредственным силовым воздействием мате­ риального задатчика, и с и с т е м ы з а м к н у т о г о типа, когда материальный задатчик воздействует на некоторую промежуточ­ ную систему, осуществляющую преобразование информации этого задатчика. Примером незамкнутого типа системы управления не­ посредственно от материальных задатчиков, или системы управ­ ления прямого действия, может служить вертикальный много­ шпиндельный токарный автомат, где движения поперечных суп­ портов осуществляются от непосредственного воздействия про­ филя барабанного кулачка-копира. Примером применения замк­ нутого типа системы управления может служить гидрокопироваль­ ный токарный полуавтомат. Системы числового программного управления станками подразделяются на позиционные, контурные и универ­ сальные. В позиционных системах числового программного управления станками важны лишь координаты последней точки, в которую устанавливается рабочий орган станка, а траектория, по которой он перемещается в эту точку, не имеет значения. Примером могут служить координатно-расточные станки или дыропробивные прес­ сы. В контурных системах числового профаммного управления стан­ ками важна сама траектория, по которой рабочий орган станка перемещается в заданную точку, а координаты этой последней точки не отслеживаются. Примером могут служить различные то­ карные, фрезерные и шлифовальные станки общего назначения. В универсальных системах числового программного управления станками важна как траектория, по которой рабочий орган стан­ ка перемещается в заданную точку, так и координаты этой послед­ ней точки. Примером могут служить обрабатывающие центры раз­ личных типов и групп или, если следовать терминологии станко­ строителей, применительно к обработке прямоугольных простран­ ственных или плоских деталей — многоинструментные фрезерносверлильно-расточные станки с автоматической сменой инстру­ мента. В последнее время стали известны блок-центры или агре­ гат-центры, в которых по заданной в виде массива чисел про­ грамме производится не только поиск и смена отдельных инстру­ ментов, как в традиционном «обрабатывающем центре», но и поиск и смена хранящихся в магазине силовых головок. Соответствующая классификация систем управления отдель­ ными станками приведена на рис. 4.1.

Управление отдельными станками I Ручное Воздействие на механические устройства Воздействие на электрические устройства Воздействие на электронные устройства Воздействие на гидравлические устройства Воздействие на пневматические устройства Воздействие на комбинированные устройства L Автоматическое Управление неизменяемыми циклами работы Управление изменяемыми циклами работы Разомкнутые системы управления Замкнутые системы управления Числовое программное управление Системы позиционирования Контурные системы Универсальные системы ' Рис. 4.1. Классификация систем управления отдельными станками Системы числового программного управления станками всех указанных типов могут также различаться по способу формирова­ ния массива числовых данных, образующих управляющую профамму. В оперативных системах числового программного управле­ ния управляющая программа готовится в процессе обработки пи­ лотной детали партии. В других системах числового программного управления управляющая программа готовится независимо от об­ работки детали, хотя для этого в большинстве случаев использу­ ются средства вычислительной техники и визуализации, входя­ щие в состав системы числового программного управления дан­ ного станка. Незамкнутые системы прямого управления станками форми­ руют управляющее воздействие за счет энергии регулируемого параметра, например за счет усилия взаимодействия ролика тол­ кателя копирующего механизма токарного автомата с канавкой закаленного барабана-копира, а замкнутые системы непрямого действия формируют управляющее воздействие за счет энергии дополнительного внешнего источника. В зависимости от вида используемой внешней энергии систе­ мы непрямого действия могут быть подразделены на электриче­ ские, гидравлические, пневматические и комбинированные, В зависимости от характеристик, которые реализуют автомати­ ческие системы управления, эти системы подразделяются на л ин е й н ы е и н е л и н е й н ы е. Линейными называют такие систе­ мы, у которых зависимость между установившимися значениями выходных и входных параметров представляет собой прямую ли­ нию, изображающую пропорциональную зависимость. Динами­ ческие переходные процессы в линейных системах описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными ко­ эффициентами. Нелинейные системы характеризуются нелиней­ ными зависимостями между установившимися значениями вход­ ных и выходных величин. Динамические переходные процессы в нелинейных системах описываются нелинейными дифференци­ альными уравнениями. Фактически все реальные процессы и си­ стемы являются нелинейными, хотя и в различной степени. Для задач исследования и описания реальные нелинейные математи­ ческие модели процессов и устройств часто линеаризуют, т.е. по определенным правилам заменяют приближенными к ним линей­ ными моделями. Если в системе управления есть хотя бы один дискретный эле­ мент, то и вся эта система будет вести себя как дискретная. Если вся система управления или какой-либо ее элемент обладает ре­ лейным выходом, то вся эта система должна быть отнесена к ре­ лейным системам управления. Примером системы с релейным воздействием может служить система регулирования температуры в закалочной термопечи, которая включает или выключает нагре вательный элемент в зависимости от результатов измерения тем­ пературы в печи. В зависимости от структуры все автоматические системы уп­ равления подразделяют на о д н о к о н т у р н ы е и м н о г о к о н ­ т у р н ы е. Под контуром в структурной схеме системы понимает­ ся замкнутый участок цепи, образованный элементами схемы и различного рода прямыми и обратными связями, существующи­ ми в этой схеме. Одноконтурные системы имеют лишь одну обрат­ ную связь. Многоконтурные системы имеют несколько прямых и обратных связей, каждая из которых образует свой замкнутый кон­ тур. Многоконтурные системы по сравнению с одноконтурными при прочих равных условиях обладают лучшими динамическими свойствами, но эти системы значительно сложнее для описания и анализа. В зависимости от числа регулируемых параметров системы ав­ томатического управления подразделяются на о д н о м е р н ы е и м н о г о м е р н ы е. Одномерные системы характеризуются одним регулируемым параметром, а многомерные — несколькими. Многомерные системы в свою очередь могут быть подразделе­ ны на системы связанного и несвязанного управления. Системы не­ связанного управления характеризуются тем, что регуляторы каж­ дого параметра непосредственной связи между собой не имеют и их взаимодействие осуществляется только через объект управле­ ния. В системах связанного управления регуляторы отдельных па­ раметров, кроме того, что они взаимодействуют через общий для них объект управления, также и непосредственно связаны друг с другом. Одним из основных требований к любой технической системе является ее устойчивость. Под устойчивостью системы понимает­ ся ее способность после приложения воздействия, выведшего ее из положения равновесия, приходить в результате соответствую­ щего переходного процесса в новое установившееся состояние. Однако это новое установившееся состояние для разных типов систем может быть различным, и различным может быть переход­ ный процесс, который переводит различные системы в это новое устойчивое состояние. Все автоматические системы, использующие информацию о параметрах производственного процесса для воздействия на этот производственный процесс, можно подразделить на три группы: • системы автоматической стабилизации;

• системы программного управления;

• следящие системы. В с и с т е м а х а в т о м а т и ч е с к о й с т а б и л и з а ц и и значе­ ние регулируемого параметра поддерживается постоянным неза­ висимо от изменения нагрузки и от других возмущающих воздей­ ствий. Примером, характерным для машиностроения, может слу жить система поддержания постоянства оборотов электродвигате­ ля независимо от нагрузки. Колебания нагрузки на практике воз­ никают всегда вследствие различных условий смазки направляю­ щих, использования многолезвийного инструмента (фрезы) и др. В системах п р о г р а м м н о г о у п р а в л е н и я значение ре­ гулируемого параметра задается другим параметром, изменение которого заранее предписано (запрограммировано). Примером системы такого рода может служить, в частности, числовое про­ граммное управление, где изменение регулируемого параметра, которым является положение рабочего органа станка — суппорта или рабочего стола — задается программой его перемещения, за­ данной заранее в виде определенным образом организованного набора чисел, называемого управляющей программой (УП). Наконец, изменение регулируемого параметра может проис­ ходить в соответствии с изменением другого параметра, измене­ ние которого заранее не предопределено. Примером системы та­ кого рода может служить усилитель мощности в разомкнутых си­ стемах, где задатчиком является маломощный шаговый двига­ тель. Различного рода копировальные станки, характерным при­ мером которых являются гидрокопировальные токарные полуав­ томаты, также можно рассматривать как технические системы, в которых перемещение поперечного суппорта «отслеживает» пе­ ремещение щупа (копира), двигающегося по шаблону, изобра­ жающему осевое сечение детали, обрабатываемой в данный мо­ мент времени. Границы между этими типами систем управления являются весьма условными. Например, гидросистема гидрокопировально­ го токарного полуавтомата, которая относится к автоматическим системам управления следящего типа, может также считаться и системой программного управления, в которой программа обра­ ботки конкретной детали задается заранее в виде материального копира (мастер-шаблона), изготовляемого из какого-либо легкообрабатываемого материала.

