Станки с числовым программным управлением
Системы ЧПУ для станков: история, классификация
Системы ЧПУ для станков: просто о сложном
Многое из того, что мы видим в окружающем нас материальном мире, изготовлено при помощи станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Использование возможностей электроники и вычислительной техники для эффективного и оптимального управления промышленным оборудованием позволило повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции. А при массовом производстве - значительно снизить затраты на ее изготовление.
О том, как избавиться от однообразной и монотонной работы, и поручить ее каким-либо «умным» механизмам, человечество задумалось давно. Задолго до появления кибернетики и электронно-вычислительных машин. Еще в начале XVIII века прообраз станка с ЧПУ создал изобретательный француз Жозеф Жаккар. Изготовленный им механизм ткацкого станка управлялся куском картона, в котором в нужных местах были сделаны отверстия. Чем не перфокарта с программой?
Немного истории
Однако современный этап истории станков с числовым программным управлением начался лишь спустя полтора столетия после изобретения Жаккара, в Соединенных Штатах Америки. После окончания второй мировой войны, в конце 40-х годов, Джон Пэрсонс - сын владельца компании Parsons Incorporated, попытался управлять станком при помощи специальной программы, которая вводилась с перфокарт. Какого-либо положительного результата Пэрсонс не достиг, поэтому обратился за помощью к специалистам в Массачусетский технологический институт.
Улучшать представленную их вниманию конструкцию сотрудники институтской лаборатории сервомеханики не стали, и про Пэрсонса быстро забыли. А про его идеи – нет. Создав собственную конструкцию, они инициировали покупку институтом компании, которая выпускала фрезерные станки. После чего руководство Массачусетского технологического института заключило контракт с Военно-воздушными силами США. В контракте шла речь о создании высокопроизводительных станков нового типа для обработки пропеллеров фрезерованием.
Управление работой фрезерного станка, который собрали сотрудники лаборатории в 1952 году, производилось по программе, считываемой с перфоленты. Эта конструкция оказалась слишком сложной, и желаемый результат достигнут не был. Однако история получила огласку, сведения о новой разработке попали в печать и вызвали большой интерес конкурентов. Свои разработки в данном направлении одновременно начали несколько известных фирм.
Наибольшего успеха добились конструкторы компании BendixCorporation. Выпущенное компанией Bendix NC-устройство c 1955 года пошло в серию и уже реально применялось для управления работой фрезерных станков. Новинка приживалась трудно, но благодаря заинтересованности и финансовой помощи военного ведомства, за два года было выпущено более 120 станков, которые существенно повысили производительность труда и точность выполнения станочных работ.
Уже тогда были отмечены бесспорные преимущества NC-системы числового управления станками: существенный прирост производительности труда и значительно более высокая точность обработки поверхностей. Но по-настоящему революционные изменения в области станков с ЧПУ состоялись, когда в качестве «умного» модуля, управляющего работой станков, были использованы специально разработанные микропроцессоры и микроконтроллеры. Технический термин «CNC», которым стали обозначать эти системы за рубежом, является аббревиатурой английских слов ComputerNumericalControl.
NC – это не Norton Commander
Изучая историю совершенствования «умных» станков, которые за рубежом когда-то обозначались аббревиатурой латинских букв «NC», студенты прошлых лет часто путали это понятие с популярной в те годы компьютерной программой-оболочкой. На самом деле сокращение NC произошло от английских слов NumericControl. Числовое управление было тогда весьма примитивным, и программа действий станка могла выглядеть как множество специальных штекеров, расположенных на контактном наборном поле.
Кстати, одна из первых советских транзисторных вычислительных машин для инженерных расчетов «Проминь», появившаяся в начале 60-х годов прошлого века, программировалась подобным образом. В то время управляющий модуль станка не мог должным образом реагировать на отклонения процесса обработки от расчетного, если такая ситуация происходила. Управляющие адаптивные микропроцессорные системы появились значительно позднее.
Со временем, по мере того, как совершенствовались электроника и вычислительная техника, в помощь новому поколению станков были приданы «думающие» управляющие модули на микропроцессорах и микроконтроллерах. Вот они-то и смогли обеспечить гибкое многовариантное управление процессом резания. И не только это. Такие системы получили более звучный титул «CNC», что по-английски звучит как ComputerNumericalControl. Наш термин ЧПУ оказался более универсальным, и его менять не пришлось.
