Числове програмне керування

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Числове́ програ́мне керува́ння (ЧПК) (англ. Computer numerical control) — комп'ютеризована система керування, яка зчитує командні інструкції спеціалізованої мови програмування (наприклад, G-код) і керує приводами метало-, дерево- чи пластмасообробних верстатів та верстатним оснащенням.

Числове керування (англ. Numerical control) — автоматичне керування процесом, що здійснюється пристроєм, який використовує числові дані, що, як правило, уводяться під час виконання операції (посилання: ISO 2382).

Абревіатура ЧПК відповідає двом англомовним — NC і CNC, — що відображає еволюцію розвитку систем керування устаткуванням:

  • Системи типу NC (англ. Numerical control), що з'явилися першими, передбачали використання жорстко заданих схем управління обробкою — наприклад, задання програми за допомогою штекерів чи перемикачів, зберігання програм на зовнішніх носіях. Якихось пристроїв оперативного зберігання цих керуючих процесорів не передбачалося;
  • Сучасніші системи ЧПК, що мають назву CNC (англ. Computer numerical control), базуються на системі керування побудованій на:

Історія[ред. | ред. код]

Змінювані програми, нанесені на перфокарти за допомогою двійкового коду, використовувалися вже в ткацькому верстаті Жаккара, створеному в 1801 році.

Винахідником першого верстата з числовим (програмним) управлінням (англ. Numerical Control, NC) є Джон Персонс (John T. Parsons), що працював інженером в компанії свого батька Parsons Inc, що випускала в кінці Другої світової війни пропелери для вертольотів. Він вперше запропонував використовувати для обробки пропелерів верстат, що працює за програмою, що вводиться з перфокарт.

У 1949 році ВПС США профінансували Parsons Inc розробку верстата для контурного фрезерування складних за формою деталей авіаційної техніки. Однак компанія не змогла самостійно виконати роботи і звернулася за допомогою в лабораторію сервомеханіки Массачусетського технологічного інституту (англ. Massachusetts Institute of Technology). Співпраця Parsons Inc з MIT тривало до 1950 року. У 1950 році MIT придбав компанію з виробництва фрезерних верстатів Hydro-Tel і відмовився від співпраці з Parsons Inc, уклавши самостійний контракт з ВПС США на створення фрезерного верстата з програмним керуванням.

У вересні 1952 верстат був вперше продемонстрований публіці — про нього була надрукована стаття в журналі Scientific American. Носієм програми верстата була перфострічка.

Перший верстат з ЧПК відрізнявся особливою складністю і не міг бути використаний у виробничих умовах. Перший серійний пристрій ЧПК було створено компанією Bendix Corp. в 1954 році, і з 1955 року він став встановлюватися на верстати. Широке впровадження верстатів з ЧПК йшло повільно. Підприємці з недовірою ставилися до нової техніки. Міністерство оборони США змушене було на свої кошти виготовити 120 верстатів з ЧПК, щоб передати їх в оренду приватним компаніям.

Першими радянськими верстатами з ЧПК промислового застосування є токарно-гвинторізний верстат 1К62ПУ і прокатні 1541П. Ці верстати були створені в першій половині 1960-х років. Верстати працювали спільно з керуючими системами типу ПРС-3К та іншими. Потім були розроблені вертикально-фрезерні верстати з ЧПК 6Н13 з системою управління «Контур-ЗП». У наступні роки у СРСР для токарних верстатів найбільшого поширення набули системи ЧПК 2Р22 і Електроніка НЦ-31.

Числове програмне керування також характерно для систем управління сучасними промисловими роботами.[джерело?]

Абревіатура ЧПК відповідає двом англомовним — NC и CNC, що віддзеркалюють еволюцію розвитку систем управління обладнанням.

