Станок с числовым программным управлением (ЧПУ) – технология и терминология

Станок с числовым программным управлением (ЧПУ) – технология и терминология

Прежде чем начинать рассматривать станок с числовым программным управлением (ЧПУ) как таковой, следует определиться с термином «числовое управление». Под термином «числовое управление» подразумевается система, все действия которой выполняются путём прямого ввода числовых данных в некоторой точке процесса. Такая система призвана интерпретировать автоматически, как минимум, какую-то часть числовых  данных. Однако применительно к станкам (машинам), как правило, используется термин «компьютерное числовое управление». Рассмотрим технологию и терминологию с целью лучшего понимания в общем и целом.

Индустриальный станок с числовым программным управлением (ЧПУ)

Идея компьютерного числового управления заключается в инсталляции компьютера непосредственно на индустриальном станке (рабочей машине). Соответственно, терминология «станки с ЧПУ» имеет прямое отношение к станкам (машинам), которые управляются вводом чисел с использованием компьютеров. Посредством компьютера обрабатывается вся технологическая информация, поступающая на индустриальный станок.

Числа, используемые для управления индустриальными станками, фактически представляют буквенно-цифровую символику. Эта символика, по сути, является кодами для станков с ЧПУ. Примеры: «G-коды», «M-коды» и подобные. Программные коды станков с ЧПУ различаются номерным обозначением, например:

  • G00, G01, G02;
  • M01, M02, M03;
  • T01;
  • S2000;
  • X40;
  • Y20;
  • Z30.

Каждый такой код заставляет индустриальный станок с ЧПУ выполнять определенную функцию или операцию.

ЛАЗЕРНЫЙ

Станок с числовым программным управлением - раскладка кодов
Формат буквенно-цифровых кодов станков с ЧПУ: 1 – номер последовательности; 2 – подготовительная функция; 3 – координаты цели; 4 – расстояние от центра круга; 5 – скорость подачи; 6 – скорость вращения шпинделя; 7 – инструмент; 8 – прочие функции

Программные коды располагаются в логической последовательности, в зависимости от типа и последовательности операций на задание. Эта логическая последовательность кодов ЧПУ называется программой инструкций (программой обработки детали). Программы выполнения инструкций для обработки деталей загружаются в контроллер – своего рода «мозг» индустриального станка с ЧПУ.

Если программы обработки деталей полностью разработаны оператором, тогда методику программирования станков с ЧПУ относят к ручному программированию деталей. Такой формат программирования индустриальных станков с ЧПУ, однако, утомителен и ограничен способностями человека. Однако пока что используется именно этот подход, учитывая, что индустриальные станки с ЧПУ «понимают» только машинный код типа «G» и «M».

Правда существуют также другие методы программирования станков с ЧПУ, благодаря которым человек (оператор) станка с числовым программным управлением получает возможность генерировать программу обработки деталей в стандартном формате (например, ISO 6983 и других).

Методика и стандарты программирования обработки детали

Стандарт ISO 6983 (G-коды) сфокусирован на программировании траектории расположения центра локации фрезы, относительно осей станка с ЧПУ, но не на задачах обработки детали. При этом индустриальные станки с ЧПУ, независимо от технологических возможностей, не способны делать другой работы, кроме как «точно» следовать программе «G-кода». Невозможно выполнить ни интеллектуальное управление, ни оптимизацию обработки.

ФРЕЗЕРНЫЙ

Станок с числовым программным управлением обрабатывает деталь
Обработка детали на индустриальном станке с числовым программным управлением (ЧПУ) подразумевает использование определённых стандартов программирования, разработанных под такие цели

По причине имеющихся ограничений устаревших стандартов, известных как «G-коды» (ISO 6983), были разработаны новые стандарты обмена данными о продукции:

  • STEP (ISO 10303),
  • STEP NC (ISO 14649),

с целью достижения портативности, совместимости, адаптации с очередным поколением индустриальных станков с ЧПУ — числовым программным управлением.

В отличие от текущего стандарта ЧПУ (ISO 6983), стандарт ISO 14649 не является методом программирования деталей и обычно не описывает перемещения инструмента для индустриального станка с ЧПУ. Вместо этого стандартом предоставляется объектно-ориентированная модель данных для ЧПУ с подробным и структурированным интерфейсом данных.

Этот интерфейс обеспечивает программирование на основе признаков, представленных некоторым диапазоном информации:

  • особенности, подлежащие обработке,
  • типы используемых инструментов,
  • операции, которые необходимо выполнить,
  • последовательность операций.

