Архитектура рынка

19 Июля 2012

Основу современных систем числового программного управления металлообрабатывающего оборудования составляют передовые технологические решения в области аппаратного и программного обеспечения, новых информационных технологий и технологических компонентов.

Системы ЧПУ с открытой архитектурой класса открыли новую страницу в истории устройств числового программного управления станками. Применение стандартных или индустриальных персональных компьютеров как базовой платформы для СЧПУ — это широкие возможности в унификации и вместе с тем доступ к огромным ресурсам памяти, вычислительной мощности, стандартизованным коммуникационным средствам (интерфейсам), всевозможному системному, инструментальному и пользовательскому программному обеспечению и многому другому, предоставляемому развивающейся с невероятной скоростью индустрией информационных технологий.
Рассмотрим некоторые из предлагаемых на российском рынке наиболее популярных зарубежных систем и отдадим дань отдельным отечественным разработкам. Мы не претендуем на полноту обзора, наша цель — рассказать о принципиальных решениях.

Зарубежные системы

Siemens
Последние тридцать лет фирма Siemens является одним из законодателей мод на рынке станков с ЧПУ. Что же представляет сегодня фирма Siemens? В области ЧПУ фирма расширила свою гамму и теперь предлагает системы ЧПУ не только для сложных станков, работающих на большие серии.
Для простых станков фирма предлагает семейство ЧПУ (2 оси + шпиндель для токарных и 3 оси + шпиндель для фрезерных станков). В качестве приводов могут быть использованы, как современные шаговые трехполюсные двигатели (с ЧПУ Sinumerik 802S), так и сервопривода переменного тока с аналоговым интерфейсом (с ЧПУ Sinumerik 802С).
Шаговые приводы позволяют существенно снизить общую стоимость станка, и поэтому особенно популярны в самых простых, маленьких станках, использующихся небольшими фирмами, которые являются поставщиками комплектующих для более крупных фирм либо выпускают небольшие серии деталей для собственных нужд, поддерживая при этом постоянный уровень качества и избавляясь от проблемы поиска высококвалифицированных специалистов.
Использование сервоприводов с аналоговым интерфейсом (+/-10 В) позволяет повысить точность обработки поверхности на тех же станках или же, что является очень актуальным сегодня на рынке СНГ, использовать ЧПУ Sinumerik 802С для задач модернизации станков, причем появляется возможность оставить старые приводы, что существенно удешевляет модернизацию. При этом производительность станка повышается благодаря тому, что новая система ЧПУ более надежна в эксплуатации, а новые функции ЧПУ позволяют сократить время обработки детали.
Модификация Sinumerik 802С позволяет использовать ее в качестве простой цифровой индикации для цифровых станков. Причем ее стоимость сравнима или даже ниже, чем классические системы индикации, существующие на рынке.
К этим ЧПУ вплотную примыкает система Sinumerik 802D, которая добавляет еще одну ось (например, для управления столом) и работает с универсальным сервоприводом Simodrive 611U.
Для более сложных станков фирма Siemens предлагает уже завоевавшие доверие СЧПУ Sinumerik 810D с процессорами CCU1 и CCU2 и Sinumerik 840D с процессорами NCU 571 и NCU 572. Эти системы позволяют осуществлять управление по 6-12 осям и имеют в своем составе функции, позволяющие управлять не только токарной или фрезерной обработкой, но и такими технологиями, как шлифование, лазерная резка, вырубка и управление роботами. Эти системы работают совместно с цифровым приводом Simodrive 611D, что позволяет достичь точности и динамики, недостижимых для традиционного аналогового привода.
Для сложных технологий формообразования, подготовки моделей и высокоскоростной обработки твердосплавных деталей предлагается линия Sinumerik Power line, представленная в настоящий момент СЧПУ Sinumerik 810D с CCU3 и Sinumerik 840D с NCU 573. Отдельной линией проходит система ЧПУ Sinumerik 840Di. Это так называемая система ЧПУ типа PCNC, базирующаяся на стандартном промышленном ПК. При этом интерфейс пользователя и ядро ЧПУ реализованы программно, а контроллер ПЛК и интерфейсы подключения периферии и приводов — на единой слот-плате. В качестве привода используется тот же универсальный привод Simodrive 611U, что и для Sinumerik 802D.
Появление новых функций в ЧПУ позволяет сегодня существенно уменьшить время переналадки станка, которое в универсальном станке может занимать до 90% от общего времени работы. Другие функции позволяют избежать поломки дорогостоящего инструмента и повреждения дорогостоящей детали. Износ инструмента также можно снизить за счет программных функций ЧПУ. Повышение качества обработки поверхности с использованием систем ЧПУ фирмы Siemens позволяет отказаться от финишной обработки деталей и тем самым не только сократить время производства (т. е. повысить производительность), но и уменьшить парк дорогостоящих станков.