4.2. Копировальные станки Характерным примером систем автоматизации управления от­ дельных станков являются системы копирования. С их помощью получают детали пространственной формы. Такие детали не под­ даются обработке или недостаточно эффективно обрабатываются на обычных станках. К подобным деталям относятся судовые фебные винты, лопатки газовых, паровых и гидравлических турбин, лопасти воздушных винтов самолетов, прессформы, литейные формы и кокили, кулачки и т.п. Системы прямого копирования. На копировальных станках про­ филь обрабатываемой детали обычно формируется путем сочета­ ния двух движений: детали и инструмента. Результирующее пере­ мещение инструмента относительно детали образуется геометри­ ческим сложением векторов этих перемещений. Одно из этих дви­ жений, а именно: непрерывное движение копира (шаблона обра­ батываемой детали) с постоянной скоростью вдоль одной из ко­ ординатных осей, называется задающей подачей S^^, а другое, пред­ ставляющее собой вынужденное движение копировального щупа вдоль перпендикулярной оси, называется следящей подачей S^^^. Следящая подача в зависимости от изменения наклона, опреде­ ляемого профилем шаблона, может изменяться как по величине, так и по знаку. Образование результирующей подачи S^, показано на рис. 4.2. Копировальные станки, как правило, конструктивно выполня­ ются в виде полуавтоматов, где автоматизированы только опера­ ции собственно обработки. Это объясняется тем, что сложность воспроизводимого профиля детали и относительная длительность ее обработки делают время операции зафузки-выгрузки относи­ тельно всего штучного времени менее значащим. В последнее вре­ мя в производстве все в более широкой степени применяются различного рода автооператоры и роботы-загрузчики, обеспечи­ вающие работу копировальных станков в режиме полного автома­ та. Однако метод прямого копирования и перемещения режущего инструмента под непосредственным воздействием копира, обла­ дает рядом принципиальных недостатков, среди которых можно назвать следующие: • точность изготовления копира (шаблона) непосредственно влияет на точность обработки детали;

• требуется изготовление как копира (шаблона), так и щупа (ролика), непосредственно контактирующего с копиром, из из­ носостойкого материала, большей частью из закаливаемых инст­ рументальных сталей, потому что усилие резания непосредствен­ но создается воздействием копира (шаблона) на копировальный щуп (ролик);

Рис. 4.2. Схема образования результирующей подачи при копировании • сложность точного изготовления копира из труднообрабаты­ ваемого материала типа закаливаемых инструментальных сталей;

• необходимость частого изготовления копира (шаблона) вслед­ ствие больших усилий в точке контакта копира (шаблона) с ко­ пировальным щупом (роликом) и относительно быстрого износа этого копира и потери точности;

• необходимость в специальной конструкции точной и жесткой кинематической цепи между копиром (шаблоном) и копироваль­ ным щупом (роликом);

• необходимость подстройки в процессе эксплуатации переда­ точного отношения кинематической цепи между копиром (шаб­ лоном) и копировальным щупом (роликом) вследствие дрейфа точности копирования;

• трудность поддержания постоянства результирующей пода­ чи, что необходимо из технологических соображений, так как именно результирующая подача создает вектор контурной скоро­ сти, касательный к воспроизводимому профилю. Необходимость многократного точного изготовления копира (шаблона) из труднообрабатываемого материала является основ­ ным моментом, затрудняющим эксплуатацию станков, использу­ ющих метод прямого копирования. Поэтому такой метод копиро­ вания приме11яется в основном в редко переналаживаемом, но в высокоавтоматизированном производстве, например в производ­ стве шарико- и роликоподшипников. Большое распространение в практике таких редко перенала­ живаемых производств с массовым характером выпуска получили о д н о ш п и н д е л ь н ы е т о к а р н ы е а в т о м а т ы, работающие с прутковыми заготовками и использующие распределительный вал с кулачками. Для таких автоматов характерно наличие двух ветвей передачи движения: ветви главного движения — от приводного электродви­ гателя к рабочему шпинделю, и ветви подач — от этого же элект­ родвигателя к распределительному валу. Самой простой является кинематическая схема такого копировального станка, у которого подачи рабочих суппортов обеспечиваются профилями сменных кулачков, устанавливаемых на распределительном валу, причем этот распределительный вал вращается равномерно. Так, в част­ ности, устроены и работают широко распространенные автоматы для фасонного продольного точения, а также почти все токарноревольверные автоматы. М н о г о ш п и н д е л ь н ы е т о к а р н ы е а в т о м а т ы имеют распределительный вал специальной конструкции. Распределитель­ ные валы многошпиндельных автоматов могут состоять из несколь­ ких участков, но эти участки распределительных валов, характе­ ризующиеся различными ориентацией и методами крепления ку­ лачков, кинематически связаны друг с другом. Каждый из участ ков распределительного вала такого автомата соответствует свое­ му шпинделю. Системы копирования с промежуточными следящими усилитель­ ными системами. Более универсальными являются системы копи­ рования с использованием промежуточных следящих усилитель­ ных систем. По большей части такие промежуточные следящие усилительные системы являются гидравлическими. Примером та­ кого рода является хорошо известный т о к а р н ы й г и д р о к о ­ п и р о в а л ь н ы й п о л у а в т о м а т. Все гидравлические системы обладают рядом недостатков несмотря на их положительные сто­ роны. Поэтому наряду с такими системами используются также электрические промежуточные следящие усилительные системы, а также пневматические и комбинированные (электрогидравли­ ческие, электропневматические, гидропневматические, электрогидропневматические) системы. Несмотря на разнообразие физической природы промежуто­ чных следящих усилительных систем принцип их действия всегда один и тот же. Он состоит в том, что сравнивается фактическое положение рабочего органа, перемещаемого тем или иным исполнительным приводом, с требуемой величиной перемещения. Полученная раз­ ность усиливается и используется для управления перемещением этого рабочего органа. Системы копирования с использованием промежуточных уси­ лительных систем не требуют осуществления непосредственного силового контакта копировального щупа с шаблоном. В таких си­ стемах копир (шаблон) за счет использования дополнительных внешних источников энергии разгружен от усилий резания. Сущность электрической следящей системы к о п и р о в а л ь н о - ф р е з е р н о г о с т а н к а иллюстрируется схемой, приведен­ ной на рис. 4.3. Согласно этому рисунку фрезерная обработка детали 10 произ­ водится по копиру (шаблону) J, который вместе с деталью 10 устанавливается на рабочем столе 2. Этот рабочий стол перемеща­ ется в результате воздействия привода 1 в направлении задающей подачи ^зад. Фреза Р, привод вращения которой здесь не показан, получает следящую подачу -^сл, поскольку она связана с исполни­ тельным рабочим органом 8, Рассогласование фактической траек­ тории фрезы 9 относительно детали 70 и той траектории, которая задается профилем копира (шаблона) J, определяется копиро­ вальным устройством, состоящим из потенциометрического дат­ чика 5, усилителя (5для сигнала рассогласования положений движ­ ков потенциометра этого датчика, левый из которых связан с по­ ложением копировального щупа 4, а правый — с положением фрезы Р, однозначно определяемым положением исполнительно­ го рабочего органа 8, а также исполнительным сервоприводом 7. ~L^ • ' 1I •M" / \\)r Рис. 4.3. Схема электрокопирования при фрезеровании:

1 — привод;

2 — рабочий стол;

3 — копир;

4 — щуп;

5 — потенциометр;

6 — усилитель;

7 — сервопривод;

8 — рабочий орган;

9 — фреза;

