POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

WYDZIAŁ: MECHANICZNY - TECHNOLOGICZNY

KIERUNEK: WYCHOWANIE TECHNICZNE

Ćwiczenie:

MASZYNY TECHNOLOGICZNE STEROWANE NUMERYCZNIE

Gabrysiak Krzysztof

Grupa dziekańska I

Obrabiarka sterowana numerycznie

Wstęp

Układ napędu posuwów obrabiarki sterowanej numerycznie jest urządzeniem realizującym ruch i ustalanie położenia przesuwnych części obrabiarki, odpowiednio do sygnałów wynikających z informacji zawartych w zmiennym programie jej pracy. Działanie zespołu napędu posuwów ściśle jest związane z elektronicznym systemem przetwarzania danych i zainstalowanym na obrabiarce układem kontroli położenia. Dla wyjaśnienia zasady działania różnych systemów napędowych, niezbędnym jest podanie podstawowych informacji o wszystkich zespołach obrabiarek sterowanych numerycznie, a w szczególności o tych zespołach elektronicznych, które decydują o wyborze napędu i wymaganej dokładności jego pracy. Należy również zdawać sobie sprawę z wielkich możliwości sterowniczych, jakie stworzone zostały w wyniku rozwoju podstawowych elementów elektronicznych (obwodów scalonych, tranzystorów mocy itp.) i konieczności dostosowania napędu do tych osiągnięć. W początkowej części rozdziału omówiono podstawowe zespoły obrabiarek sterowanych numerycznie i związane z rodzajem obróbki systemy sterowania. W dalszym ciągu omówiono sposób wprowadzania informacji, w szczególności tych, które dotyczą danych geometrycznych, prędkości ruchu, oznaczeń osi współrzędnych i znormalizowanych kierunków ruchu.

Przy omawianiu ogólnej struktury układów sterowania, możliwym było wyjaśnienie niektórych problemów jednoczesnej unifikacji zespołów napędowych i elektronicznych dla kilku odmian szaf sterowniczych.

Obrabiarka sterowana numerycznie

Obrabiarka sterowana numerycznie (obrabiarka NC) NC - Numerical Control jest maszyną przeznaczoną do kształtowania przedmiotów przez skrawanie określonych warstw materiału, według danych liczbowych wprowadzonych do układu sterowania. Dane liczbowe, wynikające z konstrukcyjnego rysunku obrabianego przedmiotu, określają tor narzędzia w systemie współrzędnych, przyjętych odpowiednio do układu prowadnic obrabiarki. Obok informacji o torze narzędzia określane są również zadania technologiczne (prędkość ruchu obrotowego wrzeciona, prędkość posuwu, numer narzędzia), jak również żądany rodzaj zabiegu (np. toczenie, wiercenie, frezowanie, nacinanie gwintu). Program w postaci zakodowanych informacji utrwalonych na taśmie dziurkowanej zawiera dane do sterowania obrabiarki i może być sporządzony ręcznie przy użyciu maszyn biurowych, lub automatycznie na maszynie cyfrowej.

Wprowadzenie numerycznego sterowania wszystkich czynności obrabiarki, które w systemie sterowania konwencjonalnego realizowane były ręcznie lub przez mechanizmy o stałym programie (np. napęd krzywkowy w automatach tokarskich) stało się możliwym przede wszystkim dzięki zastosowaniu urządzeń elektronicznych) przetwarzających dane uzyskane z taśmy dziurkowanej. Oczywiście, uzyskanie pełnej automatyzacji sterowania wszystkich czynności realizowanych przez poszczególne zespoły obrabiarki jest tylko wtedy możliwe, gdy mogą być one sterowane sygnałami elektrycznymi.

Zestaw urządzeń stanowiących niezbędne wyposażenie obrabiarki sterowanej numerycznie jest przedstawiony na przykładzie frezarki jednostojakowej (rys. 1). Urządzeniem o znaczeniu zasadniczym jest szafa sterowania numerycznego l, zawierająca czytnik taśmy dziurkowanej, układy elektroniczne oraz pulpit z wskaźnikami cyfrowymi, nastawnikami dekadowymi i przyciskami służącymi do ręcznego wprowadzania informacji. Układy logiczne tej szafy są połączone z zespołem dopasowującym 2 (interfese) zawierającym urządzenia przekaźnikowe i stycznikowe, służące do włączania zespołów elektromechanicznych znajdujących się na obrabiarce (np. sprzęgieł elektromagnetycznych w napędzie wrzeciona, mechanizm obrotu głowicy rewolwerowej, zacisku uchwytów do mocowania obrabianego przedmiotu, silnika pompki do chłodziwa itp.). W najnowszych rozwiązaniach w miejsce przekaźników i styczników są wprowadzane półprzewodnikowe układy logiczne z zespołami wyjściowymi, zawierającymi tranzystory mocy lub triaki (bezstykowe aparaty do włączania urządzeń prądu przemiennego, zawierające tyrystory).