Классификация современных систем ЧПУ
Системы управления и станки с числовым программным обеспечением настолько сложны, что их невозможно классифицировать по какому-то одному признаку. Основные характеристики систем ЧПУ позволяют систематизировать их следующим образом:
1.В зависимости от способа управления исполнительными механизмами станка:
● Позиционные. Здесь инструмент в соответствии с программой движется от одной точки, в которой производится необходимая операция с заготовкой, к другой, где также выполняется обработка, Во время перемещения инструмента никакие другие операции не выполняются.
● Контурные, в которых обработка может производиться по всей траектории движения инструмента.
● Универсальные – системы, в которых могут применяться оба принципа управления.
2.По возможностям и способу позиционирования:
● Абсолютный отсчет – местоположение подвижного механизма станка всегда определяется по расстоянию от начала координат.
● Относительный отсчет при позиционировании осуществляется приращением дополнительного пути к координатам предыдущей точки, которая временно принимается за начало координат. Затем началом координат считается следующая достигнутая точка.
3. По наличию или отсутствию обратной связи в контуре управления:
● Разомкнутые – («открытого» типа). Перемещение исполнительных элементов производится по командам, содержащимся в программе. Информация о фактически достигнутых координатах отсутствует.
● Замкнутого типа (закрытые). В системах этого типа координаты положения исполнительных механизмов постоянно контролируется.
● Самонастраивающиеся («закрытые» повышенной точности). Более совершенная система, которая запоминает поступающие сведения о расхождении заданных и фактических координат исполнительного элемента, отрабатывает их, и корректирует новые команды с учетом изменившихся условий.
4.Поколение. В зависимости от технического уровня используемых микропроцессоров, микроконтроллеров или управляющих ПК, различают системы 1-го, 2-го и 3-го поколения.
5. Количество координатных осей. Различные станки, оборудованные ЧПУ, могут поддерживать режимы работы с различным количеством координатных осей – от двух до пяти. Например, если при движении заготовки на фрезерном станке (3 координаты – X,Y,Z), она одновременно может поворачиваться вокруг своей оси, такой станок называют 4-координатным. Простейшие сверлильные и односуппортные токарные станки имеют две координатные оси.
Его величество компьютер нуждается в программе
В отличие от стандартного персонального компьютера, который является универсальным устройством для обработки информации и способен работать с любыми данными, представленными в цифровом виде, микропроцессор, используемый в конструкции многих станков с ЧПУ, - устройство специализированное. Он не содержит ничего лишнего, и весь набор его функций предназначен для выполнения главной задачи – контроля состояния всех исполнительных органов станка и управления их работой по специальной программе. Чтобы управлять особо сложными современными станками, применяют более производительные и многозадачные устройства – промышленные компьютеры.
Одной из самых важных характеристик, которая позволяет судить о производительности и технических возможностях станка и управляющей его работой системы, является количество «осей». Иначе говоря, - каналов взаимодействия с объектом, управляемых параметров. Однако в любом случает, независимо от того, микропроцессор какого уровня сложности и архитектуры установлен в данном управляющем контроллере, для его работы нужна предварительно подготовленная программа. В которой должны быть точно и последовательно описаны все действия механизмов станка, необходимые для изготовления или обработки требуемой детали.
При работе станков с ЧПУ используется два вида программ:
● Системные (служебные) программы, которые хранятся в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве системы). Они обеспечивают начальный этап работы контроллера после включения, отвечают за настройку станка и всей системы, ее способность понимать команды оператора и взаимодействовать с внешними устройствами.
● Управляющие – внешние программы. Содержат набор команд и инструкций для исполнительных органов станка. Управляющие программы (УП) в контроллер может пошагово вводить оператор, возможен ввод с внешних носителей информации, а в современных системах программы могут поступать прямо с компьютеров разработчиков ПО через компьютерную сеть предприятия.