  1. Системи типу NC (англ. Numerical Control), що з'явилися першими, передбачали використання жорстко заданих схем управління обробкою — наприклад, завдання програми за допомогою штекерів або перемикачів, зберігання програм на зовнішніх носіях. Будь-яких пристроїв оперативного зберігання даних, керуючих процесорів не передбачалося.
  2. Більш сучасні системи ЧПК, звані CNC (англ. Computer numerical control) — системи управління, що дозволяють використовувати для модифікації існуючих/написання нових програм програмні засоби. Базою для побудови ЧПК служать сучасний (мікро)контролер або (мікро)процесор:
  3. мікроконтролер,
  4. контролер з програмованої логікою,
  5. керуючий комп'ютер на базі мікропроцесора.

Можлива реалізація моделі з централізованим автоматизованим робочим місцем (наприклад, «ABB Robot Studio», «Microsoft Robotics Developer Studio») з подальшим завантаженням програми за допомогою передачі з промислової мережі.

Апаратне забезпечення[ред. | ред. код]

Токарний верстат з системою управління ЧПК
Кошик з контролерами і платами обв'язки Siemens Sinumerik. Висунуто плата енкодерів
Панель управління ЧПК Siemens Sinumeriс

Числове програмне керування (ЧПК) — комп'ютеризована система управління, керуюча приводами технологічного обладнання, включаючи верстатне оснащення. Устаткування з ЧПК може бути представлено:

  • верстатний парк, наприклад, верстатами (верстати, обладнані числовим програмним управлінням, називаються верстатами з ЧПК) для обробки металів (наприклад, фрезерні чи токарні), дерева, пластмас, для різання листових заготовок, для обробки тиском і т. д.
  • приводами асинхронних електродвигунів, що використовують векторне управління;
  • характерною системою управління сучасними промисловими роботами.
  • Периферійні пристрої, наприклад: 3D-принтер, 3D-сканер.
Поруч стоять шафи сучасних систем управління двох промислових роботів FANUC R200iB

Структурно до складу ЧПК входять:

  • пульт оператора (або консоль вводу-виводу), що дозволяє вводити керуючу програму, задавати режими роботи; виконати операцію вручну. Як правило, всередині шафи пульта сучасної компактної ЧПК розміщуються її інші частини;
  • дисплей (або операторська панель) — для візуального контролю режимів роботи і редагованої керуючої програми/даних; може бути реалізований у вигляді окремого пристрою для дистанційного керування обладнанням;
  • контролер — комп'ютеризоване пристрій, вирішальне завдання формування траєкторії руху ріжучого інструменту, технологічних команд управління пристроями автоматики верстата, загальним управлінням, редагування керуючих програм, діагностики та допоміжних розрахунків (траєкторії руху ріжучого інструменту, режимів різання);
  • Постійний запам'ятовувач — пам'ять, призначена для довготривалого зберігання (роки і десятки років) системних програм і констант; інформація з неї може тільки зчитуватися;
  • Оперативна пам'ять — призначена для тимчасового зберігання керуючих програм і системних програм, що використовуються в даний момент.

У ролі контролера виступає промисловий контролер, як то: мікропроцесор, на якому побудована вбудована система; програмований логічний контролер або більш складний пристрій управління — промисловий комп'ютер.

Важливою характеристикою CNC-контролера є кількість осей (каналів), які він здатний синхронізувати (управляти) — для цього потрібна висока продуктивність і відповідне ПЗ.

Як виконавчі механізми використовуються сервоприводи, крокові двигуни.

Для передачі даних між виконавчим механізмом і системою управління верстатом зазвичай використовується промислова мережа (наприклад, CAN, Profibus, Industrial Ethernet).

Кілька верстатів з ЧПК можуть об'єднатися в гнучку автоматизовану виробничу систему, яка, в свою чергу, може бути доповнена гнучкою автоматизованою ділянкою і увійти до складу автоматичної лінії (виробництва масштабу ділянки або цеху).[джерело?]

Верстати, обладнані числовим програмним керуванням, називаються верстатами з ЧПК. Окрім металорізальних (наприклад, фрезерні чи токарні), існує устаткування для різання листових заготовок, для обробки тиском.