Zwykle w osobnej szafie 3 są umieszczane wzmacniacze tyrystorowe, zasilające silniki prądu stałego napędu wrzeciona. Jeżeli obrabiarka jest wyposażona w serwonapęd posuwu z silnikiem prądu stałego, to również w tej szafie umieszcza się wzmacniacze tyrystorowe dla tego napędu. W obrabiarkach z serwonapędem elektrohydraulicznym, w bezpośrednim sąsiedztwie obrabiarki umieszcza się zasilacz hydrauliczny, zawierający pompę, zbiornik i niezbędny osprzęt.

Najbardziej istotnym zespołem obrabiarek sterowanych numerycznie, jest część wykonawcza serwonapędu, która zawiera serwomechanizmów silnik elektryczny 4 (lub hydrauliczny), który bezpośrednio lub przez przekładnię jest sprzężony ze śrubą kulkową S, która przesuwa sanie obrabiarki. W tylnej części silnika jest zainstalowany układ pomiaru położenia 6 sprzęgnięty z wałem silnika. W ten sposób są zlokalizowane układy pomiaru położenia o działaniu pośrednim. Jeżeli obrabiarka jest wyposażona w układ pomiarowy o działaniu bezpośrednim, to układ pomiarowy liniowy 7 jest mocowany do sań i korpusu obrabiarki.

Sygnał prędkościowego sprzężenia zwrotnego uzyskuje się z prądnicy tachometrycznej 5, sprzęgniętej bezpośrednio z wałkiem silnika serwomechanizmowego. Z typowych urządzeń stosowanych w obrabiarkach sterowanych numerycznie wymienić należy również zderzaki z mikrołącznikami elektrycznymi, które ograniczają przesuw ssań obrabiarki i stanowią zabezpieczenie przed nadmiernym ich przesuwem oraz mikrołączniki określające położenia bazowe przesuwnych części obrabiarki.

Obrabiarki, na których przewidziana jest możliwość nacinania gwintu według programu wyposażone są w przetwornik obrotowo-impulsowy, sprzęgnięty odpowiednią;. przekładnią z wrzecionem. Przetwornik ten wysyła na jeden obrót wrzeciona określoną ilość impulsów, które wykorzystywane są przez układ sterujący do synchronizowania ruchu posuwowego sań obrabiarki z obrotami wrzeciona, tak aby uzyskać żądany skok nacinanego gwintu.

Urządzenia i zespoły przedstawione na przykładzie frezarki sterowanej numerycznie stanowią typowe wyposażenie, z którym można się spotkać również w każdym innym rodzaju obrabiarek sterowanych numerycznie. Niektóre typy obrabiarek muszą być wyposażone w specjalne urządzenia, których wprowadzenie wynika z zadań technologicznych spełnianych przez te maszyny.

Rys. l Wyposażenie obrabiarki sterowanej numerycznie przedstawione na przykładzie frezarki jednostojakowej:

1—szafa z układem sterowania numerycznego, 2 — szafa z układami

dopasowującymi, 3 — szafa z układami tyrystorowymi do zasilania silników prądu stałego w napędzie posuwów i wrzeciona, 4 — elektryczny silnik serwonapedowy, 5— prądnica tachometryczna, 6 — obrotowy układ pomiaru położenia, 7—liniowy układ pomiarowy,

8— śruba kulkowa

Przykładem może być centrum obróbkowe z magazynem narzędzi i urządzeniem automatycznej ich wymiany. obrabiarki te umożliwiają przeprowadzenie na jednym przedmiocie wszystkich operacji obróbkowych, takich jak frezowanie, wytaczanie, wiercenie i gwintowanie, według programu określonego taśmą dziurkowaną. Zasadniczym zespołem automatyzującym pracę tej maszyny jest obrotowy magazyn, w którym umieszczone są narzędzia oznakowane kodowo (np. przez założenie na oprawkę narzędziową pierścieni o różnych średnicach). Umieszczone w sąsiedztwie obrotowego magazynu urządzenie odczytujące jest zdolne wyszukać wśród narzędzi to, które powinno być wyjęte z magazynu i automatycznie przez podajnik założone do wrzeciona. Sterowanie magazynu, podajnika i mocowania narzędzia we wrzecionie odbywa się całkowicie automa­tycznie—najczęściej przy wykorzystaniu hydraulicznych urządzeń napędowych, włączanych do ruchu poprzez rozdzielacze sterowane elektromagnetycznie. Wykonanie poszczególnych ruchów, realizowanych przez mechanizmy tych urządzeń jest sygnalizowane włączeniem mikrołączników lub przekaźników ciśnieniowych.