Заменив человека, который до наступления эры станков с ЧПУ сам успешно справлялся с изготовлением нужных деталей, программируемый блок управления, он же – контроллер, должен обеспечить требуемый результат, пошагово включая и выключая механизмы передвижения стола, заготовки и инструментального магазина, меняя режи
Автоматизация | Британика
Автоматизация , применение машин к задачам, которые когда-то выполнялись людьми, или, все чаще, к задачам, которые в противном случае были бы невозможны. Хотя термин «механизация» часто используется для обозначения простой замены человеческого труда машинами, автоматизация обычно подразумевает интеграцию машин в систему самоуправления. Автоматизация произвела революцию в тех областях, в которых она была внедрена, и едва ли есть аспект современной жизни, который не был бы затронут ею.
Термин «автоматизация» был придуман в автомобильной промышленности около 1946 года для описания более широкого использования автоматических устройств и средств управления в механизированных производственных линиях. Происхождение слова связано с Д.С. Хардером, инженером-менеджером Ford Motor Company в то время. Этот термин широко используется в производственном контексте, но он также применяется вне производства в связи с множеством систем, в которых существует значительная замена механического, электрического или компьютеризированного действия для человеческого усилия и интеллекта.
В общем случае автоматизация может быть определена как технология, связанная с выполнением процесса с помощью запрограммированных команд в сочетании с автоматическим контролем обратной связи для обеспечения надлежащего выполнения инструкций. Полученная система способна работать без вмешательства человека. Развитие этой технологии становится все более зависимым от использования компьютеров и компьютерных технологий. Следовательно, автоматизированные системы становятся все более сложными и сложными.Усовершенствованные системы представляют собой уровень возможностей и производительности, которые во многих отношениях превосходят способности людей выполнять те же действия.
Технология автоматизации достигла такого уровня, когда ряд других технологий развились из нее и достигли признания и статуса своих собственных. Робототехника - одна из этих технологий; это специализированная отрасль автоматизации, в которой автомат обладает определенными антропоморфическими или человеческими характеристиками.Наиболее типичной человеческой характеристикой современного промышленного робота является механическая рука с механическим приводом. Рукоятка робота может быть запрограммирована на перемещение в последовательности движений для выполнения полезных задач, таких как загрузка и выгрузка деталей на производственном станке или выполнение последовательности точечных сварных швов на деталях из листового металла кузова автомобиля во время сборки. Как показывают эти примеры, промышленные роботы, как правило, используются для замены людей, работающих на фабриках.
Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской.Подпишитесь сегодняВ этой статье рассматриваются основы автоматизации, включая ее историческое развитие, принципы и теорию работы, приложения в производстве и в некоторых сферах услуг и отраслях, важных в повседневной жизни, и влияющих на человека и общество в целом. В статье также рассматривается развитие и технология робототехники как важная тема в области автоматизации. Для связанных тем см. Информатику и обработку информации.
Историческое развитие автоматизации
Технология автоматизации произошла из смежной области механизации, которая началась в промышленной революции.Механизация относится к замене человеческой (или животной) силы механической силой какой-либо формы. Движущей силой механизации была склонность человечества создавать инструменты и механические устройства. Некоторые важные исторические разработки в области механизации и автоматизации, приведшие к современным автоматизированным системам, описаны здесь.
Ранние разработки
Первые инструменты из камня представляли собой попытки доисторического человека направить свою физическую силу под контроль человеческого разума.Тысячи лет, несомненно, потребовались для разработки простых механических устройств и механизмов, таких как колесо, рычаг и шкив, с помощью которых можно было бы увеличить силу человеческих мышц. Следующим расширением стала разработка силовых машин, которые не требовали человеческой силы для работы. Примеры таких машин включают водяные колеса, ветряные мельницы и простые паровые устройства. Более 2000 лет назад китайцы разработали триммеры, работающие на проточной воде и водяных колесах.Первые греки экспериментировали с простыми реактивными двигателями, приводимыми в движение паром. Механические часы, представляющие собой довольно сложную сборку с собственным встроенным источником питания (весом), были разработаны примерно в 1335 году в Европе. Ветряные мельницы с механизмами автоматического поворота паруса были разработаны в средние века в Европе и на Ближнем Востоке. Паровой двигатель явился крупным достижением в разработке силовых машин и ознаменовал начало промышленной революции. В течение двух столетий, прошедших с момента появления парового двигателя Watt, были разработаны двигатели и машины с приводом от двигателя, которые получают энергию из пара, электричества, химических, механических и ядерных источников.
