Система руководства станками

Системы программного управления станками предполагают определенную последовательность избранных действий. Для того чтобы на ставке обработать какую-либо заготовку, придав ей заданные формы и размеры, нужно выполнить на нем некоторый состав избранных действий, представляющий совокупность управляющих воздействий и перемещений рабочих органов (РО) станка.

Автоматом называется самоуправляющийся металлорежущий станок, который при осуществлении технологического процесса самостоятельно производит все перемещения PO, входящие в цикл обработки.

Полуавтоматом называется станок, работающий в автоматическом цикле. для повторения которого требуется вмешательство рабочего.

Неавтоматизированными действиями программы обработки чаще всего являются загрузка заготовок и снятие обработанных изделий, реже — ориентирование заготовок и их закрепление (зажим).

Автоматизирование действий (управления) может быть осуществлено на оборудовании с двумя принципиально различными подходами:

• станки работающие по методу механических управляющих воздействий;
• станки с программным управлением чпу

Системы механических управляющих воздействий основаны на использовании взаимных перемещений, возникающих при контактах между собой специально предназначенных для цели управления деталей, размещаемых на пути движения рабочего органа или участвующих в передаче движения тому или иному рабочему органу станка.

Необходимая последовательность воздействий достигается путем изменений Во взаимном расположении этих деталей или изменением формы их контактных поверхностей. К таким деталям относятся:

• путевые упоры;
• ригели;
• копиры;
• шаблоны;
• профильные кулачки на кулачковых и копировальных автоматах и полуавтоматах.

Для фрезерных станков примерами такого автоматизирования процессов обработки служат: шпоночно-фрезерные полуавтоматы, шлицефрезерные автоматы, объемно-фрезерные копировальные полуавтоматы.

Системы числового программного управления станками

Рис. 1. Траектория перемещения фрезы при фрезеровании криволинейной поверхности

Обработка таких поверхностей требует точно согласованного перемещения инструмента относительно заготовки одновременно по двум (Х, Y) или трем (Х, Y, Z) координатам. В каждой точке траектории на таких участках значения Координат отличаются от их значений в соседней точке. Из этого вытекает необходимость непрерывно изменять координаты бесчисленного множества точек траектории Инструмента, что практически невозможно. Однако если допустить некоторые незначительные отклонения от теоретического контура, то при определенном сочетании большого числа прямолинейных перемещений по двум или трем взаимно перпендикулярным координатам криволинейный контур или пространственно-сложная поверхность изделия могут быть образованы.

На рис. 2 показано геометрическое построение приближенной замены криволинейного контура методом линейно-кусочной аппроксимации. Аппроксимацией на математическом языке называется приближенная замена (выражение) каких-либо геометрических объектов через другие, более простые. В рассматриваемом случае инструмент перемещается ступенчато — кусочками Δl на равных по длине прямых участка аппроксимации. Под перемещением инструмента следует понимать его перемещение относительно заготовки. Чем больше таких прямых А и чем мельче кусочки Δl, тем точнее будет воспроизведен криволинейный контур.

Рис. 2. Схема построения криволинейного контура обработки на станке методом линейно-кусочной аппроксимации

В системах контурного ЧПУ применяются методы аппроксимирования, для осуществления которых устройства располагают вычислительными машинами, называемыми интерполяторами. Интерполятор по командам программы производит автоматический расчет координат промежуточных точек (а, б, в, г, д, е, …) в необходимых количествах и с определенной частотой во времени, по адресам направлений движения рабочих органов формирует и посылает управляющие сигналы — импульсы — исполнительным органам станка (например, приводу стола, салазок, ползуна шпинделя и др.).

Сложно выбирать систему управления среди многих типов, имеющихся сейчас на рынке. Однако следует учитывать основные факторы: соответствие поставленным целям; надежность; ремонтопригодность и наличие запасных частей. Ниже эти факторы рассмотрены подробнее.