Poza układem napędu posuwów, inne zespoły umieszczone na obrabiarce sterowanej numerycznie złożone są z elementów o pracy dwustanowej (np. włączenie lub wyłączenie sprzęgła elektromagnetycznego). Od jakości tych elementów uzależniona jest niezawodność działania obrabiarki, a tylko niektóre z nich i to w niewielkim stopniu mają wpływ na jej dokładność. Natomiast uzyskanie wysokiej dokładności obróbki, jednego z podstawowych parametrów jakości obrabiarki sterowanej numerycznie, uzależnione jest od właściwego doboru układów napędu posuwów i pomiaru położenia odpowiednio do typu obrabiarki, jej wielkości i systemu sterowania.

Dokonując wyboru układu napędowego, trzeba oczywiście uwzględnić wszystkie problemy kinematyczne i dynamiczne, związane z różnym sposobem prowadzenia narzędzia względem obrabianego przedmiotu i występujące w trzech podstawowych systemach sterowania: odcinkowym, punktowym i ciągłym. Elementarne ruchy narzędzia dla tych trzech systemów oraz przykładowe ich zastosowanie w różnych typach obrabiarek przedstawia rys. 2.

Sterowanie punktowe. Systemem punktowym sterowane są obrabiarki, które wykonują w różnych miejscach przedmiotu operacje wiercenia, rozwiercania i gwintowania (rys. 2a). Typowym zastosowaniem tego systemu jest sterowanie wiertarek. Po wykonaniu wiercenia otworu A, narzędzie powinno w najszybszym czasie przesunąć się do punktu B, celem wykonania następnego otworu. Ważne jest, aby to przemieszczenie było szybkie, natomiast droga przesunięcia może być dowolna, gdyż narzędzie w tym czasie nie styka się z przedmiotem. Najczęściej, ze względu na jednakową prędkość ruchu posuwowego, narzędzie porusza się początkowo wzdłuż linii zorientowanej pod kątem 45° do osi przesuwu AT. a następnie równolegle do jednej i osi. Pozycjonowanie (osiągnięcie zadanej pozycji) narzędzia w określonych punktach, po jego przesunięciu, powinno być przeprowadzone z wymaganą dokładnością.

Sterowanie odcinkowe. Systemem odcinkowym sterowane są obrabiarki, które wykonują operacje frezowania, toczenia i wytaczania (rys. 2b). Narzędzie przemieszcza się od punktu A do punktu B wzdłuż linii równoległej do jednej z prowadnic. Następnie, od punktu B do C wzdłuż linii równoległej do innej prowadnicy i prostopadłej do poprzedniego kierunku ruchu. W czasie kolejnych, wzajemnie prostopadłych przejść, narzędzie skrawa określone warstwy materiału i dlatego szybkość przemieszczania musi być sterowana dla zachowania odpowiednich warunków

skrawania. System sterowania umożliwia obróbkę płaszczyzn przy użyciu frezów oraz otworów przy użyciu wierteł, wytaczadeł i rozwiertaków. System odcinkowy może być również zastosowany do tokarek, dla toczenia wałków pozbawionych powierzchni stożkowych i kulistych.

W punktach zwrotnych wymagane jest zachowanie żądanej dokładności pozycjo­nowania.

Ze względu na małe różnice w wyposażeniu elektronicznego układu sterowania dla systemów punktowego i odcinkowego, większość wytwórców buduje układy uni­wersalne odcinkowo-punktowe.

Sterowanie ciągle. System sterowania ciągłego wykorzystywany jest do obróbki przedmiotów o złożonych kształtach (rys. 2c). Narzędzie porusza się między wyznaczonymi punktami wzdłuż linii prostej tuku lub paraboli. W czasie obróbki czynny jest kontrolowany napęd wzdłuż dwóch, trzech lub więcej osi. Prędkość, styczna do linii po której przesuwa się narzędzie, musi być sterowana dla zachowania stałej jej wartości na całej długości linii. Elektroniczny system sterowania obrabiarki wyposażony jest w interpolatory: liniowe, liniowo-kołowe lub liniowo-kołowo-paraboliczne.

Typowym zastosowaniem jest sterowanie frezarek do obróbki przedmiotów o złożonych kształtach oraz tokarek do obróbki wałków z powierzchniami stożkowymi i kulistymi.

Liczba sterowanych osi. Liczba sterowanych osi napędu posuwu w obrabiarce jest uzależniona od przyjętego sposobu obrabiarki. Z punktu widzenia geometrii, kształt bryły może być całkowicie określony w układzie trzech osi współrzędnych. Można by stąd sądzić, że nie ma potrzeby budowania obrabiarek o więcej niż trzech osiach sterowanych. W rzeczywistości, ze względów technologicznych w niektórych wypadkach jest konieczne wyposażenie obrabiarki, niezależnie od trzech wzajemnie prostopadłych osi przesunięć ATZ, w jedną lub dwie osie obrotu przedmiotu obrabianego. Skręt lub pochylenie przedmiotu wykorzystywane są przy obróbce jego powierzchni tylnych i bocznych. W obrabiarkach o wielu osiach sterowanych spotkać się można z mieszanymi systemami sterowania, np. budowane są obrabiarki o trzech osiach sterowanych systemem ciągłym i dwóch osiach obrotu sterowanych systemem punktowo-odcinkowym.