Каждая новая разработка в истории машин с приводом привела к увеличению требований к устройствам управления для управления мощностью машины. Самые ранние паровые двигатели требовали, чтобы человек открывал и закрывал клапаны, сначала чтобы впустить пар в камеру поршня, а затем выпустить его. Позже был разработан механизм золотникового клапана для автоматического выполнения этих функций. Тогда единственной потребностью человека-оператора было регулировать количество пара, которое контролировало скорость и мощность двигателя.Это требование к человеческому вниманию при работе парового двигателя было устранено губернатором с шариками. Это устройство, изобретенное Джеймсом Уаттом в Англии, состояло из утяжеленного шарика на шарнирном рычаге, механически соединенного с выходным валом двигателя. По мере увеличения скорости вращения вала центробежная сила заставляла утяжеленный шар перемещаться наружу. Это движение контролировало клапан, который уменьшал подачу пара в двигатель, тем самым замедляя двигатель. Регулятор «шарик-шарик» остается элегантным ранним примером системы управления с отрицательной обратной связью, в которой увеличение производительности системы используется для снижения активности системы.
Отрицательная обратная связь широко используется в качестве средства автоматического управления для достижения постоянного рабочего уровня системы. Типичным примером системы управления с обратной связью является термостат, используемый в современных зданиях для контроля температуры в помещении. В этом устройстве снижение комнатной температуры вызывает замыкание электрического переключателя, в результате чего включается нагревательный элемент. При повышении комнатной температуры выключатель размыкается и подача тепла отключается. Термостат можно настроить так, чтобы он включал нагревательный прибор в любой заданной точке.
Еще одним важным событием в истории автоматизации стал жаккардовый станок (см. Фотографию), который продемонстрировал концепцию программируемой машины. Около 1801 года французский изобретатель Жозеф-Мари Жаккард изобрел автоматический ткацкий станок, способный производить сложные узоры в текстиле, управляя движением множества челноков из разноцветных нитей. Выбор различных образцов был определен программой, содержащейся в стальных картах, в которых были пробиты отверстия. Эти карты были предками бумажных карт и лент, которые управляют современными автоматами.Концепция программирования машины получила дальнейшее развитие в конце 19-го века, когда английский математик Чарльз Бэббидж предложил сложный механический «аналитический механизм», который мог выполнять арифметику и обработку данных. Хотя Бэббидж так и не смог завершить его, это устройство было предшественником современного цифрового компьютера. Смотрите компьютеры, историю.
Жаккардовый ткацкий станок Жаккардовый ткацкий станок, гравировка, 1874 год. В верхней части машины находится стопка перфокарт, которая подается в ткацкий станок для управления рисунком ткачества.Этот метод автоматической выдачи машинных инструкций использовался компьютерами еще в 20 веке. Беттман Архив .| ISO 230-2: 1988 Код приемки станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования станков с числовым программным управлением | 95,99 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 230-2: 1997 Испытательный код для станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования численно управляемых осей | 95.99 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 230-2: 1997 / Cor 1: 1999 Испытательный код для станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования численно управляемых осей. Техническое исправление 1 | 95.99 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 230-2: 2006 Испытательный код для станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования численно управляемых осей | 95.99 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 230-2: 2014 Испытательный код для станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с цифровым управлением | 90.93 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 230-2: 2014 / Amd 1: 2016 Испытательный код для станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с цифровым управлением. Поправка 1 | 60.60 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 230-4: 1996 Испытательный код для станков. Часть 4. Круговые испытания для станков с числовым программным управлением | 95,99 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 230-4: 2005 Испытательный код для станков. Часть 4. Круговые испытания для станков с числовым программным управлением | 90.92 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO / CD 230-4.2 Испытательный код для станков. Часть 4. Круговые испытания для станков с числовым программным управлением | 30,20 | ISO / TC 39 / SC 2 |
| ISO 840: 1973 Снятие ИСО 840-1973 | 95.99 | ISO / IEC JTC 1 |
| ISO 841: 1974 Числовое управление станками. Оси и номенклатура движения | 95,99 | ISO / TC 184 / SC 1 |
| ISO 841: 2001 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Числовое управление станками. Система координат и номенклатура движения | 90.93 | ISO / TC 184 / SC 1 |
| ISO 1056: 1975 Снятие ИСО 1056: 1975 | 95,99 | ISO / IEC JTC 1 |
| ISO 1057: 1973 Снятие ИСО 1057-1973 | 95.99 | ISO / IEC JTC 1 |
| ISO 1058: 1973 Снятие ИСО 1058-1973 | 95,99 | ISO / IEC JTC 1 |
| ISO 1059: 1973 Снятие ИСО 1059-1973 | 95.99 |
Что такое ЧПУ и станки с ЧПУ? [2020 Easy Guide]
Краткая история ЧПУ
Первые коммерческие станки с ЧПУ были построены в 1950-х годах и работали на перфоленте. Хотя концепция сразу доказала, что она может сэкономить затраты, она была настолько отличной, что очень медленно завоевывала популярность у производителей.