10 — деталь На усилитель 6 будет поступать сигнал только в том случае, если движки потенциометра 5 не находятся напротив друг друга, при­ чем знак этого сигнала определяется тем, какой из двух движков, левый или правый, находится выше другого. Соответственно на­ правление вращения электродвигателя исполнительного сервоп­ ривода 7, определяемого знаком напряжения сигнала, поступаю­ щего на усилитель 6, будет таким, чтобы положение фрезы 9 от­ носительно детали 10, совпадало с положением щупа 4 относи­ тельно копира 3, Только в случае полного совпадения положения фрезы 9 относительно детали 10 с положением щупа 4 относи­ тельно копира 3 и, соответственно, нахождения движков потен­ циометра напротив друг друга, электродвигатель исполнительно­ го привода 7 будет находиться в покое. В итоге оказывается, что фреза 9 следит за движением щупа 4. Примером гидравлических следящих систем, которые широко применяются в копировальных станках и в автоматическом тех­ нологическом оборудовании, может служить г и д р а в л и ч е с к и й к о п и р о в а л ь н ы й т о к а р н ы й п о л у а в т о м а т, схема рабо­ ты которого представлена на рис. 4.4, Копировальный щуп 4 касается профиля копира 5, представ­ ляющего собой осевое сечение обрабатываемой детали 6. Копиро­ вальный щуп 4 связан с гидрозолотником 2, перемещающимся внутри корпуса 7. К середине корпуса 1 гидрозолотника 2 подво­ дится через соответствующий трубопровод 3 рабочая жидкость от гидронасоса, являющегося внешним источником энергии. Обра­ ботка детали 6 производится резцом 7, закрепленным в державке (?, жестко связанной с корпусом 1 гидрозолотника 2 Поперечное перемещение державки 8, установленной на поперечном суппор те, осуществляется штоком поршня 9, перемещающегося внутри гидроцилиндра 10. Гидроцилиндр 10 жестко закреплен на непод­ вижной станине станка. При продольной подаче копировальный щуп 4 взаимодействует с профилем копира 5, перемещается вверх или вниз и перемещает гидрозолотник 2 Кромки гидрозолотника 2 открывают подачу поступающей рабочей жидкости в нижнюю или верхнюю полости рабочего гидроцилиндра 10 и слив рабочей жидкости из противоположных полостей рабочего гидроцилинд­ ра 10, Под давлением поступающего масла поршень 9 перемещается в гидроцилиндре 10 и одновременно перемещает с требуемым усилием державку 8 с закрепленным в ней резцом 7. Благодаря этому деталь б обрабатывается с нужным углом профиля. Движе­ ние державки 8 вызывает и соответствующее перемещение корпу­ са 1 гидрозолотника 2. Только когда перемещение державки 8 с резцом 7 уравняется с перемещением копировального щупа 4, гидрозолотник 2 и его корпус 1 снова займут относительно друг друга исходное положе­ ние и подача масла в полости рабочего гидроцилиндра 10 будет перекрыта. Это значит, что положение резца 7 соответствует по­ ложению копировального щупа 4 и профиль детали 6 соответству­ ет профилю копира 5.

Рис. 4.4. Схема гидрокопирования при точении: / — корпус гидрозолотника;

2 — гидрозолотник;

3 — подводящий трубопровод;

4 — щуп;

5 — копир;

6 — деталь;

7 — резец;

8 — державка резца;

9 — поршень рабочего гидроцилиндра;

10 — рабочий гидроцилиндр 4.3. Системы числового программного управления станками Что касается систем числового программного управления (ЧПУ) отдельными станками, то они позволяют сравнительно легко пе­ реналаживать станок на изготовление другой детали. Следует, од­ нако, заметить, что переход к обработке другой детали в таких станках не сводится лишь к смене управляющей программы. Кро­ ме этого необходимо сменить и перенастроить режущие инстру­ менты и технологическую оснастку, а также переналадить систе­ му упоров. Системы числового программного управления станками представ­ ляют собой наиболее динамично развивающуюся группу систем управления технологическим оборудованием, которая в настоя­ щее время практически вытесняет все другие типы систем авто­ матического управления в машиностроении. Управляющая программа для станка с ЧПУ представляет со­ бой совокупность текстов, записанных соответствующими уни­ фицированными кодами. Она разбивается на ряд неделимых учас­ тков, называемых кадрами. Кадр управляющей программы пред­ ставляет собой совокупность записей, однозначно определяющих функционирование всего станка и параметры этого функциони­ рования в период между двумя соседними изменениями, пусть даже минимальными. Следует различать понятия «длина записей, составляющих кадр» и «длительность времени отработки данного кадра». Кадр, имеющий полную длину записи, например движе­ ние снятия фаски резцом, может отрабатываться на станке за очень короткое время. Наоборот, кадр фрезерования плоскости и сня­ тия нескольких слоев припуска может иметь минимальную длину записи, но фактически отрабатываться на станке за длительное время. Структура и формат кадра управляющей программы регла­ ментированы на международном и европейском уровнях. На меж­ дународном уровне для управляющих программ используется код ISO, а на европейском — код EIA. Соответственно, одни станки с ЧПУ работают в коде ISO, другие — в коде EIA, а третьи рабо­ тают в обоих кодах либо допускают переключение с одного кода на другой. Следует различать управляющие программы обработки дета­ лей, которые разрабатываются многократно за все время эксплу­ атации данного станка с ЧПУ индивидуально для каждой детали, обрабатываемой на данном станке, и программное обеспечение компьютера, являющегося базовым для используемой на данном станке системы ЧПУ, которое разрабатывается однократно на этапе проектирования данной системы ЧПУ. Общая структура такого программного обеспечения, образую­ щего соответствующие функциональные блоки системы ЧПУ, приведена на рис. 4.5. Реализовываться она может разными спосо­ бами. Функциональные блоки могут представлять собой программ­ ные блоки, если система ЧПУ реализуется на универсальном ин­ дивидуальном компьютере, что характерно для систем ЧПУ типа CNC. Функциональные блоки могут также реализовываться и схем­ ным путем, что характерно для «жестких» цифровых схем ЧПУ. Указанные блоки могут также реализовываться микропрограмм­ ным путем, когда на этапе проектирования разработчик имеет доступ к микрокомандам, составляющим команды программ этих функциональных блоков, в результате чего он создает специали­ зированное управляюще-вычислительное устройство. Специали­ зированное управляюще-вычислительное устройство может так­ же создаваться на основе предварительно запрограммированных на выполнение этих функций отдельных микропроцессоров, со­ единенных между собой в соответствии с его структурой. Особого внимания при рассмотрении систем ЧПУ заслуживает блок интерполяции.

Организующий блок-супервизор Блоки сопряжения с внешними устройствами I Блок управления загрузкой УП Блок управления станком Блок задания исходных данных Блок управления вводом кадра УП Блок расшифровки кадра УП Блок управления перемещениями Блок вьшолнения технологических команд Г Блок интерполяции Блок задания скорости Блок быстрого хода Блок линейной интерполяции Блок дуговой интерполяции Блок разгона Блок торможения Блок контурной скорости Рис. 4.5. Общая структура программного обеспечения системы числового программного управления станком Профиль обрабатываемой детали приближенно с заданной сте­ пенью точности представляется (аппроксимируется) совокупно­ стью отрезков прямых линий, в общем случае непараллельных координатным осям, и отрезков дуг. Это соответствует вычерчи­ ванию детали на кульмане. Однако приводы программируемых координатных перемещений, реализуются ли они на шаговом дви­ гателе, представляют ли собой тиристорный следящий электро­ привод или реализуются с помощью гидросхем, способны осуще­ ствлять лишь единичные перемещения вдоль соответствующих координатных осей. Обычно один импульс на входе такого коор­ динатного исполнительного привода «стоит» 0,01 мм перемеще­ ния рабочего органа станка с ЧПУ. Таким образом, участки про­ филя полученной на данном станке детали при рассмотрении с сильным увеличением представляют собой ломаную линию, от­ резки которой параллельны координатным осям. Ограничимся рассмотрением линейной и дуговой интерполя­ ций. Дуговая интерполяция называется также круговой. Линейная интерполяция. При линейной интерполяции отрезки прямой линии, в общем случае непараллельные осям координат, аппроксимируются ломаной линией, отрезки которой параллель­ ны координатным осям. Эти отрезки равны между собой, и их длина соответствует цене одного элементарного шага по коорди­ натным осям. При дуговой (круговой) интерполяции такой ломаной линией приближенно представляются дуговые участки профиля детали. Задача интерполяционных расчетов состоит в том, чтобы, учи­ тывая требуемую траекторию движения исполнительного органа на основе фактического положения этого органа, достигнутого после предыдущего шага, определить направление следующего шага еще до того, как он будет фактически осуществлен. Иными словами, при решении задачи интерполяции по координатам на­ чала и конца аппроксимируемого отрезка прямой (в случае ли­ нейной интерполяции) или же по координатам начала и конца аппроксимируемого участка дуги, а также ее центра (в случае ду­ говой интерполяции) находятся координаты всех промежуточных точек траектории движения рабочего органа от начала к концу. Интерполяционные расчеты выполняются на высокой скорости, характерной для устройств вычислительной техники, во время пауз между фактическим осуществлением механических движений по координатным осям. Интерполяционные расчеты могут осуществляться на основе различных математических методов. Рассмотрим интерполяцию по методу оценочной функции, поскольку именно этот метод наи­ более широко применяется в настоящее время. На рис. 4.6, а изображен процесс линейной интерполяции. Здесь показан процесс поиска направления следующего шага после того, ^KOHV-^OHJ ^OH/ Z Рис. 4.6. Линейная и дуговая интерполяции по методу оценочной функции: а — линейная интерполяция;