Adresowanie informacji i kody

Wprowadzane do układu za pośrednictwem taśmy dziurkowanej informacje składają się z szeregu zdań (bloków informacji). Zdanie jest zbudowane z wyrazów, określających poszczególne czynności, jakie zgodnie z programem powinna wykonać obrabiarka. Wyraz składa się z litery adresowej i szeregu cyfr. Znaczenie liter adresowych określają zalecenia ISO/R 1058-1969 (Intemational Standardization Organisation).

Zdania formowane są przy zachowaniu następującej kolejności stów, rozpoczynających się od liter adresowych:

1. Słowo określające numer zdania N...

2. Słowo określające funkcje przygotowawcze G...

3. Słowo określające współrzędne X, Y, Z, U, V,

W, A, B, C, I, J, K...

4. Słowo określające funkcję posuwu F...

5. Słowo określające funkcję prędkości wrzeciona S...

6. Słowo określające funkcje narzędziowe T...

7. Słowo określające funkcje różne M...

Normalizacją objęto również oznaczenia liczbowe, umieszczone bezpośrednio po

literach adresowych (zalecenie ISO/R 1056-1969).

Rys.3 Przykład zdania z programu przeznaczonego do sterowania odcinkowo-punktowego wiertarko-frezarki z głowicą rewolwerową. Znaczenie iłów: N032-32 numer zdania, 000 — sterowanie punktowe, JT+13120— wielkość przesunięcia wzdłuż osi X o 138.20 mm w kierunku dodatnim, Y- 282,00— wielkość przesunięcia wzdłuż od y o 282,00 w kierunku ujemnym. 2-16 00— wielkość przesunięcia wzdłuż osi Z o 16 00 mm w kierunku ujemnym, F99 _ posuw szybki, S78-71 (stopień prędkości wrzeciona. T05- 5 numer narzędzia, M04 — obroty zgodni z ruchem zegara w (stosunku do przedmiotu, HT — włączenie tabulatora przy przepisywaniu programu.

Funkcje przygotowawcze G wykorzystywane są do wewnętrznego sterowania układu elektronicznego. Funkcje te mają za zadanie przygotować układ do takiego przetwarzania danych geometrycznych, aby uzyskać przewidziane programem warunki ruchu wszystkich przesuwnych części obrabiarki. Użycie części słów przewidzianych w funkcjach G związane jest pośrednio z odpowiednim sterowaniem systemu napędu posuwów.

Funkcje posuwu F określają prędkość ruchu posuwnego. liczba umieszczona po

literze F wyznacza (stopień prędkości (wg szeregu geometrycznego) np. F50 odpowiada prędkości 315 mm- min-1, lub wielkość posuwu (przy stosowaniu szeregu arytmetycznego); np. F560 odpowiada prędkości 560 mm-min¹.

Funkcje prędkości wrzeciona S określają prędkość obrotową wrzeciona w stopniach prędkości, wg przyjętego szeregu geometrycznego lub bezpośrednio w obr / min-¹.

Funkcje narzędzi T określają numer narzędzia umieszczonego w głowicy rewolwerowej lub w magazynie narzędzi; np. T04 oznacza czwarte narzędzie w głowicy rewolwerowej, które słowem M06 funkcji różnych może zostać „wprowadzone" do pracy.

Funkcje różne M wykorzystywane są do sterowania urządzeń zainstalowanych na obrabiarce; np. M09 „spowoduje" włączenie dopływu chłodziwa, M68 odnosi się do mocowania obrabianego przedmiotu, M78 „powoduje" unieruchomienie stołu przez włączenie zacisków, a-M79 używane jest do zluzowania tych zacisków. Wszystkie wymienione funkcje określane są ogólnie nazwą funkcji pomocniczych.

Rysunek 3 podaje przykładową treść jednego zadania programu przeznaczonego do sterowania odcinkowo-punktowego wiertarko-frezarki z głowicą rewolwerową. Dzięki wprowadzeniu tabulatora (znak HT) między poszczególnymi słowami w maszynopisie zachowane są odstępy, ułatwiające czytanie i sprawdzanie programu. Symbole na taśmie zostały przedstawione w kodzie ISO, według którego została opracowana polska norma PN-70/M-55250. Znaczenie poszczególnych symboli przedstawione jest na rys. 1.4. Starsze typy obrabiarek wyposażane były w układy sterujące pracujące wg kodu EIA RS 244-A (Electronic Industries Association USA).