Футуристическое видение стандарта STEP-NC, это поддержка распределения интероперабельного интеллектуального производства через глобальные сети с помощью автономных рабочих станций. При этом осуществляется:

  • интерпретация данных, соответствующему стандарту STEP,
  • интеллектуальное создание программ обработки деталей,
  • диагностика и техническое обслуживание,
  • мониторинг и планирование производства работ.

Радикальный подход стандарта STEP-NC требует совершенно нового вида контроллера ЧПУ. Следовательно, текущая реализация на существующей машине использует метод «вставляй и работай», где окончательные коды STEP-NC должны быть преобразованы в обычные коды NC.

Методы программирования ЧПУ для существующей практики

Движение инструмента / ползунов на станке с ЧПУ может быть выполнено оператором с помощью поворотных кнопок или электронного маховика таким же образом, как на обычных станках. Этот метод передачи движений станкам с ЧПУ известен как ручное управление и не является методом ЧПУ.

ТАБЛИЧНЫЙ

Станок с числовым программным управлением - диаграмма методологии step-nc
Диаграмма методологии функционального моделирования (IDEF0) верхнего уровня для обработки машиной на основе STEP-NC: 1 – база знаний; 2 – ресурсы производства; 3 – стандарты ISO (10303, 14649, 6983); 4 – данные CAD (STEP-файл AP238, APT, G-код); 5 – заготовка; 6 – обработанная заготовка; 7 – ПО CAD/CAM; 8 – интерфейс; 9 – оператор; 10 – машинный инструмент

Методы программирования ЧПУ можно в целом классифицировать следующим образом:

  1. Ручной.
  2. Компьютерный.
  3. Диалоговое программирование.
  4. Использование программного обеспечения CAD / CAM.
  5. Параметрический метод.

Сейчас программирование станков с ЧПУ осуществляется в основном с использованием коммерчески доступного программного обеспечения CAD / CAM, а также посредством диалоговой формы на основе меню или функций. Но для изготовления простых деталей ручной вариант (с параметрическим / макропрограммированием или без такового) также является оптимальным вариантом программирования.

Методика ручного программирования обработки деталей

Ручное программирование деталей традиционно берёт за основу стандарт ISO 6983 (G-коды), упомянутый ранее. Если такого рода кодирование выполнено и подаётся напрямую блок за блоком через консоль станка, процесс называется — ручной ввод данных.

При ручном варианте обработки детали, программа полностью разрабатывается и сохраняется в виде файла (например, файла «MS-Word» или другой совместимой программы), с последующей подачей на станок с ЧПУ.

Компьютерное программирование обработки деталей

Обработка деталей с помощью компьютера для станков с ЧПУ выполняется посредством различных машинных языков, разработанных для этой цели. Следует отметить: разработано достаточно много машинных языков, среди которых распространены «APT» (Automatically Programmed Tool) и «COMPACT II».

Несмотря на однотипный подход «APT» и «COMPACT II», первый язык относительно легко понимать и применять. Система «Automatically Programmed Tool» использует простые англоязычные слова для инструктирования станка с ЧПУ под выполнение различных функций.

ТРЁХ-ОСЕВОЙ

Станок с числовым программным управлением режет металл точно по шаблону
Процесс плазменной резки при помощи индустриального станка с числовым программным управлением позволяет достичь высокоточного результата производства резов в определённых точках детали

Даже если учесть, что компьютерное программирование деталей в настоящее время не используется как таковое, система «APT» остаётся важным машинным языком в рамках всего мира. Обусловлено это тем, что большая доля подходов CAD / CAM к обработке деталей основана именно на «APT».

Машинный язык «APT» также важен, потому что многие из включенных в структуру языка концепций легли в основу других, впоследствии разработанных систем интерактивной графики.

Процедура компьютерной обработки станком с ЧПУ пошагово

Следующая процедура определяет обработку деталей с помощью компьютера:

  1. Программатор определяет геометрию детали, движения резца, подачу, скорость и другие параметры резания.
  2. Программист кодирует геометрию детали, движение резца, подачу и т. д., в соответствии с форматом языка программирования.
  3. Источник компилируется для получения независимого от станка списка перемещений резака и другой управляющей информации о машине (файл данных контроля местоположения резака или файл данных CL).
  4. Данные CL затем обрабатываются постпроцессором определенной машины, чтобы генерировать данные управления машиной / программу обработки детали для конкретной машины. Пост обработка включает добавление G-кодов, M-кодов и другой машинно-зависимой информации в требуемом формате.

Этот тип программирования – своего рода диалоговая связь станка ЧПУ с оператором. Это программное обеспечение диалогового поиска систематически ищет всю необходимую информацию о работах, выполняемых на станке с ЧПУ, непосредственно через оператора. На основе полученной информации разрабатывается программа обработки детали.