б — дуговая интерполяция как в результате предьщущего шага исполнительный орган ока­ зался в точке М с координатами Х/ и Zj- Это направление должно определяться таким образом, чтобы отклонения реально получа­ емого в результате выполнения этого шага профиля от заданного отрезка прямой линии ОК были минимальными. Для простоты будем считать, что начало О аппроксимируемого отрезка прямой ОК совмещено с началом координат. Разность угловых коэффициентов отрезков ОК и ОМ будем обозначать /}f/ = ^I/ZJ-XK/ZK И С ТОЧНОСТЬЮ ДО положительного множителя ZJZK-» отбрасывание которого не изменит знака F/f/, примем Fjj = XJZK - XxZj- Большему углу, который отрезки ОК и ОМ образовывают с осью абсцисс, соответствуют и большие уг­ ловые коэффициенты этих отрезков. Величина Fjj называется оценочной функцией. Эта величина мо­ жет быть положительной или отрицательной в зависимости от того, по какую сторону от прямой Облежит текущая точка М. Из рис. 4.6, а ВР1ДН0, что если Рц > О, то для приближения к заданному отрезку Oi^ следующий шаг надо совершить по оси Z, а если Fij< О — то по оси X. После шага по оси Z новое значение текущей координаты (для 1-го квадранта) определяется выраже­ нием Х/+ 1 = X/ 4- 1, а новое значение оценочной функции /7+1,/ определится из соотношения /)+ i,/ = (^/ + ^)ZK - ^KZJ = Fij + ZKПосле шага по оси Z новое значение текущей координаты Zj+1 = = Zj + У, э. новое значение оценочной функции будет равняться fij+ 1 = ^IZK - ^K(ZJ+ 1) = F/j - Xj(. Начальное значение оценочной функции равно нулю. Величины х^гИ ^^^ называются константами линейной интерполяции. Процесс нахождения новых значений координат положения рабочего органа станка и соответствующих им новых значений оценочной функции для новых воображаемых шагов повторяется. пока с точностью до одного шага интерполяции не будет достиг­ нута точка К. Дуговая интерполяция. Случай дуговой интерполяции изобра­ жен на рис. 4.6, б. Хотя дуга окружности может быть геометриче­ ски однозначно задана разными способами, для определенности будем считать, что дуга окружности задана такими параметрами, как координаты начальной и конечной точек интерполируемой дуги, координатами центра О этой дуги, а также признаком на­ правления движений по этой дуге. Для определенности будем счи­ тать, что движение осуществляется в 1-м квадранте против часо­ вой стрелки и центр дуги помещен в начало координат. Методика дуговой интерполяции по методу оценочной функции легко обоб­ щается на случаи движения в остальных квадрантах и в направле­ нии движения часовой стрелки, а также для других способов за­ дания дуги окружности. Это обобщение сводится к изменению знаков единичных шагов при движении по тем или иным коорди­ натным осям. Координаты центра окружности, а также ее начала и конца, как и величина ее радиуса, вычисляются с помощью соответствующих геометрических расчетов. Расстояние Rjj от начала координат до текущей точки траекто­ рии с координатами Xj и Zj определяется соотношением Оценочная функция в этом случае определяется знаком разно­ сти квадратов текущей длины радиуса-вектора Rjj фактической траектории и заданного значения радиуса дуги R, Иными словами. Дуга окружности заданного радиуса R делит плоскость квад­ ранта, в котором она расположена, на две области. Область, в которой Fjj < О, находится внутри дуги, область, где /},/ > О — вне дуги, а на самой дуге Fjj= 0. Таким образом, если Fjj> О, то шаг следует делать в отрицательном направлении оси Z;

если Рц < О, то шаг следует делать в положительном направлении оси X. На­ чальное значение оценочной функции равно нулю. При шаге по оси Z получаем для нового значения этой коор­ динаты величину Zj+\ = Zj-l,^ соответствующая оценочная фун­ кция в таком случае Fu.i= xj + (zj- ly -R' = /7,,+ (-2zy + 1). При шаге по оси Jf получаем для нового значения этой коорди­ наты величину Xj+i=Xj+ I. Оценочная функция в таком случае F,, 1, J = (Х/+ 1)2 + zj '-R' = FJJ + {2Xj + 1). Величины {-2zj+ 1) и (2л:/+ 1) для общности называются кон­ стантами дуговой интерполяции в точке с координатами Х/И z/. На самом деле эти величины не являются константами на всем ин­ тервале дуговой интерполяции и должны рассчитываться для каж­ дой промежуточной точки заново. Кроме задач интерполяции устройство ЧПУ должно выпол­ нять и все другие необходимые функции обработки информации, соответствующие показанным на рис. 4.5 функциональным бло­ кам. Для систем ЧПУ, использующих средства вычислительной тех­ ники и, таким образом, осуществляющих гибкое автоматическое управление технологическим оборудованием, характерны следу­ ющие режимы: • режим ввода информации;

• автоматический рабочий режим;

• режим вмешательства оператора в процесс автоматического управления;

• ручной режим;

• режим редактирования управляющей программы;

• режим вывода информации;

• режим вычислений;

• дисплейный режим;

• режим диагностирования. Рассмотрим некоторые функциональные блоки, изображенные на рис. 4.5. Организующий блок-супервизор осуществляет включение тех или иных функциональных блоков. В случае программной реа­ лизации этих блоков блок-супервизор осуществляет передачу управления. Его единственной функцией является разобраться в ситу­ ации, определяемой сигналами, поступающими от датчиков состояния рабочих органов станка, и командами управляю­ щей программы, и включить соответствующий функциональ­ ный блок. Блок управления загрузкой, начинающий свою работу по ука­ занию блока-супервизора, осуществляет ввод и расшифровку кадра управляющей программы. В расшифрованном массиве кадра дол­ жна содержаться информация, необходимая для работы блоков управления станком. В случае разгона рабочего органа проверяется, не превышает ли заданное приращение его скорости Кзад допустимую величину, и если оказывается, что превышает, то назначаются максимально допустимая величина «наброса» скорости А К (высота «ступеньки» при ступенчатом приближении к заданной скорости) и время Af «выстоя» на этой скорости (ширина «ступеньки» при ступенчатом приближении к заданной скорости). В случае торможения рабочего органа при его приближении к заданной точке определяется момент перехода на «ползучую» по дачу, обеспечивающую достижение заданной точности, а затем скорость исполнительного органа ступенчато снижается до этой «ползучей» скорости. В функции блока задания скорости входит также «загрубление» цены одного импульса при наличии в кадре управляющей про­ граммы признака быстрого хода. Такое изменение дискретности привода может быть достигнуто различными переключениями в схеме управления им. Из технологических соображений при обработке контуров раз­ личного профиля должно поддерживаться постоянство скорости, направленной по касательной к этому контуру. Угол подъема контура, т.е. соотношение между приращениями кривой профиля контура по осям координат, может быть разли­ чным. Поэтому различными должны быть и величины подач по раз­ личным координатным осям при соблюдении требуемого соотно­ шения между этими величинами подач. Это осуществляется с по­ мощью соответствующего функционального блока. Другие функциональные блоки, выполняющие операции вво­ да и вывода данных для их индикации, а также операции по вос­ приятию команд от специализированных органов управления, за­ висят от номенклатуры и типов используемых средств вычисли­ тельной техники, конструкции автоматизируемого станка, соста­ ва пульта управления и индикации и т.д. 4.4. Управляющие программы для станков с ЧПУ Управляющие программы для станков с ЧПУ могут создавать­ ся различными способами и на различном оборудовании: • с помощью специальных проблемно-ориентированных паке­ тов программирующих программ с использованием компьютер­ ных средств, входящих в состав системы управления данным ста­ ночным комплексом;

• с помощью системных средств редактирования с использова­ нием компьютерных средств, входящих в состав системы управ­ ления данным станочным комплексом;

• на компьютерных средствах автоматизированной системы уп­ равления (АСУ) общезаводского уровня с использованием кана­ лов связи;

• каким-либо неавтоматизированным способом с привлечени­ ем технологов-профаммистов;