Oznaczenia osi współrzędnych i kierunków ruchów

Wprowadzane w programie oznaczenia osi i kierunków ruchu są ściśle określone dla poszczególnych typów obrabiarek przez PN-72/M-55251, zgodną z międzynarodowymi zaleceniami (ISO R 641).

W normie tej przyjęto następujące zasady określania osi współrzędnych i kierunków ruchów;

a. Układ osi współrzędnych i ruchy w kierunkach tych osi ustala się tak, że przemieszczenia mogą być opisane przez programistę niezależnie od tego czy ruchy wykonuje narzędzie przy nieruchomym przedmiocie, czy też odwrotnie.

b. Podstawowy układ osi współrzędnych (rys. 5) jest układem prostokątnym, prawoskrętnym, odniesionym do przedmiotu obrabianego zamocowanego na obrabiarce. Osie współrzędnych układu podstawowego powinny być równolegle do głównych prowadnic obrabiarki.

c. Za dodatni przyjmuje się taki zwrot ruchu zespołu sterowanego, w wyniku którego następuje przyrost wymiaru przedmiotu obrabianego w przyjętym układzie osi współrzędnych. Oznacza to, że przy ujemnym zwrocie ruchu zespołu sterowanego, podczas obróbki zmniejsza się wymiar przedmiotu obrabianego; następuje ubytek masy przedmiotu obrabianego. Rysunek 6 podaje przykładowo określenie kierunków ruchu przy toczeniu.

d. W obrabiarkach, które mogą być zastosowane do wiercenia lub wytaczania, przy wykorzystaniu tylko ruchów w kierunkach osi podstawowego układu współrzędnych, ujemny zwrot ruchu w kierunku osi Z odpowiada zagłębianiu się narzędzia w przedmiot obrabiany.

e. Ruchy narzędzia oznacza się dużymi literami alfabetu łacińskiego, odpowiednio do oznaczeń osi współrzędnych.

Ruchy przedmiotu obrabianego oznacza się odpowiednimi, dużymi literami alfabetu łacińskiego ze znakiem ` (prim), przy czym za dodatni przyjmuje się zwrot ruchu przeciwny do zwrotu odpowiedniego ruchu, oznaczonego literą bez znaku `(prim).

Na rysunku 7 przedstawiono na przykładzie kilku obrabiarek oznaczenia osi współrzędnych oraz zwrotów ruchów, przyjętych według przedstawionych zasad.

Układy numerycznego sterowania obrabiarek

Wszystkie zespoły elektroniczne tworzące układ sterowania numerycznego zmontowane są w szafie ustawionej w sąsiedztwie obrabiarki. W celu unifikacji podzespołów, najczęściej wytwarzane są trzy podstawowe typy szaf, przeznaczone do sterowania punktowo-odcinkowego wiertarek i frezarek, sterowania, ciągłego tokarek i sterowania odcinkowo-ciągłego centrów obróbkowych. Wiele zespołów elektronicznych w tych trzech odmianach szaf jest zunifikowanych.

Współczesne układy sterujące budowane są przy wykorzystaniu monolitycznych elementów scalonych, których ilość w układach o dużych możliwościach sterowniczych dochodzi do 1500 sztuk. Konstrukcja dużej części podzespołów wzorowana jest na podobnych układach maszyn matematycznych. Budowa szaf sterujących oraz podzespołów musi uwzględniać specjalne wymagania, wynikające z ich eksploatacji w pomieszczeniach warsztatowych. Dotyczy to przede wszystkim odporności układu na zakłócenia od sieci zasilającej. Układ wentylacyjny szafy musi być wyposażony w filtry o dużej powierzchni, tak aby nic uległy one szybkiemu zatkaniu przy pracy w silnie zapylonych pomieszczeniach warsztatowych. Struktura wewnętrzna elektronicznego układu umieszczonego w szafie wynika przede wszystkim z wymagań technologicznych, jakie musi spełniać obrabiarka sterowana tym układem.

Struktura układu sterowania odcinkowo-punktowego

Rysunek 8 przedstawia schemat blokowy elektronicznego układu do sterowania odcinkowo-punktowego. W układzie tym można wyodrębnić cztery zespoły. Wprowadzanie informacji. Wprowadzanie informacji (rys. 8a) o wielkości przesunięć i prędkości ruchu posuwowego oraz funkcji pomocniczych może być zrealizowane trzema sposobami:

a. Automatycznie, za pośrednictwem taśmy dziurkowanej odczytywanej w Czytniku fotoelektrycznym o prędkości czytania 100—300 znaków na sekundę. b. Półautomatycznie, przez ręczne ustawienie bloku cyfrowych nastawników dekadowych, określających wielkość żądanego przesunięcia, jego kierunek oraz prędkości ruchu (funkcja F) dla jednej, wybranej osi. Podobnie można ręcznie wprowadzić dane dla innych funkcji np. M, S i G. c. Skokowo, przez przyciśnięcie przycisku określającego wielkość skokowego przesunięcia sań obrabiarki. Wymuszony ruch skokowy realizowany jest w tym przypadku z niekontrolowaną prędkością.