Чтобы способствовать более быстрому внедрению, армия США купила 120 станков с ЧПУ и одолжила их различным производителям, чтобы они могли лучше познакомиться с идеей числового управления.К концу 50-х годов NC начал завоевывать популярность, хотя ряд проблем все еще оставался.
Например, g-код, почти универсальный язык ЧПУ, который мы имеем сегодня, не существует. Каждый производитель выдвигал свой собственный язык для определения числового управления или программ обработки деталей (программ, которые станки будут выполнять для создания детали).
1959 Станок с ЧПУ: Милуоки-Матик-II был первым станком с устройством смены инструмента…
В течение 1960-х годов ряд ключевых разработок быстро развился с помощью ЧПУ:
- Стандартный язык G-кода для программ обработки деталей. Происхождение g-кода восходит к MIT, примерно в 1958 году, когда он использовался в Лаборатории сервомеханизмов MIT.Альянс электронной промышленности стандартизировал g-код в начале 1960-х годов.
- САПР стал самостоятельным и начал быстро заменять бумажные чертежи и чертежников в 60-х годах. К 1970 году САПР стала достаточно крупной отраслью, в которой были такие игроки, как Intergraph и Computervision, с которыми я консультировался еще в студенческие годы.
- Мини-компьютеры, такие как DEC PDP-8 и Data General Nova, стали доступны в 60-х годах и сделали станки с ЧПУ более дешевыми и мощными.
К 1970 году экономика большинства западных стран замедлилась, а расходы на занятость росли.С 60-х годов, предоставив прочную технологическую базу, которая была необходима, ЧПУ взлетел и начал неуклонно вытеснять старые технологии, такие как гидравлические трассеры и ручная обработка.
американских компаний в основном начали революцию с ЧПУ, но они были чрезмерно сосредоточены на высоком уровне. Немцы первыми увидели возможность снизить цены на ЧПУ, и к 1979 году немцы продавали больше ЧПУ, чем американские компании. Японцы повторили ту же формулу в еще более успешной степени и отняли лидерство у немцев всего год спустя, к 1980 году.В 1971 году все 10 крупнейших компаний с ЧПУ были американскими, но к 1987 году остался только Цинциннати Милакрон, и они заняли 8 место.
В последнее время микропроцессорная технология сделала управление ЧПУ еще дешевле, что привело к появлению ЧПУ для хобби и персонального рынка ЧПУ.
Доступное оборудование с ЧПУ также проложило путь к использованию ЧПУ в прототипировании наряду с 3D-печатью. Ранее использование ЧПУ ограничивалось прежде всего производственными цехами.
Проект Enhanced Machine Controller, или EMC2, был проектом по внедрению контроллера ЧПУ с открытым исходным кодом, который был запущен NIST, Национальным институтом стандартов и технологий в качестве демонстрации.Некоторое время в 2000 году проект был передан в общественное достояние и Open Source, а EMC2 появился немного позже, в 2003 году.
Mach4 был разработан основателем Artsoft Арт Фенерти как ответвление ранних версий EMC для работы на Windows вместо Linux, что делает его еще более доступным для персонального рынка ЧПУ. ArtSoft, компания ArtSoft, была основана в 2001 году. Появление Mach4 впервые сделало ЧПУ доступным вне промышленных цехов.
И программы EMC2 (теперь называемые LinuxCNC), и программы Mach4 CNC сегодня живы и процветают, как и многие другие технологии ЧПУ.
Мы прошли долгий путь со времен старых числовых контрольных дней!