• непосредственно при обработке пилотной детали с кодирова­ нием хода ее обработки, что характерно для оперативных систем и систем типа CNC. Независимо от способа создания управляющей программы и используемых для этого устройств ее кадр должен содержать сле­ дующую информацию для управления станком с ЧПУ: • геометрическую информацию, определяющую геометрические параметры программируемых движений;

• технологическую информацию, определяющую такие парамет­ ры этих движений, как скорость вращения шпинделя, скорость координатных подач, номер выбираемого инструмента для мно­ гой нструментных станков и др.;

• вспомогательную информацию, определяющую рабочие ре­ жимы совершаемого программного управления и имеющую сво­ им адресатом вспомогательные механизмы станка с ЧПУ. Сопроводительная информация для управляющих программ станков, входящих в состав автоматизируемых станочных комп­ лексов, используется персоналом и содержит такие данные, как шифр соответствующего технологического маршрута, основные параметры программируемой детали, код и параметры использу­ емой заготовки, код и параметры используемого станка с ЧПУ, код и параметры используемой оснастки, код и параметры ис­ пользуемых режущих инструментов, их размещение в инструмен­ тальном магазине, а также расчетные машинные времена работы каждого инструмента (штучное, вспомогательное подготовитель­ но-заключительное время для обрабатываемой детали), шифр и наименование данной управляющей программы в целом. Если разработан полный технологический процесс получения требуемой детали, включающий в себя выбор используемого станка в соответствии с разработанной маршрутной технологией, выпол­ нение операций на данном станке и операций на расчетных режи­ мах с использованием заданной в технологической документации оснастки и инструмента при определенной установке исходной за­ готовки, то для составления управляющей программы можно при­ влечь технологов-программистов. Эти специалисты должны осуще­ ствить кодирование информации в соответствии с прилагающейся к каждому станку с ЧПУ инструкцией по программированию. При этом следует учесть, что вся информация, необходимая для изготовления детали, содержится в ее рабочем чертеже, от которого нельзя ОТКЛОР1ЯТЬСЯ. ДЛЯ ТОГО чтобы сократить объем ис­ пользуемых данных и избежать после выбора маршрута движения детали по базовым станкам необходимости разработки полной технологической документации, используются системы автома­ тизированной подготовки управляющих программ (САП). Степень автоматизации подобных САП может быть различной. Современные САП строятся по принципу «процессор-постпро­ цессор». Не следует путать понятие «процессор», используемое в САП, с понятием «процессор», которое в описаниях комплексов технических средств компьютерной техники означает базовое вы числительное устройство. Здесь «процессор» обозначает универ­ сальный для данной САП программный блок, ориентированный на получение на некотором стандартизированном языке исчер­ пывающего описания данной детали и процедуры ее обработки. Затем ориентированная на конкретный станок специальная про­ грамма преобразует данные, сформированные процессором, в управляющую профамму, предназначенную для данного конк­ ретного станка. Такой стандартизованный промежуточный язык процессор-постпроцессор называется языком CLDATA {англ. cutter location data — данные по положению режущей точки). При построении САП возникает много проблем, одна из кото­ рых заключается в том, что в общем случае программируемая тра­ ектория движения режущего инструмента и профиль обрабатыва­ емой детали не совпадают. Примером тому может служить обработка внутренней поверх­ ности детали, называемой стаканом. Этот профиль является про­ стейшим, поскольку он образован двумя прямыми линиями, па­ раллельными координатным осям. Тем не менее для получения этого профиля нельзя сразу на­ править по нему чистовой резец, а нужно сначала зацентровать заготовку, затем сменить инструмент и осуществить предваритель­ ное сверление, затем снова сменить инструмент и произвести рас­ сверловку ранее полученного отверстия сверлом большего диа­ метра, затем снова сменить инструмент и в несколько проходов проходным резцом снять изнутри полученного отверстия слои металла, оставив припуск на чистовую обработку, а затем снова сменить инструмент и чистовым резцом пройти вдоль требуемого профиля. Для современных САП характерно использование типовых тех­ нологических схем обработки типовых конструктивных элемен­ тов. Технологические схемы обработки тех или иных конструк­ тивных элементов могут быть различными. Например, получить несколько крепежных отверстий, равномерно расположенных по фланцу некоторой детали, можно, по крайней мере, двумя спо­ собами. 1. Сначала зацентровать одно отверстие, затем сменить инст­ румент на сверло и просверлить это отверстие. После этого, осу­ ществив поворот на заданный угол, снова сменить инструмент на исходную центровку и повторить цикл получения уже нового отверстия и так далее до получения последнего отверстия. 2. Не меняя инструмента, пройти центровкой все заданные от­ верстия и вернуться в исходное положение, после чего сменить инструмент на сверло и пройти им все зацентрованные отверстия. Применительно к токарной обработке деталей типа тел враще­ ния типовыми конструктивными элементами являются: • зона черновой обработки;

• выемка;

• черновая контурная и контурная зоны;

• канавки. Применительно к фрезерной обработке типовыми конструк­ тивными элементами являются: • зоны черновой обработки, которые, в свою очередь, подраз­ деляются на открытые и полузакрытые;

• зоны обработки карманов и пазух;

• зоны контурной черновой обработки;

• зоны контурной чистовой обработки;

• линейные зоны. При осуществлении фрезерно-сверлильно-расточной обработ­ ки на станках типа обрабатывающий центр часто встречаются дета­ ли с повторяющейся геометрией контуров отдельных частей, кото­ рые, однако, смещены или повернуты друг относительно друга. Примером могут служить звездочки движителей гусеничных ма­ шин. Такие повторяющиеся исходные одинаковые элементарные уча­ стки, образующие при своем смещении или повороте сложные контуры, называются конгруэнтными фигурами. Для упрощения и сокращения задания исходной информации целесообразно описать одну такую фигуру, а затем путем сдвигов или поворотов этой фи­ гуры получить описания и других конгруэнтных фигур. С этой це­ лью современные САП содержат такие операции преобразования контуров, как повторение со смещением, повторение с поворотом на заданный угол, зеркальное отображение. Как правило, управляющие программы для реализации стан­ ком с ЧПУ типовых технологических схем обработки типовых конструктивных элементов реализуются в виде макроопределений, или макросов. Под макроопределением в данном случае понимается набор элементов текста управляющей программы, описывающий опре­ деленную последовательность действий органов станка с соответ­ ствующими параметрами этих действий, имеющий свое уникаль­ ное наименование и допускающий многократное использование путем вызова по этому имени. Исходный текст макроопределения записывается с использо­ ванием формальных параметров, обозначенных буквенными вы­ ражениями. При вызове данного макроопределения этим формальным па­ раметрам присваиваются фактические числовые значения, соот­ ветствующие конкретному применению вызываемого макроопре­ деления. В процессе эксплуатации САП число таких макроопределений увеличивается, так что САП с банком макроопределений можно назвать обучаемой. 4.5. Управление автоматическими циклами Среди функциональных систем автоматического управления следует особо выделить автоматическое управление рабочими цик­ лами. Циклом называется такая совокупность изменений рабочего параметра (положения исполнительных органов, величин давле­ ния, температуры и др.) или комбинаций нескольких рабочих параметров, которая заканчивается при том же значении этих параметров, при котором она началась. Различают три типа автоматического технологического обору­ дования, использующего те или иные циклы: • автоматическое оборудование, работающее по неизменяемо­ му повторяющемуся рабочему циклу. Примером такого рода цик­ лов являются агрегатные станки, выполняющие фрезерные, свер­ лильные расточные и резьбонарезные операции путем осуществ­ ления движений многошпиндельных силовых головок. Многошпин­ дельные силовые головки в таких станках после возврата в исход­ ное положение сразу же начинают новый, но повторяющийся цикл движений;

• автоматическое оборудование, работающее по неизменяемо­ му рабочему циклу, у которого начало очередного цикла проис­ ходит в разные моменты времени, поскольку оно определяется специальным командным сигналом. Примером может служить выполнение автооператором в нужный момент циклов смены ре­ жущего инструмента в многоинструментных станках с автомати­ ческой сменой инструмента, т. е. в станках типа «обрабатывающий центр». В таких станках автооператор, осуществляющий автомати­ ческую смену инструмента, возвратившись в исходное положе­ ние, начинает новый цикл движений только после получения соответствующего командного сигнала;