Sterowanie ręczne półautomatyczne i skokowe jest stosowane przy przeprowadzaniu prób technologicznych skrawania oraz przy ustawianiu obrabiarki w położeniu bazowym.

Rozdział informacji. W zespole tym (rys. 8b) wprowadzone do pamięci wejściowej informacje są dekodowane i przekazywane według liter adresowych do odpowiednich układów sterowniczych.

Dane geometryczne (X, Y, Z, U, V, W itd.) o wielkości i kierunku przesunięć przekazywane są do zespołu obliczeniowego (rys. 1.8c), który otrzymuje również informacje o prędkości ruchu posuwowego (funkcja F). Cykl przetwarzania danych geometrycznych w zespole obliczeniowym sterowany jest przy pomocy funkcji przygotowawczych G.

Rys.8 Układ strukturalny sterowania numerycznego odcinkowo-punktowego

Włączenie lub wyłączenie różnych urządzeń zainstalowanych na obrabiarce sterowane jest przez zespół funkcji różnych M. Najczęściej urządzenia te wtaczane są stycznikami lub przekaźnikami wytwarzającymi silne zakłócenia, które mogą (powodować powstanie przekłamań w układzie sterującym. Z tego względu aparaty te umieszcza się z dala od układu elektronicznego, w osobnej szafie zespołu dopasowującego (rys. 8e).

W tej samej szafie znajdują się także silnoprądowe zespoły sterowania prędkości obrotowej wrzeciona, włączane przez funkcję S. Włączanie tych aparatów (przekaźników i styczników) sterowane jest wyjściowymi sygnałami z elektronicznych zespołów funkcji M i S. Dla wyeliminowania możliwości przedostawania się do urządzeń elektronicznych zakłóceń z układu dopasowującego, stosuje się dodatkowe przekaźniki, które galwanicznie izolują względem siebie połączenia między tymi dwoma zespołami. Najlepsze jednak wyniki uzyskuje się przy zastosowaniu optoizolatorów. W tym wypadku sygnał przekazywany jest na zewnątrz zespołu sterującego w postaci strumienia świetlnego wysyłanego przez diodę fotoluminescencyjną i odbieranego przez fototranzystor.

Zespół obliczeniowy. Jest to podstawowy zespół (rys. 8c) całego układu sterowania odcinkowo-punktowego, w którym dokonywane są w sposób ciągły obliczenia związane z geometrią przemieszczeń poszczególnych części obrabiarki. Zespół ten otrzymuje z układu wprowadzania danych informacje o żądanej wielkości i kierunku przemieszczeń, a z układów pomiarowych zainstalowanych na obrabiarce — dane o rzeczywistym położeniu przesuwnych części obrabiarki. Dlatego też system działania zespołu obliczeniowego, przeznaczonego do sterowania napędu przełączalnego różni się znacznie od systemu współpracującego z napędem sterowanym impulsowo.

Układ napędu sterowany impulsowo charakteryzuje się tym, że jego prędkość posuwowa wynika z częstotliwości zasilającego go ciągu impulsów, a wielkość przesunięcia jest proporcjonalna do ogólnej ilości doprowadzonych impulsów. Zespół obliczeniowy przeznaczony do sterowania tego rodzaju napędu wyposażony jest w generator zegarowy i dzielniki częstotliwości. Przez odpowiednie sterowanie dzielników według informacji funkcji F, możliwe jest uzyskanie na ich wyjściu ciągu impulsów o określonej częstotliwości, które doprowadzone są do części elektronicznej układu napadowego. Przez zastosowanie liczników zasilanych tym samym ciągiem Impulsów, możliwe jest określenie wielkości przesunięcia i porównanie jej z wielkością zadaną, celem ustalenia położenia, przy którym powinno nastąpić zatrzymanie ruchu. Impulsowy system sterowania napędu umożliwia uzyskanie łagodnego, bezstopniowego przebiegu rozpędzania i hamowania układu napędowego na drodze płynnej zmiany częstotliwości generowanych impulsów.

Przełączalny układ napędu posuwów charakteryzuje się możliwością jedynie skokowej zmiany prędkości w określonej ilości stopni, wynikającej z kinematycznego układu skrzynki posuwów. W zespole obliczeniowym, na podstawie informacji otrzymywanych z układu pomiarowego zainstalowanego na obrabiarce, porównywana jest wartość rzeczywista położenia z wielkością zadaną. Na podstawie wykrywanej różnicy następuje w określonych punktach skokowe redukowanie prędkości przesuwu sań, a po osiągnięciu położenia zadanego — zatrzymanie ruchu. Zasadnicza różnica w systemie sterowania napędu impulsowego i przełączalnego polega na tym, że w pierwszym wypadku zespół obliczeniowy wyposażony jest w urządzenia służące do generowania ciągu impulsów i ich liczenia, natomiast w wypadku drugim, liczniki w zespole obliczeniowym zasilane są impulsami uzyskiwanymi z układu pomiarowego. Dalsze różnice wynikają z możliwości bezstopniowej regulacji prędkości posuwu w napędzie impulsowym i skokowej regulacji prędkości posuwu w napędzie przełączalnym.