Соответствие системы управления поставленным целям

Аналоговые и числовые (дискретные) системы управления

Лишь немногие системы управления следует отнести к полностью аналоговым или к полностью дискретным. Почти без исключения ввод данных осуществляется в числовой (дискретной) форме. Выход к сервосистемам за исключением недорогих и менее сложных систем и систем, использующих шаговые двигатели, является аналоговым. Обратная связь в замкнутых системах может быть любого типа. Аргументация, которую используют в пользу дискретных или аналоговых систем, противоречива и почти полностью не соответствует существу вопроса.

Перфорированная лента в сравнении с магнитной

Линейные датчики обратной связи и круговые (вращающиеся) датчики

Незамкнутые и замкнутые системы управления

Надежность систем управления

Ремонтопригодность и наличие запасных частей

Отечественные инновационные разработки в сфере программного управления станками

В настоящее время российские компании активно работают в направлении разработок систем управления для станков с ЧПУ (рис. 3). Упор в разрабатываемой системе управления делается не на точностных и скоростных характеристиках, которые уже давно превысили возможности механической части станков, а на оптимизации процесса обработки, контроле состояния инструмента, анализе причин простоев и других факторах, так или иначе связанных с оптимизацией ресурсов по эксплуатации станка.

Рис. 3. Система управления для станков с ЧПУ, разработанная ОАО «КЭМЗ» и компанией «Техникон»

Параллельно идет работа по созданию единой информационно-управляющей системы, в которую будут интегрированы станки с системами ЧПУ различных производителей, целью которой является контроль трудовых, материальных и энергетических ресурсов, сосредоточенных вокруг станка. Важной особенностью разрабатываемой системы является не только возможность пассивного наблюдения за процессом и последующего анализа руководителями «узких мест», но и возможность прямого влияния на сокращение издержек силами оператора непосредственно во время работы.

В себестоимости продукции, производимой на станке с ЧПУ, немалое место занимают затраты на его эксплуатацию. В конечном счете, стоимость детали зависит от таких факторов, как уровень загрузки станка, зарплата персонала, затраты на инструмент/оснастку, электроэнергию и т.п.). За срок эксплуатации, будь это многокоординатный обрабатывающий центр с ЧПУ или 3-х координатный фрезерный эти затраты, как правило, превышают стоимость самого станка, а ведь они не являются фиксированными и не предопределены заранее, они во многом зависят от того, насколько эффективно организовано производство. И если на производстве количество станков достаточно велико, контролировать и управлять ими без современных программных средств – вряд ли возможно.

Немаловажным в вопросе оптимизации затрат является и вопрос повышения производительности труда. И даже в периоды экономического кризиса актуальность этого вопроса не снижается, так как повышение производительности так или иначе, в конечном счете, ведет к снижению себестоимости продукции. Меняется лишь контекст: вместо увеличения производительности в традиционном понимании на первый план выходит вопрос об увеличении удельной производительности, то есть производстве, требующем меньшего количества ресурсов на единицу производимой продукции. Причем ресурсов любого рода, в том числе станков, персонала, инструмента, электроэнергии и т.д.

Как известно, в вопросе оптимизации использования производственных ресурсов существует два подхода: пассивный и активный. Пассивный подход ограничивается мониторингом происходящих на производстве процессов и выявлением «узких мест» или центров затрат. Он не требует вмешательства в существующие процессы рабочего и инженерно-технического персонала, а лишь предполагает, что в результате анализа результатов производства руководством будут сформированы какие-то действия по его реорганизации. Такой подход, в силу разных причин, до сих пор широко распространен на большинстве предприятий, и на сегодняшний день реализующий его современный инструментарий представлен многочисленными системами сбора производственной статистики, которые осуществляют сбор информации о количестве произведенных деталей, причинах простоя и т.п.