• автоматическое оборудование, в котором момент начала оче­ редного цикла изме11яется, поскольку этот момент определяется специальным командным сигналом, и сам этот цикл может изме­ няться. Примером могут служить рабочие циклы, которые задаются для каждой детали в виде индивидуальных материальных моделейаналогов (шаблонов, наборов кулачков, системы упоров и т.д.). Важной разновидностью автоматического оборудования, реа­ лизующего автоматические рабочие циклы механической обра­ ботки, являются агрегатные станки, построенные из унифициро­ ванных узлов. К ним относятся такие станки, которые компону­ ются из самостоятельных функциональных унифицированных и частично специализированных узлов и деталей путем объедине­ ния их в единый агрегат с общей системой управления. Агрегатные станки являются специальными станками, кото­ рые применяются, главным образом, в массовом и крупносерий­ ном производствах. Однако агрегатные станки с переналаживае мыми узлами, использующими числовое программное управле­ ние, могут применяться также и в серийном производстве. Классификация унифицированных узлов агрегатных станков приведена на рис. 4.7. Агрегатные станки подразделяются на м а л ы е — с неболь­ шими силовыми головками с выдвижной пинолью мощностью в пределах 0,18...0,75 кВт, с р е д н и е — с силовыми головками с выдвижными пинолями и кулачковым приводом подачи мощно­ стью в пределах 1,1...3,0 кВт, к р у п н ы е — со специальными гидравлическими или электромеханическими столами, на кото­ рых устанавливают различные шпиндельные узлы. Принято также различать одно- и многопозиционные агрегат­ ные станки. В многопозиционных агрегатных станках заготовка обрабаты­ вается за несколько переходов, проходя при этом несколько ра­ бочих позиций последовательно, параллельно или последователь­ но-параллельно. Типовыми компоновками агрегатных станков являются верти­ кальная или горизонтальная.

Унифицированные узлы агрегатных станков Силовые узлы Силовая головка с кулачковым приводом Силовая головка с гидро­ приводом Силовой стол прямо­ линейного движения г Шпиндельные узлы Силовые бабки н И Ч Сверлильные Фрезерные Расточные Револьверные с веерным расположением шпинделей Много­ шпиндельные коробки Револьверные с параллельным расположением шпинделей Базовые узлы Станины Н Ч Ч Боковые Подставки Колонны Угольники упорные Транспортные узлы Столы делительные Встраиваемый со стружкосборником Встраиваемый без стружкосборника Накладной со стружкосборником Рис. 4.7. Классификационная схема унифицированных узлов агрегатных станков z 2 7 * " ~*I 5 Л, ^ Рис. 4.8. Схемы циклов движений силовых головок: / — быстрый подвод силовых головок;

2 — рабочая подача силовых головок одного зна­ чения;

3 — рабочая подача силовых головок другого значения;

4 — выстой на жестком упоре;

5 — быстрый возврат силовых голо­ вок в исходное положение ~n n_ ^ Возможные циклы движений для силовых головок, встречаю­ щиеся в технологических процессах механической обработки, приведены на рис. 4,8. Возможны и другие варианты циклов движений силовых голо­ вок агрегатных станков. Системы управления технологическими циклами обработки традиционно строятся на базе логических переключательных схем либо на базе электромеханических кулачковых командоаппаратов, нажимающих (при вращении вала с кулачками) в нужной после­ довательности на устройства типа путевых переключателей, воз­ действующих на электрические исполнительные цепи. Задающий кулачковый вал такого командоаппарата может вращаться либо с постоянной скоростью согласованно с движением главного при­ вода, либо он может поворачиваться в стартстопном режиме, когда его вращение включается лишь по сигналу о выполнении команд, включенных во время его же предьщущего движения. Для систем управления автоматическим циклом технологиче­ ского оборудования со сменными кулачками задающего вала ко­ мандоаппарата или со сменной системой упоров проектирование рабочего цикла для получения детали согласно ее рабочему черте­ жу состоит из следующих стадий: • составление схемы обработки, представляющей собой после­ довательность операций, выполняемых на данном оборудовании;

• составление расчетного листа наладки, включающего в себя параметры режимов, на которых должны выполняться эти опера­ ции;

• построение циклограмм, содержащих значения длительностей времени движений рабочих органов и причинно-следственные связи между этими движениями. При осуществлении автоматических циклов используется как управление в функции времени, так и в функции пути или же (в случае использования гидро- или пневмосистем) в функции дав­ ления. 4.6. Реализация систем управления на базе программируемых логических контроллеров Традиционно управление автоматическими циклами работы технологического оборудования осуществлялось с помощью схем релейно-контактной автоматики. Такое решение обеспечивает выполнение всех требуемых функций, что подтверждается всей многолетней практикой автоматизации. В то же время такое реше­ ние обладает и рядом принципиальных недостатков. Основными из этих недостатков являются: • необходимость разработки для каждого объекта автоматиза­ ции своей особенной принципиальной релейно-контактной схе­ мы;

• необходимость разработки полной конструкторской докумен­ тации на релейно-контактное устройство, реализующее данную принципиальную схему, включая выбор нужного числа типовых конструктивов (шкафов, монтажных субблоков, панелей, пуль­ тов, разъемов, коробов и т.п.), а также серийно выпускаемых и доступных электрических аппаратов, определяемых данной прин­ ципиальной схемой, выпуск соответствующих сборочных и рабо­ чих чертежей и спецификаций;

• необходимость разработки полной технологической докумен­ тации на данное конкретное релейно-контактное устройство, включая разработку маршрутной и операционной технологии из­ готовления и сборки, составление спецификаций и заказ стан­ дартного режущего и вспомогательного инструмента, констру­ ирование специального режущего и вспомогательного инстру­ мента;

• необходимость подготовки и организации производства дан­ ного релейно-контактного устройства, включая выбор и органи­ зацию отношений с поставщиками, создание необходимых запа­ сов сырья и комплектующих изделий, планирование и организа­ цию производственного процесса;

• необходимость выполнения всего производственного цикла данного конкретного устройства, включая изготовление специ­ альных и комплектацию типовых компонентов, сборку и подсборку данного конкретного устройства, осуществление всего объема монтажных работ;

• необходимость проведения для реализованного таким обра­ зом данного конкретного устройства полного объема его испыта­ ний на функциональное соответствие, надежность (определитель­ ных и контрольных), эргономичность, включая разработку про­ граммы и методики испытаний, а также проектирование, изго­ товление и проверку испытательных стендов;

• значительные габаритные размеры и энергопотребление реа­ лизованного таким образом конкретного устройства;

• отсутствие формализованных методов и средств для диагно­ стирования и локализации неисправностей в реализованном та­ ким образом конкретном устройстве;

• потенциальная ненадежность, связанная с большим числом электрических контактов в реализованном таким образом конк­ ретном устройстве. Первым шагом на пути перехода к более высокому техниче­ скому уровню систем управления автоматическими циклами ста­ ли попытки прямой замены элементов релейно-контактных схем их бесконтактными эквивалентами. Однако при этом исключался лишь один, хотя и очень важный, недостаток релейно-контакт­ ных схем, а именно их потенциальная ненадежность, обуслов­ ленная большим числом задействованных контактов. При этом возникали дополнительные трудности наладки и диагностирова­ ния, связанные с отсутствием наглядной визуализации срабаты­ вания или несрабатывания элементов, а также трудности в «раз­ множении» сигналов, которое в традиционных релейно-контакт­ ных схемах обеспечивалось наличием нескольких пар контактов у одного реле. Поэтому наряду с использованием новой элементной базы оказалось необходимым применить и новые принципы построе­ ния систем управления автоматическими циклами. Создание со­ временных систем управления стало возможным с появлением специального универсального устройства: программируемого ло­ гического контроллера (ПЛК) {англ. PLC — Programmable Logical Controller). Программируемый логический контроллер представляет собой комплектующее универсальное цифровое устройство, которое по­ требители, а не изготовители, настраивают на управление конк­ ретным циклом путем занесения в его память соответствующей рабочей профаммы (совокупности операторов) и соответствующей реализации его адресов с входными и выходными сигналами объек­ та управления, являющимися операндами. Профаммируемый логический контроллер построен по тем же принципам, что и универсальная цифровая вычислительная ма­ шина, поэтому с созданием ПЛК у изготовителя оказалась ре­ шенной проблема серийности и номенклатуры. Указанная про­ блема заключается в том, что изделие, выпускаемое по заказу для управления тем или иным конкретным объектом управления, не может изготовляться большой серией. Решением подобной про­ блемы является выпуск изготовителем большой серии универсаль­ ных устройств, которые «привязываются» к тому или иному кон­ кретному объекту силами самих потребителей, автоматизирую­ щих этот конкретный объект управления. Конструктивно ПЛК выпускаются либо в приборном исполне­ нии, предусматривающем установку данного ПЛК на столе, либо в консольном в исполнении, предусматривающем установку дан­ ного ПЛК на стене. Являясь универсальным цифровым вычислительным устрой­ ством, ПЛК содержит все характерные для персонального компь­ ютера функциональные блоки, а именно: процессор, оператив­ ное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), устройство ввода-вывода и индицирующее ус­ тройство. Вместе с тем ПЛК по своим архитектурным принципам харак­ теризуется и существенными структурными особенностями, от­ личающими его от персонального компьютера: • разрядная сетка ПЛК содержит в принципе лишь один разряд. Это значит, что в таком контроллере предусматривается обработ­ ка не заданных пакетами сигналов в том или ином цифровом коде чисел, а отдельных дискретных сигналов о срабатывании или не­ срабатывании предельных датчиков состояния тех или иных рабо­ чих органов. Результатом произведенной обработки этих сигналов являются также дискретные сигналы типа «включить» или «вык­ лючить», адресованные соответствующему исполнительному ме­ ханизму;