W zespole obliczeniowym wykonywane są dodatkowe obliczenia geometryczne upraszczające programowanie, np. przejście z programowania przyrostowego na absolutne i zmiana położenia bazowego. Wykonywane są tam również obliczenia związane z korekcją długości lub średnicy narzędzia.

Zespół sterowania napędu posuwów. Niezależnie od zastosowanego systemu napędowego, w szafie sterowniczej wyodrębnić można zespól (rys. 8d), który zawiera urządzenia elektroniczne przeznaczone do bezpośredniego sterowania układu napędowego.

Jeżeli zespół ten służy do sterowania napędu impulsowego z silnikiem skokowym, zawiera on rozdzielacz impulsów do zasilania poszczególnych sekcji silnika skokowego oraz wzmacniacze mocy dla każdej sekcji silnika: Jeżeli stosowany jest napęd serwomechanizmowy, w zespole tym umieszczony jest wzmacniacz pętli położeniowej.

Zespól przeznaczony do sterowania napędu przełączalnego wyposażony jest w układy przekaźnikowe lub półprzewodnikowe wzmacniacze mocy, które przez układ dopasowujący włączają odpowiednie sprzęgła elektromagnetyczne w czasie redukowania prędkości posuwu, przed punkiem zatrzymania ruchu. Przy zastosowaniu przełączalnego napędu posuwów z silnikiem prądu stałego skokowa zmiana prędkości jest sterowana przez zmianę wielkości sygnałów podawanego na wejście tyrystorowego regulatora prędkości.

W zespole sterowania napędu umieszczane są również układy elektroniczne zasilające urządzenia pomiaru położenia, np. przekształtniki formujące sygnał sinusoidalny do zasilania uzwojeń pomiarowych urządzeń indukcyjnych. Wyodrębnienie zespołu sterowania napędu od innych urządzeń elektronicznych wprowadzono nie tylko ze względu na jego odmienną strukturę, ale również w celu umknięcia przedostawania się do innych zespołów zakłóceń, emitowanych przez wzmacniacze mocy i przekaźniki.

Struktura układu sterowania ciągłego Rysunek 9 przedstawia schemat blokowy elektronicznego układu sterowania ciągłego tokarki. Zespół wprowadzania informacji w sterowaniu ciągłym w zasadzie różni się tylko nieznacznie od poprzednio przedstawionego układu sterowania odcinkowo-punktowego. Do odczytu informacji z taśmy stosowany jest czytnik o prędkości czytania ok. 300 znaków na sęk. W sterowaniu ciągłym bardziej niż w sterowaniu odcinkowo-punktowym rozbudowany jest zespół sterowania funkcji przygotowawczych G, które muszą wprowadzić szereg dodatkowych informacji dotyczących toru, po jakim powinno przesuwać się narzędzie. Obrabiarka pracująca w systemie ciągłym musi być wyposażona w układy napędowe sterowane impulsowo, które dają możliwość jednoczesnego napędu kilku osi. Dlatego też zespól bezpośredniego sterowania napędu (rys.9d) musi być przystosowany do zasilania silników skokowych lub napędu serwomechanizmowego. Ponieważ również w systemach sterowania odcinkowego i punktowego może być stosowany ten typ napędu, okazało się korzystnym zastosowanie go jako napędu uniwersalnego, we wszystkich systemach. Tą drogą uzyskuje się pełną unifikację zarówno zespołów napędowych i pomiarowych instalowanych na obrabiarce, a także układów elektronicznych przeznaczonych do bezpośredniego ich sterowania.