Активный же подход предусматривает постоянное вмешательство в производственные процессы всего задействованного в процессе производства персонала (рис. 4, а), причем непрерывно, а не по факту анализа его результатов. Многие современные технологии управления производством, типа бережливого производства и т.п., предполагают вовлечение всех сотрудников. Именно это в большей степени предопределяет эффективность таких производств. Очевидно, что активный подход потенциально более эффективен, однако требует создания определенного вспомогательного инструментария для персонала, с помощью которого он может воздействовать на процесс с целью его улучшения. Что же может являться таким инструментарием? Ответ на этот вопрос вытекает из анализа центров производственных затрат, к которым в укрупненном виде относятся: затраты на производственное время, персонал, брак, инструмент и оснастку, электроэнергию.

Детальный анализ данных центров затрат показывает, что главным источником их формирования являются неэффективная загрузка и простои оборудования, обусловленные организационными проблемами или поломками. Кому из производственников незнакомы такие проблемы, как отсутствие заготовки, актуальной программы обработки, нужного инструмента? Нередки на производстве и ситуации, приводящие к выходам оборудования из строя: перегрузки, вызывающие вибрации, повышенный износ станка и, в конечном счете, поломку, или аварии при переналадке станка, выводящие оборудование из строя на длительное время и влекущие немалые затраты на его восстановление. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что влиять на перечисленные негативные процессы возможно, и это не требует больших экономических затрат. Суть реализуемого на ОАО «КЭМЗ» подхода заключается в предоставлении персоналу, ответственному за подготовку и контроль производства, необходимой информации о состоянии производства в реальном времени, а также четкую постановку задачи и детальный контроль выполнения всего, что делает рабочий персонал.

Рис. 4. Активный контроль работы производственного персонала (а); мониторинг работы производственного оборудования (б)

Для реализации данной задачи недостаточно объединить станки в сеть для сбора производственной статистики. Необходимо обеспечить возможность участия обслуживающего оборудование персонала в производственном процессе и минимизировать простои оборудования (рис. 4, б). Для это недостаточно организационных инициатив со стороны руководства − необходим реальный инструментарий, обеспечивающий четкую постановку задачи и контроль ее выполнения.

В частности, в условиях мелкосерийного производства снижение времени переналадки станка является ключевым фактором производительности. Здесь не должно быть проволочек и путаницы. Подойдя к станку и пройдя процесс авторизации, наладчик должен получить доступ к списку сменных заданий данного станка и конструкторско-технологической документации, необходимой для его переналадки. Причем, он должен иметь возможность ознакомиться с поставленной ему задачей заблаговременно, чтобы провести подготовку и необходимые консультации, если это необходимо. Возможно, в процессе подготовки выяснится, что отсутствует необходимый инструмент или возникли другие причины, требующие доработки программы обработки и т.п. Другими словами, к моменту переналадки все вопросы уже должны быть решены, и наладчик должен немедленно приступить к переналадке. Одновременно с этим необходим контроль всех происходящих на производстве процессов с максимально возможной глубиной анализа: от детализации причин простоя до оценки уровня износа инструмента.

Решить эту задачу призван программно-аппаратный комплекс ГИАС, внедряемый в настоящее время на предприятии (рис. 5).

Рис. 5. Входной интерфейс программно-аппаратного комплекса ГИАС

Свое начало проект брал с разработки собственной системы ЧПУ по схеме локализации производства ее комплектующих. Впоследствии эта идея трансформировалась в более широкое видение: не только локализация производства компонентов, но и создание такого продукта, который обеспечивал бы реальное влияние на центры производственных затрат. Не локальное устройство, обеспечивающее управление движением приводов станка, а информационно-управляющий комплекс, интегрированный в систему управления предприятием. «Станок как часть системы» — такова современная тенденция развития мирового машиностроения в контексте концепции «Индустрия 4.0», и такой слоган был выбран для продукта с названием ГИАС. Именно в таком ключе проект развивался последние два последних года и на сегодняшний день имеет свое воплощение в станках производства ОАО «КЭМЗ».