• минимально необходимая система команд ПЛК может быть ограничена лишь несколькими логическими операциями. Таковы­ ми в случае использования так называемого нормального логи­ ческого базиса являются три операции: дизъюнкция (соответству­ ющая параллельному соединению), конъюнкция (соответствую­ щая последовательному соединению) и отрицание (соответству­ ющее инвертирующему контакту). Наличие в системе команд ПЛК этих операций позволяет создавать программные эквиваленты любых релейно-контактных структур;

• входной язык программирования ПЛК основан на представ­ лении реализуемых им команд в виде булевых операторов (опера­ торов алгебры логики) либо в виде соответствующих им графи­ ческих символов релейно-контактных схем. Фразы такого входно­ го языка являются традиционными для проектировщиков прин­ ципиальных релейно-контактных схем автоматики;

• входными и выходными данными процесса вычислений яв­ ляются не массивы алфавитно-цифровой информации, вводимой и редактируемой персоналом до начала либо по окончании про­ цесса вычислительной обработки этих массивов и вне связи с объектом управления, а дискретные одноразрядные сигналы об­ мена данными с объектом управления, которые либо поступают в контроллер по мере их возникновения в объекте управления, либо генерируются самим контроллером в процессе вычислений. Существенной и неотъемлемой особенностью всякого ПЛК является наличие в его составе устройств ввода-вывода сигналов. Указанные устройства на каналах связи с объектом должны иметь параметры, используемые в данном конкретном объекте управле­ ния, а на каналах связи с ПЛК — параметры, используемые в данном ПЛК. На входы ПЛК, как и в случае заменяемых им релейно-контактных схем, сигналы могут поступать от конечных выключате­ лей, контролирующих положение подвижных рабочих органов;

различного рода оперативных устройств, используемых персона­ лом;

реле давления, контролирующих давление рабочей среды в соответствующих полостях гидро- и пневмосистем;

блок-контак­ тов пускателей, коммутирующих силовые цепи питания электро­ двигателей;

внутренних запоминающих элементов и др. Все эти источники входных сигналов ПЛК являются электрическими кон­ тактными или бесконтактными устройствами. Выходные сигналы от ПЛК поступают на исполнительные эле­ менты объекта управления такие, как усилители мощности, уп­ равляемые коммутирующие ключи, электромагнитные реле, кон­ такторы и пускатели, электроуправляемые пневмо- и гидрозолот­ ники, тормозные и зажимные механизмы, муфты, а также на раз­ личные устройства индикации и светосигнализации типа светодиодов, сигнальных лампочек, светофоров, транспарантов, табло и др. Устройство занесения программы в ПЛК для управления кон­ кретным объектом не обязательно должно быть конструктивно неотъемлемой частью данного ПЛК. Оно может быть также пере­ носным или возимым и подсоединяться к ПЛК только на время занесения в него программы управления. Для индикации текущего хода процесса управления в случае использования ПЛК может быть спроектировано специальное таб­ ло, соединяемое с этим ПЛК, но может использоваться и уни­ версальный монитор, входящий в состав комплектующего ПЛК. Комплекты устройств связи с объектом (входных и выходных устройств ПЛК) компонуются по агрегатно-модульному принци­ пу. Они состоят из нескольких блоков, каждый из которых пред­ ставляет собой ряд зажимов для подводов входных и выходных сигналов. Чтобы заказать тот или иной ПЛК, нужно предварительно про­ анализировать объект управления и определить суммарное число входов и выходов. В зависимости от этого числа различают малые ПЛК, у которых это число лежит в пределах от 16 до 64, средние ПЛК — от 128 до 512 и большие ПЛК — от 1 024 до 2 048 и более. Самым широко применяемым типоразмером ПЛК является средний ПЛК, используемый на агрегатных станках и наиболее распространенных автоматических линиях. Малые ПЛК обычно применяются для управления простыми промышленными робо­ тами, а также работают в составе систем числового программного управления станками типа «обрабатывающий центр», где они уп равляют циклами автоматического поиска и смены режущего ин­ струмента. Использование больших ПЛК обычно лимитируется принятой организацией производственного процесса. Процедура «привязки» к конкретному объекту полученного в виде комплектующего изделия ПЛК сводится к следующему: • по конструктивным соображениям производят распределение источников и адресатов по входным и выходным модулям ПЛК и им присваиваются внутрисистемные номера, под которыми они будут фигурировать в булевых или графических соотношениях, связывающих входы и выходы данного ПЛК;

• составляют написанные на входном языке данного ПЛК про­ граммы, определяющие требуемые причинно-следственные зави­ симости между выходами и входами данного ПЛК;

• производят установку ПЛК на объекте управления, включая трассирование его входных и выходных кабельных соединений;

• заносят в память ПЛК его рабочую программу;

• запускают занесенную в память ПЛК рабочую программу в стартстопном режиме, просматривая и проверяя реакцию ПЛК на совершение объектом управления тех или иных операций авто­ матического рабочего цикла;

• после редактирования и отладки рабочей программы ПЛК ее запускают в автоматическом цикле. Аргументы булевых соотношений, соответствующие входам ПЛК, однозначно определяют сигналы, поступающие с объекта управления. Обозначим их Xj(, где К — внутрисистемный номер данного аргумента. Функции, получаемые в результате применения булевых соот­ ношений к этим аргументам, соответствуют выходам ПЛК, т.е. сигналам, передающимся для исполнения на объект управления, и обозначаются Ys, где S — внутрисистемный номер данного вы­ ходного сигнала. Сигнал на выход ПЛК поступает не от объекта, а порождается самим ПЛК. Этот сигнал существует, пока рабочей программой ПЛК не будет выработан другой сигнал, который вызовет его сня­ тие. Поэтому все сигналы на выходе ПЛК следует считать потен­ циальными и не нужно оговаривать это специально, хотя сигна­ лы на входах ПЛК могут быть как потенциальными, так и им­ пульсными. Следует заметить, что современные ПЛК помимо логических функций, минимально необходимых для управления автомати­ ческими циклами, в ряде случаев выполняют функции, позволя­ ющие осуществлять также и арифметические операции, и обра­ ботку текстов. Они бывают снабжены устройствами внешней па­ мяти и различными устройствами печати, позволяющими доку­ ментировать ход производства.

4.7. Локальные вычислительные сети в системах автоматизации Для управления сложными объектами ПЛК обычно объединя­ ют с помощью универсальных локальных вычислительных сетей (ЛВС). ЛВС — это высоконадежная и высокоскоростная система передачи данных, которая обеспечивает взаимосвязь различных устройств обработки информации и управления равноправным или подчиненным способом, либо комбинацией обоих способов в пределах определенной ограниченной площади. Целью объедине­ ния ПЛК в такие сети является размещение ПЛК непосредствен­ но в зоне управляемого объекта, а также разделение выполняе­ мых им функций на ряд слабо связанных между собой функций и их распределение между несколькими устройствами. Это позволя­ ет осуществлять так называемое динамическое делегирование фун­ кций во время эксплуатации всей системы автоматизации. В ре­ зультате повышается пропускная способность и живучесть систе­ мы управления, увеличивается ее гибкость, а также возникает возможность на этапе эксплуатации системы по мере необходи­ мости наращивать управляюще-вычислительные мощности и воз­ лагать на систему управления дополнительные функции. Конструктивно локальные вычислительные сети представляют собой каналы различной конфигурации с ветвями и узлами. Узла­ ми таких сетей могут быть и ПЛК, а также и другие устройства обработки информации, применяющиеся для целей автоматиза­ ции. Такими устройствами могут быть, например, персональные компьютеры, устройства ЧПУ, микропроцессорные комплекты. ЛВС создает возможность объединения в единую систему авто­ матизации таких достаточно разнородных компонентов. ЛВС характеризуется следующими характеристиками: • базовые средства, используемые для реализации передачи информации;