Interpolator cyfrowy jest podstawowym zespołem układu sterowania ciągłego (rys.9c). Steruje on układ napędowy obrabiarki w ten sposób, aby narzędzie przemieszczało się względem obrabianego przedmiotu wzdłuż określonej programem krzywej algebraicznej, którą może być linia prosta, łuk koła, a w niektórych wypadkach parabola. Praca interpolatora polega na numerycznym generowaniu ciągu impulsów, których częstotliwość zmienia się odpowiednio do kształtu krzywej. Generowany przez interpolator ciąg impulsów doprowadzony jest do zespołu bezpośredniego sterowania napędu (rys. 9d). Jeden impuls z interpolatora powoduje przesunięcie sań obrabiarki o wielkość odpowiadającą przyjętej działce elementarnej, np. równej l μm. Sanie wraz z narzędziem poruszają się w sposób skokowy w dwóch albo trzech prostopadłych kierunkach, zakreślając względem przedmiotu krzywą Schodkową, odpowiadającą zarysowi obrabianego przedmiotu. Interpolator nazwać można również generatorem funkcji schodkowej, aproksymującej funkcję, opisującą żądany tor narzędzia. W najczęściej spotykanych konstrukcjach interpolatorów stosowane są integratory cyfrowe — urządzenia wykonujące przybliżone całkowanie. Synteza układów interpolujących opiera się na równaniach różniczkowych, których rozwiązaniami są równania krzywych, opisujących żądany ruch narzędzia względem przedmiotu. Interpolator przeprowadza analizę tych równać różniczkowych, generując funkcje, które są ich rozwiązaniami. Metoda ta znana jest w literaturze światowej pod angielską nazwą DDA (digital differential analyzer — cyfrowy analizator równań różniczkowych). W sterowaniu obrabiarek stosowane są iterpolatory liniowe, kołowo-liniowe i wyjątkowo kołowo-paraboliczno-liniowe.

Rys. 9

Układ strukturalny sterowania numerycznego ciągłego

W celu uzyskania żądanego kształtu obrabianego przedmiotu, narzędzie powinno wykonywać ruch w kierunkach osi współrzędnych X i Y, opisanych równaniami parametrycznymi:

X =x(t) Y=y(t) w których t - oznacza czas.

Przy sterowaniu cyfrowym ruch sań odbywa się nie po krzywej określonej powyższymi równaniami, lecz po zbliżonej do niej krzywej schodkowej. Krzywą tę generuję interpolator, wysyłający dwa ciągi impulsów, odpowiadające dwom sterowanym kierunkom ruchu. Współrzędne położenia sań po czasie (równe są (w przyjętej działce elementarnej np. 0,01

mm) sumom impulsów wysłanych w kierunkach X i Y. Sumy te równe są w przybliżeniu wartościom obliczonym z równań parametrycznych. W ten sposób sanie obrabiarki można traktować jak urządzenie wykonujące sumowanie impulsów, wychodzących z interpolatora. W interpolatorach obrabiarek stosowane są urządzenia całkujące funkcje schodkowe -integratory cyfrowe. Zasadniczą częścią integratora jest rejestr funkcji podcałkowej, w którym „zapisana" jest chwilowa jej wartość x(t). Na wejście integratora podawane są impulsy-przyrosty funkcji podcałkowej dx(t). Jeden impuls odpowiada zmianie funkcji podcałkowej o jedną jednostkę. Rejestr jest licznikiem impulsów, w którym następuje dodawanie impulsów-przyrostów funkcji podcałkowej, w przypadku gdy jest ona rosnąca. Dla funkcji malejącej, impulsy wejściowe odejmowane są od zawartości rejestru. Na wyjściu integratora otrzymuje się impulsy-przyrosty dy(t) funkcji spełniającej w przybliżeniu zależność

czyli

Impulsy te mogą wchodzić do następnego integratora lub mogą być wykorzystane do sterowania sań obrabiarki. W pierwszym przypadku, stan rejestru drugiego integratora będzie równy całce funkcji x(t) pomnożonej przez co (przy założeniu, że stan jego rejestru w chwili początkowej równy był zeru), zaś w drugim — rejestrowi całki będą odpowiadały sanie obrabiarki, wykonujące sumowanie impulsów. Czas t zadawany jest za pomocą generatora zegarowego o częstotliwości f.

ZAKOŃCZENIE

W pierwszym okresie rozwoju, obrabiarki sterowane numerycznie były wyposażane w różne układy napędowe, przeznaczone do współpracy z nietypowymi układami sterowniczymi i wybranymi typami obrabiarek. W miarę rozwoju produkcji jak również prowadzonych prac badawczych, następowało stopniowe eliminowanie rozwiązań o gorszych własnościach technicznych i zastępowanie ich zespołami napędowymi o niezawodnym i dokładnym działaniu.

Obecnie konstruktor obrabiarek może korzystać z szeregu typowych zespołów napędowych, wytwarzanych najczęściej w postaci zintegrowanych jednostek napędowych, wyposażonych dodatkowo w układy kontroli położenia i prądnice tachometryczne, lub też z gotowych elementów przeznaczonych do wbudowania w łańcuch kinematyczny napędu posuwów obrabiarki.

Rys. 2

Systemy sterowań numerycznych obrabiarek:

a) punktowe, b) odcinkowe, c) ciągle

Rys 7

Oznaczenia współrzędnych i kierunków ruchów dla typowych obrabiarek sterowanych numerycznie:

1. frezarka wspornikowa pozioma,

2. b) frezarka wspornikowa pionowa,

3. tokarka kołowa pozioma,

4. frezarko- wytaczarka z przesuwnym stojakiem i stołem obrotowym

Rys 5. Osie współrzędnych i kierunki ruchów

Rys 6.

Kierunki ruchów przy toczeniu

a)

---