В основе его аппаратной части – комплектующие Mitsubishi Electric. Именно комплектующие, а не готовая система ЧПУ. По соглашению с данной компанией предусматривается возможность локализации производства части компонентов, доля которых может достигать 60% от стоимости комплекта. Локализации подверглась топовая серия ЧПУ данного производителя − М700, что практически не накладывает ограничений на область использования производимых станков. Прикладное программное обеспечение – полностью отечественная разработка. Оно состоит из двух частей:

• ГИАС станок — устанавливаемое непосредственно на станке;
• ГИАС предприятие — предназначенное для сбора и передачи на станки информации в реальном времени, статистической обработки данных и подготовки отчетов.

«ГИАС станок» – эта та часть комплекса, которая реализует инструментарий активного воздействия на процесс производства рабочим персоналом. Автоматизация конструкторско-технологической подготовки производства на ОАО «КЭМЗ» построена на решениях компании «Интермех». В качестве системы ведения электронного архива технической документации и управления данными о составе изделия на ОАО «КЭМЗ» внедрена и используется система Search. Конструкторская подготовка производства на ОАО «КЭМЗ» ведется с использованием системы Cadmech. Технологическая подготовка производства осуществляется в системе Techcard. «ГИАС станок» обеспечивает возможность доступа со станка к конструкторско-технологической документации в формате PDF, программам обработки и другой полезной информации, хранящейся в системе Search, организуя тем самым для наладчика работу по принципу «все под рукой» и предотвращая непроизводительные затраты времени на уточнение задания и переделки.

Еще одним элементом активного воздействия на процесс обработки и очередной отличительной особенностью «ГИАС станок» является интегрированная система адаптивного резания (рис. 6, а), обеспечивающая автоматическое регулирование подачи, как функции нагрузки. Система адаптивного резания является важной частью системы ГИАС, так как позволяет достигать значимого сокращения машинного времени на черновых операциях или повышения ресурса инструмента (определяется настройками системы). В обоих случаях при использовании на серийном производстве она позволяет с достаточно высокой точностью оценить степень износа инструмента.

В контексте вышеописанной концепции системы ГИАС это крайне важно, так как инструмент относится к одному из самых дорогостоящих ресурсов, и иметь реальную картину его износа в любой момент времени – очень ценно. Система адаптивного резания входит в базовую комплектацию «ГИАС станок», что в сочетании с высокими характеристиками аппаратной части позволяет достичь высоких параметров обработки как по производительности, так и по качеству.

Рис. 6. Окно интегрированной системы адаптивного резания (а); упрощенный интерфейс системы ЧПУ (б)

Еще одной интересной и востребованной в ряде случаев возможностью системы «ГИАС станок» является интегрированная система оперативного программирования. Эта система реализует специальный интерфейс, отличный от традиционного интерфейса системы ЧПУ и призванный упростить процесс подготовки технологической программы за счет использования метода визуального графического программирования без применения кода ISO. По сути, речь идет о программировании обработки циклами, то есть методом прямого ввода форм поверхностей и размеров непосредственно с чертежа. В принципе, такие системы предлагаются сегодня различными производителями ЧПУ в качестве опции или даже в базовой комплектации. Однако они являются дополнением к традиционному интерфейсу ЧПУ, а не замещают его.

Такие системы призваны исключить необходимость привлечения технолога при подготовке программы обработки и предполагают высокую квалификацию оператора станка. В случае же с системой ГИАС был предложен принципиально другой подход: здесь реализовано переключение между традиционным интерфейсом ЧПУ и интерфейсом оперативной системы управления. Идея заключается в том, чтобы исключить для оператора станка необходимость освоения принципов управления традиционной системой ЧПУ, ограничив для него доступ к ее традиционному интерфейсу, и заместить его на упрощенный (рис. 6, б). То есть создать условия, при которых оператор станка, не имеющий квалификации «оператор станка с ЧПУ», мог бы в короткие сроки освоить управление станком и быть задействован либо на выполнение черновых операций, либо, в ряде случаев, как полноценный оператор станка. Не забывая о концепции системы ГИАС, как инструменте влияния на центры производственных затрат, стоит также отметить, что использование персонала низкой квали- фикации позволяет не только сократить фонд заработной платы, но и создать здоровую конкурентную среду даже на тех предприятиях, где кадровый вопрос стоит не так остро.