• структура;

• методы передачи информации;

• методы адресации и выборки информационных сигналов. Базовые средства представляют собой физическую реализацию канала передачи информации, осуществляющего взаимосвязь уз­ лов сети. Эти средства подразделяют на ограниченные, к которым относятся витая пара проводов (бифилярная обмотка), коакси­ альный кабель, оптоволоконный кабель, и на неограниченные, к которым относятся радио- и микроволновые каналы, а также ка­ налы для передачи инфракрасных и других подобных сигналов. Наиболее эффективным базовым средством на данном этапе считается коаксиальный кабель, а применение средств волокон­ ной оптики в локальных сетях систем обработки производствен ной информации в машиностроении, несмотря на присущую им нечувствительность к электромагнитным помехам, затруднено, прежде всего, в силу отсутствия достаточно разработанных и на­ дежных разъемов и разветвителей. В настоящее время применяются следующие виды структуры ЛВС: звезда, кольцевая и магистральная (рис. 4.9). С т р у к т у р а т и п а з в е з д ы (рис. 4.9, а) характеризуется централизованной схемой передачи информации. Суммарная длина соединительных кабелей здесь наибольшая по сравнению с дру­ гими видами структур, а отказ центрального процессора выводит из работы всю локальную сеть. К о л ь ц е в а я с т р у к т у р а (рис. 4.9, б) также приводит к зна­ чительному расходу соединительного кабеля. Отказ центрального процессора здесь также может вывести из работы всю сеть, но можно предусмотреть обходные цепи. М а г и с т р а л ь н а я с т р у к т у р а (рис. 4.9, в) характеризует­ ся известной степенью усложнения передачи информации. Она требует наличия устройств, идентифицирующих сообщения и уп­ равляющих их приемом и передачей. Но при такой структуре зат­ раты соединительного кабеля оказываются наименьшими и она пригодна для расширения. Выход из строя какого-либо узла не приводит при магистральной структуре связей к потере работос­ пособности всей системы. На практике возможны также и различные комбинации опи­ санных структур. Например, в многоуровневых системах управле­ ния локальные устройства управления фуппами станков цикло­ вого действия обычно подключаются к устройствам, являющимся концентраторами данных, по схеме звезды, тогда как сами эти концентраторы данных и локальные устройства управления транс­ портными устройствами подключаются к центральному процес­ сору по магистральной схеме. Что касается метода передани информационных сигналов, то в ЛВС в основном используются два метода передачи этих сигна­ лов, называемые базовым и многополосным. При использовании п Z Зг^ Ъ Рис. 4.9. Схемы структур ЛВС:

а — структура типа звезды;

б — кольцевая структура;

в — магистральная структура базового метода информационные сигналы остаются в первона­ чальном виде и одному каналу соответствует одна жила кабеля. При многополосном методе передачи один физический канал используется для передачи нескольких независимых частотных каналов, работающих каждый на своей частоте. Адресация и выборка сигналов в большинстве случаев осущест­ вляется одним из двух методов: с использованием опознаватель­ ных меток и параллельным доступом к различным несущим час­ тотам и с использованием совпадений. В соответствии с первым из двух названных способов адресуемый пакет информации, ко­ торый может содержать несколько байтов, должен также обяза­ тельно иметь определенный кодовый набор (метку), вместе с ко­ торым он перемещается от узла к узлу. Наличие такой же метки в том или ином узле предоставляет именно ему доступ к информа­ ции, содержащейся в данном пакете. Сущность второго метода ясна из его названия. Компоновка систем автоматизации из разнородных устройств приводит к необходимости стандартизации связей между этими устройствами. Характерным представителем стандартов, регламен­ тирующих обмен информацией между устройствами, объединен­ ными в ЛВС, является разработанный международной организа­ цией по стандартизации ISO стандарт ISO —OSI. В соответствии с этим стандартом процедура обмена информа­ ционными данными стандартизуется по семи уровням. Эти уров­ ни стандартизации, начиная с самого низкого, таковы: 1) физический уровень, определяющий электрические, меха­ нические и функциональные характеристики схем обмена инфор­ мацией;

2) уровень канала передачи данных, на котором устанавлива­ ется, поддерживается и блокируется канал передачи информации и контрольных сигналов;

3) уровень коммуникации, на котором назначается тактность, осуществляется переключение, сегментация, блокирование и кон­ троль передаваемых массивов, а также восстановление ошибочно переданных сигналов;

4) уровень передачи, на котором осуществляется передача дан­ ных, непрерывный контроль и мультиплексирование;

5) уровень сеансов связи, на котором осуществляется диспет­ черизация и контроль сеансов обмена информацией между двумя объектами;

6) уровень воспроизведения, на котором происходит интер­ претация данных, преобразование форматов и кодов;

7) уровень применения, на котором осуществляется использо­ вание принятых данных. Практически в настоящее время существуют и могут быть при­ обретены и использованы при решении конкретных задач автома тизации типовые сетевые средства, способные объединять в еди­ ную систему такие разнородные устройства, как, например, ПЛК различных типоразмеров, устройства ЧПУ, разнообразные табло, пульты управления, локальные специализированные управляю­ щие устройства и т.д.

4.8. Автоматизация станочных комплексов Системы управления станочными комплексами представляют собой, как правило, центральный компьютер или компьютерную сеть, которые через мультиплексорное устройство либо в режиме разделения времени одновременно управляют несколькими стан­ ками, в том числе и несколькими станками с ЧПУ. Для того чтобы отдельные станки с ЧПУ конструктивно и с точки зрения осуществляемого ими производственного процесса были пригодны к объединению в единый станочный комплекс, нужно, чтобы на них по соответствующим командам от системы управления осуществлялась автоматическая смена заготовок, а также поиск в инструментальном магазине и автоматическая сме­ на режущего инструмента. В таких станках литые корпусные заготовки, не пригодные для самостоятельной установки на рабочем столе станка обычно пред­ варительно закрепляются на установочных приспособлениях — спутниках, называемых также налетами. Заготовки деталей типа тел вращения обычно упорядоченно устанавливаются в специ­ альных приспособлениях, которые в этом случае называются кас­ сетами, откуда эти заготовки устанавливаются в шпиндель станка. Обычно это может делаться промышленным роботом. Налеты с закрепленными на них заготовками или кассеты, содержащие за­ готовки деталей типа тел вращения, доставляются и устанавлива­ ются у станков на позициях локальных накопителей. Инструмент обычно предварительно собирается в инструментальные комплек­ ты, которые затем доводятся и юстируются в специальном инст­ рументальном отделении, снабженном соответствующими зато­ чными станками и контрольно-измерительными приборами и стен­ дами. Примером таких инструментальных комплектов может слу­ жить борштанга с коническим хвостовиком, на которой с нуж­ ным вылетом закрепляются и затачиваются расточные резцы. Дру­ гим примером инструментальных комплектов может служить на­ ладка для многоинструментной токарной обработки, представля­ ющая собой державку с жестко закрепленными в ней резцами. Профиль заточки и величина вылета резцов, установленных в борштанге или в державке, могут контролироваться с помощью име­ ющихся в инструментальном отделении контрольно-измеритель­ ных приборов, например инструментального микроскопа и опти ческого проектора. После сборки и юстировки подобных инстру­ ментальных комплектов они, обычно вручную, устанавливаются в гнезда (рабочие позиции) инструментального магазина. В процессе эксплуатации система управления данным стано­ чным комплексом должна генерировать и вьщавать специальные командные сигналы на смену заготовки и инструментального ком­ плекта. Конструкции и типоразмеры локальных накопителей могут быть самыми разнообразными. Самыми распространенными из них яв­ ляются следующие: • кольцевой замкнутый поворотный накопитель с возможно­ стью подачи налет или кассет в любой последовательности;

• овальный замкнутый поворотный накопитель, также облада­ ющий возможностью подачи налет или кассет в любой последо­ вательности, но установленный между двумя станками и обслу­ живающий оба станка;

• прямоугольный накопитель, допускающий возможность по­ дачи налет или кассет лишь в определенной последовательности, но допускающий обслуживание двух станков;

• линейный накопитель, являющийся разновидностью прямо­ угольного, имеющий отдельные ветви для установки налет или кассет на станок и для снятия налет или кассет со станка;

• локальный неподвижный накопитель обычно полукольцевой конструкции, связанный со станком промышленным роботом и допускающий возможность подачи налет или кассет в любой по­ следовательности;

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.