Ключевая концепция ЧПУ №1: основы числового программного управления

Первая статья из 10-частей серии о ключевых концепциях ЧПУ. Для введения в подход серии прочитайте эту статью.

Преимущества ЧПУ

1. Повышенная автоматизация. Влечение оператора к производству деталей сокращается или исключается. Многие станки работают бесперебойно весь цикл, освобождая оператора. Побочные эффекты: меньше усталости, меньше ошибок человека, предсказуемое время обработки. Уровень квалификации оператора (по базовой обработке) ниже, чем у токаря на универсальных станках.

2. Стабильные и точные детали. Современные ЧПУ обладают невероятной точностью и повторяемостью. После верификации программы можно легко произвести 2, 10 или 1000 идентичных деталей с высокой точностью и последовательностью.

3. Гибкость. Станки работают по программам — смена детали почти так же проста, как загрузка другой программы. Верифицированная программа легко вызывается для повторного запуска. Это ведёт к быстрой смене заданий.

Благодаря лёгкой настройке и запуску, программам обеспечивается очень короткое время переналадки — критично для just-in-time производства.

Управление движением — сердце ЧПУ

Базовая функция любого ЧПУ — автоматическое, точное и последовательное управление движением. У всех ЧПУ есть два и более направлений движения (осей). Оси могут точно и автоматически позиционироваться по ходу хода. Два основных типа: линейные (прямой путь) и вращательные (круговой путь).

Вместо ручного вращения ручек (как на универсальных станках) ЧПУ приводят оси сервоприводами под управлением ЧПУ и по программе детали. Тип движения (быстрое, линейное, круговое), оси, величина перемещения и скорость (подача) программируются почти на всех ЧПУ.

Команда ЧПУ говорит приводу повернуться на точное число оборотов. Привод вращает шаровой винт. Винт двигает линейную ось. Устройство обратной связи на другом конце винта подтверждает ЧПУ выполнение заданного числа оборотов.

Аналогия: тиски. Вращая ручку, вы вращаете винт, двигающий подвижную щеку. Но ось ЧПУ невероятно точна: число оборотов привода точно контролирует линейное перемещение.

Как задаётся движение осей — понимание систем координат

Нецелесообразно заставлять пользователя говорить каждому приводу, сколько оборотов сделать. Вместо этого все ЧПУ используют систему координат. Две популярные: прямоугольная (декартова) и полярная. Прямоугольная — самая распространённая.

Пример — построение графиков. Переносим на ЧПУ: вместо теоретических точек — физические конечные точки движений осей. Оси разбиты на измерительные инкременты. В дюймовом режиме мин. инкремент 0.0001 дюйма, в метрическом — 0.001 мм (для вращательных осей — 0.001°).

Каждая ось должна начинаться где-то. Для ЧПУ эта начальная точка — программный ноль (work zero, part zero, program origin). Обычно выбирают точку, откуда начинаются все размеры.

Если нужно отправить инструмент в точку на 1 дюйм правее программного нуля — задаём X1.0. На 1 дюйм выше — Y1.0. ЧПУ сам определит обороты приводов. Программист задаёт движение логично.

Доселе точки были вверху и вправо от нуля — квадрант 1. На ЧПУ конечные точки часто попадают в другие квадранты — тогда хотя бы одна координата отрицательна. Рисунок 1 показывает применение всех четырёх квадрантов.

Абсолютный и инкрементный режимы

Доселе предполагался абсолютный режим. В нём конечные точки всех движений задаются от программного нуля. Для новичков — лучший и простейший метод. Есть инкрементный режим: конечные точки задаются от текущей позиции инструмента, а не от программного нуля. Программист всегда спрашивает: «На сколько сдвинуть инструмент?». Обычно это более громоздкий и сложный метод.

Осторожно с командами движения. Новички мыслят инкрементально. В абсолютном режиме (как и следует новичкам) программист должен спрашивать: «В какую позицию переместить инструмент?» — относительно программного нуля, а не от текущей позиции. Рисунок 2 показывает две идентичные серии движений в инкрементном и абсолютном режимах.

Помимо лёгкости определения текущей позиции, абсолютный режим выигрывает при ошибках: ошибка в одной команде затрагивает только одно движение. В инкрементном — все последующие движения тоже будут неверными.

Назначение программного нуля

ЧПУ должно быть сообщено местоположение программного нуля. Способы варьируются. Старый метод — назначение в программе (G92/G50 в начале программы и/или каждого инструмента). Лучше — через коррекции (offsets). На фрезерных центрах — fixture offsets, на токарных — geometry offsets для каждого инструмента. Подробнее — в ключевой концепции №4.

Другие аспекты движения осей

Показали, как определить конечную точку движения (потребовалась прямоугольная система координат). Но важны также тип движения (быстрое, прямолинейное, круговое) и скорость (подача) — разберём в ключевой концепции №3.

Программа ЧПУ

Почти все современные ЧПУ используют словесно-адресный формат (исключение — некоторые диалоговые). Программа состоит из предложений-команд. Каждая команда — слова ЧПУ с буквенным адресом (X, Y, Z…) и числовым значением. Буква указывает тип слова, число — его значение. Как слова и предложения в языке, слова ЧПУ говорят станку, что делать.

Производители ЧПУ варьируют в именах слов и значениях. Новичок должен смотреть в руководство производителя. Краткий список типов слов и общих буквенных адресов:

Многие адреса логичны (T — инструмент, S — шпиндель, F — подача). Некоторые требуют запоминания.

Два адреса (G и M) для специальных функций. Подготовительная функция (G) устанавливает режимы. Мы уже видели G90 (абсолютный) и G91 (инкрементный). Нужно смотреть руководство своего станка.

Вспомогательные функции (M) — программируемые переключатели (шпиндель вкл/выкл, СОЖ вкл/выкл) и другие программируемые функции станка.

Новичку может показаться, что нужно много запоминать. Но в ЧПУ всего ~30–40 разных слов. Если представить изучение как изучение языка на 40 слов — не так уж сложно.

Программирование с десятичной точкой

Некоторые адреса позволяют вещественные числа (X, Y, R). Почти все современные ЧПУ позволяют десятичную точку: X3.0625 для позиции по X.

Другие адреса — только целые числа (S, T, N, G, M). Для них десятичная точка обычно запрещена. Новичок должен проверить в руководстве, какие слова допускают точку.

Другие программируемые функции

Все, кроме простейших ЧПУ, имеют программируемые функции не только по движению осей. На полнофункциональных станках почти всё программируется. Фрезерные центры: скорость/направление шпинделя, СОЖ, смена инструмента. Токарные: шпиндель, СОЖ, индексация револьвера, тыловая шпиндель. У каждого типа свой набор. Аксессуары (зондирование, измерение длины инструмента, смена паллетов, адаптивное управление) также могут требовать программирования.

Список программируемых функций сильно варьируется — нужно изучать для каждого станка. В ключевой концепции №2 подробнее о типичных программируемых функциях разных ЧПУ.

Узнайте больше о ключевых концепциях ЧПУ:

• Концепция №2 — Знай свой станок
• Концепция №3 — Типы движений ЧПУ
• Концепция №4 — Формы компенсации
• Концепция №5 — Важность форматирования программы
• Концепция №6 — Методы программирования ЧПУ
• Концепция №7 — Станок с точки зрения оператора
• Концепция №8 — Режимы работы станка
• Концепция №9 — Ключевые последовательности операций
• Концепция №10 — Безопасная верификация программ ЧПУ