Стоит отметить и тот факт, что в базовую комплектацию «ГИАС станок» входит система 3D-симуляции процесса обработки с контролем столкновений (рис. 7). Использование такой возможности, безусловно, снижает риски возможных аварий, последствия которых могут стоить предприятию больших денег. Сегодня системы контроля столкновений опционально предлагаются в топовых системах ЧПУ ведущих мировых производителей. Однако, особенности ее реализации в «ГИАС станок» были, опять же, обусловлены провозглашенным подходом − «Станок как часть системы». В частности, при разработке техпроцесса в системе Techcard указываются необходимые для работы оборудования параметры, которые передаются в систему «ГИАС станок». Таким образом наладчик имеет возможность автоматически получить на станок необходимые для выполнения 3D-симуляции обработки данных из конструкторско-технологической документации: форму заготовки, список и размеры используемых в программе инструментов, включая инструментальные оправки и режущие пластины. Иными словами, наладчик тратит минимум времени, чтобы удостовериться в безопасности выполнения операции. Разумеется, ручной ввод также предусмотрен, однако это рассматривается, скорее, как вынужденная мера.

Рис. 7. Система 3D-симуляции процесса обработки

Несколько слов о системе мониторинга работы оборудования, являющейся частью программного обеспечения «ГИАС предприятие». Сегодня на рынке представлено немало таких систем, предлагаемых производителями как систем ЧПУ, так и станков. Однако каждый из таких производителей ограничивает масштаб внедрения информационной системы рамками оборудования собственного производства. Это обусловлено объективными факторами − отсутствием стандартизованного механизма к доступу информации системам ЧПУ различных производителей, что существенно затрудняет информационный обмен.

В этом смысле, система ГИАС имеет важное преимущество, так как предполагает возможность интеграции оборудования различных производителей систем ЧПУ. В списке поддерживаемых на сегодняшний день систем такие производители, как Siemens, Fanuc, Mitsubishi, Heidenhain и некоторые другие. Интеграция станков с ЧПУ производителей, не входящих в этот перечень, также возможна, хотя и с некоторыми ограничениями функционала или с необходимостью дополнительного аппаратного оснащения. Очевидно, что внедрение систем такого рода обладает ценностью лишь при возможности интеграции большей части задействованного в процессе производства оборудования. Поэтому список поддерживаемых систем ЧПУ будет увеличиваться.

Разработчик уверен в правильности выбранного пути и считает, что разрабатываемая система в сочетании с локализацией производства ЧПУ одного из ведущих мировых производителей позволит в короткие сроки вывести производимые станки на новый уровень. Доказать эффективность выбранного пути компания сможет на собственном примере. В данный момент система находится в эксплуатации на ОАО «КЭМЗ».

Любая система ЧПУ имеет три основных режима работы:

      1. Ручной режим управления (Manual). Когда оператор управляет станком с пульта или с клавиатуры.
      2. Режим ручного ввода данных (Manual Data Input). Когда оператор управляет станком путем покадрового ввода команд в консоль и их выполнения. Например, включить шпиндель со скоростью вращения 15000 об/мин (S15000 M3), переместиться в определенную координату с подачей 5000 мм/мин (G1 X50 Y50 F5000) и т.д.
      3. Автоматический режим управления (Auto) – это основной режим работы станка с ЧПУ в котором происходит автоматическое выполнение управляющих программ. Оператор всегда имеет возможность прервать выполнение программы, возобновить ее выполнение, начать выполнение с заданного кадра, внести в программу корректировки и т.д.