Програмне забезпечення[ред. | ред. код]

Найпоширенішою мовою програмування ЧПК для металорізального устаткування описана документом ISO 6983 Міжнародного комітету із стандартів і називається «G-код». В окремих випадках — наприклад, системи керування гравіювальними верстатами — мова керування принципово відрізняється від стандарту. Для простих завдань, наприклад, розкрою плоских заготовок, система ЧПК як вхідна інформація може використовувати текстовий файл у форматі обміну даними — наприклад DXF або HP-GL.

Після того як складена керуюча програма, оператор за допомогою програматора вводить її в контролер. Команди керуючої програми розміщуються в оперативній пам'яті. У процесі створення або після введення керуючої програми оператор (в даному аспекті виконує роль програміста) може відредагувати її, включивши в роботу системну програму редактора і виводячи на дисплей всю або потрібні частини керуючої програми і вносячи в них необхідні зміни. При роботі в режимі виготовлення деталі керуюча програма кадр за кадром надходить на виконання. Відповідно до команд керуючої програми контролер викликає з постійної пам'яті відповідні системні підпрограми, які змушують працювати підключене до ЧПК обладнання в необхідному режимі — результати роботи контролера у вигляді електричних сигналів надходять на виконавчий пристрій — приводи подачі, або на пристрої керування автоматикою верстата.

Керуюча система зчитує інструкції спеціалізованої мови програмування (наприклад, G-код) програми, який потім інтерпретатором системи ЧПК перекладається з вхідного мови в команди управління головним приводом, приводами подач, контролерами управління вузлів верстата (наприклад, включити / виключити подачу охолоджуючої емульсії).

Розробка керуючих програм в даний час[коли?] виконується з використанням спеціальних модулів для систем автоматизованого проектування (САПР) або окремих систем автоматизованого програмування (CAM), які електронною моделі[Що?] генерують програму обробки.

Для визначення необхідної траєкторії руху робочого органу в цілому (інструменту / заготовки) відповідно до керуючої програми використовується інтерполятор, що розраховує положення проміжних точок траєкторії по заданих у програмі кінцевим.

У системі керування, окрім самої програми, присутні дані інших форматів і призначення. Як мінімум, це машинні дані і дані користувача, специфічно прив'язані до конкретної системи керування або до певної серії (лінійки) однотипних моделей систем керування.

Програма для верстата (обладнання) з ЧПК може бути завантажена з зовнішніх носіїв, наприклад, магнітної стрічки, перфорованої паперової стрічки (перфострічки), дискети або флеш-накопичувачів у власну пам'ять або тимчасово, до вимкнення живлення — в ​​оперативну пам'ять. У випадку оновлення вмісту постійної пам'яті (наприклад, флеш-пам'яті або твердого або SSD-диску) програма зберігається і після вимкнення живлення. Крім цього, сучасне обладнання підключається до централізованих систем управління за допомогою заводських (цехових) мереж зв'язку.

Найбільш поширена мова програмування ЧПК для металорізального обладнання описаний документом ISO 6983 Міжнародного комітету зі стандартів і називається «G-код». В окремих випадках — наприклад, системи управління гравірувальними верстатами — мова управління принципово відрізняється від стандарту. Для простих завдань, наприклад, розкрою плоских заготовок, система ЧПК як вхідну інформацію може використовувати текстовий файл у форматі обміну даними — наприклад, DXF або HPGL.

Інтерпретатор системи ЧПК проводить переведення програм з вхідної мови в команди керування головним приводом, приводами подач, контролерами керування вузлами верстата (увімкнути/вимкнути охолодження, швидкості переміщення і т.і.). Для визначення необхідної траєкторії руху робочого органу в цілому (інструменту/заготовки) відповідно до керуючої програми, використовується інтерполятор, що розраховує положення проміжних точок траєкторії відповідно до координат заданих у програмі точок.

Джерела[ред. | ред. код]