Информация, предоставляемая оператором программному обеспечению через диалоговую форму:

  • размер заготовки,
  • материал заготовки,
  • тип и последовательности выполняемых операций,
  • конечные параметры задания и т. д.

При диалоговом способе программа создаётся непосредственно на индустриальном станке с ЧПУ. Создание программы сопровождается использованием графических и управляемых меню функций с макросами — простыми программами обработки деталей, доступными в памяти контроллера.

Программист сможет визуально проверить правильность различных входных данных при создании программы. Когда процедура закончена, большинство диалоговых средств управления показывают программисту график траектории процесса, происходящего в моменты цикла обработки.

Это самый простой способ разработки программы обработки деталей, который широко используется в промышленности. Однако этот тип внедрения кода ограничен производством компонентов или работ с относительно простой геометрией деталей. Программное обеспечение диалогового программирования, как правило, предоставляется производителем машины в соответствии с возможностями техники.

Программирование посредством программного обеспечения CAD / CAM

Этот тип программирования выполняется с использованием коммерчески доступного программного обеспечения CAD / CAM, разработанного под использование с различными индустриальными станками с ЧПУ. Некоторые производители предоставляют свои собственные версии программного обеспечения CAD / CAM, но здесь применимость обычно ограничивается конкретной машиной.

Программное обеспечение CAD / CAM обычно поставляется в комплекте с инструментами черчения (рисования), а также инструментами для создания программы обработки детали из чертежа выполняемой работы. Чертеж выполняемых работ может быть представлен непосредственно в 2D или 3D формате с использованием инструментов рисования программного обеспечения CAD / CAM.

 

Также чертежи допускается предоставлять в совместимом формате, поддерживаемом программным обеспечением. После того как чертёж программного обеспечения готов к работе с программным обеспечением, ищется некоторая соответствующая информация аналогично программному обеспечению диалоговой формы.

Если соответствующая информация найдена, программы CAD / CAM способны генерировать процедуры обработки деталей для конкретного типа станка. Между тем, программное обеспечение CAD / CAM генерирует программы обработки деталей только для машин или контроллеров, которые зарегистрированы в базе данных софта.

С точки зрения полезности, различие программного обеспечения диалогового программирования и программного обеспечения CAD / CAM заключается в степени универсальности. Программное обеспечение CAD / CAM выглядит более универсальным, оснащено более сложными инструментами, по сравнению с программным обеспечением диалогового программирования.

Разработаны пакеты CAD / CAM, которыми предоставляются возможности генерации кода ЧПУ:

  • MasterCAM,
  • CATIA,
  • Pro / ENGINEER,
  • Pro / Toolmaker,
  • Siemens NX,
  • DELCAM,
  • EdgeCAM,
  • Work NC,
  • GibbsCAM и другие.

Процедура генерации кодов для производства компонент на станке с ЧПУ варьируется от одного программного обеспечения CAD / CAM к другому программному обеспечению CAD / CAM. Однако при этом выполняются три основных этапа практически в любой вариации:

  1. Программист предоставляет некоторую общую информацию.
  2. Геометрия заготовки определена и обрезана в соответствии с формой заготовки.
  3. Операции обработки определены.

Методика параметрическое программирование для станка с ЧПУ

Под методикой параметрическое программирование понимается оснащение станков с ЧПУ возможностями вычислений с помощью контроллера. Например, для выполнения арифметических вычислений, формул подачи, сохранения и присвоения значений системным переменным, а также локальным и общим переменным.

Параметрическое программирование также известно как макропрограммирование. Макросы — простые программы обработки деталей, которые находятся в памяти контроллера и вызываются использованием специального кода для конкретного макроса. Все виды постоянных циклов в основном представлены макросами.

Параметрическое программирование впору сравнить с любым машинным языком, например «Basic», «C», «Pascal». Однако язык параметрического программирования доступен непосредственно в контроллере станка с ЧПУ на уровне кода G, что допускает комбинирование с методами ручного программирования станков с ЧПУ.

Как и любой язык компьютерный, язык параметрического программирования также обладает компьютерными функциями, связанными с переменными, арифметикой, логическими операторами и циклами. Как и в других случаях, параметрическое программирование также доступно в нескольких версиях. Наиболее популярным является «Custom Macro B», «Q Routine», «Advanced Programming Language».

Дополнительно к функциям компьютерным, параметрическое программирование допустимо использовать для расширенных функций применительно к станкам с ЧПУ. Связь чаще всего предусматривается с такими утилитами, как счётчики деталей, менеджеры ресурса или инструмента и т. п. Также допустима связь с приводом вспомогательных устройств, таких как датчики, в процессе и после процесса измерения.


При помощи информации: Krishisanskriti