GE Fanuc Automation
Устройства ЧПУ компании GE Fanuc Automation пользуются спросом благодаря их высокой эксплуатационной надежности и производительности. Компания выпускает ЧПУ открытого и традиционного типов, которые увеличивают производительность станков за счет обеспечения возможности доступа к информационным и программным средствам в самом станке. Системы ЧПУ компании GE Fanuc рассчитаны на такой широкий спектр операций, как: шлифование, сверление, резка, фрезерование, перфорирование, токарная обработка, обработка древесины и прочее.

ЧПУ традиционного типа. Блок управления ЧПУ компании GE Fanuc во всех моделях новой серии ЧПУ имеет толщину всего лишь 60 мм. Встроенная в блок миниатюрная печатная плата ЧПУ позволяет полностью использовать возможности самых современных БИС и технологий поверхностного монтажа. Плата монтируется за жидкокристаллическим дисплеем. Компания также разработала высокоскоростную сервошину последовательного действия и компактный распределяемый модуль ввода-вывода, что позволяет подключать один блок управления ЧПУ и сразу несколько сервоусилителей к одному волоконно-оптическому кабелю. Различные модули ввода-вывода могут монтироваться на рабочей панели и на пульте управления станком, что позволяет значительно уменьшить объем электроавтоматики станка и его размеры. Производственная система может быть улучшена с помощью Factolink, который может использовать ЧПУ в качестве оконечного устройства оперативной системы.

ЧПУ открытого типа. Весь спектр ЧПУ открытого типа компании GE FANUC представлен сериями 160i, 180i, 210i and 160is, 180is, 210is, разработанными на базе 16i, 18i и 21 i серий. ЧПУ серии «is» являются самыми компактными и тонкими из ЧПУ открытого типа. Печатная плата, совместимая с функцией карманного ПК MS Windows СЕ, монтируется за цветным жидкокристаллическим дисплеем. Панель разработана с использованием самых современных БИС и технологий поверхностного монтажа. Серии 160i, 180i, 210i совмещают надежность автономного ЧПУ с мощностью интеллектуального терминала компании GE Fanuc. ЧПУ открытого типа обеспечивают высокоэффективную реализацию функций управления ЧПУ компании GE Fanuc одновременно с функциями персонального компьютера и возможностью их дальнейшего расширения. Благодаря высокой надежности они могут с уверенностью применяться на производствах любого уровня. Устройство ЧПУ и станок могут управляться с помощью графического пользовательского интерфейса персонального компьютера. Кроме того, сетевые возможности могут быть использованы для обмена информацией, а программные средства базы данных — для управления сервисными программами. Используя наиболее продвинутые функции персональной ЭВМ, можно преобразовать самый простой станок в машину с интеллектуальными возможностями. Прикладное программное обеспечение поддерживается средой Microsoft Windows 95/98, Windows NT4.0 и Windows 2000 для ЧПУ открытого типа серии «i», Microsoft Windows СЕ для ЧПУ открытого типа серии «is». Механики могут разработать прикладное программное обеспечение для станка, как и для обычной ЭВМ. Программное обеспечение компании GE Fanuc (библиотека CNC) используется для ввода-вывода внутренней информации ЧПУ. Такое программное обеспечение может поддерживать стандартный набор языков программирования Microsoft (Visual Basic или Visual С++ТМ), а также обмен через OLE/DDE. Имеется возможность простой установки любого прикладного программного обеспечения.

Помимо уже названных компаний на российском рынке присутствует продукция таких зарубежных фирм, как Heidenhain, Bosch Rexroth, IPA, Indramat, Andron GmbH, M&R Numeric (все Германия), итальянских Fidia, OSPI, Olivetti, японских Mitsubishi, Toshiba, Hitachi, американской Allen-Bredly и других.

О пользе кооперации

Из систем ЧПУ, выпускаемых в бывших советских республиках, можно отметить продукцию ЗАО МШАК (Армения) и украинской компании «Вест Лабе».
Система ЧПУ MSHAK-DELTA TAU с открытой архитектурой класса PC-based построена на базе стандартных или индустриальных персональных компьютеров. На компьютер устанавливается мощный программируемый многоосевой контроллер РМАС фирмы Delta Таu Data System, Inc. (США), управляющий в реальном масштабе времени всеми подсистемами станка. Это всего лишь одна плата, устанавливаемая на ISA (или PCI) шину, несущая в себе функции управления движением осей (до 32) и управления электроавтоматикой (PLC до 2048 вх./вых.). Система способна обеспечить одновременное управление 8 станками, количество синхронных (интерполируемых) осей — 32.
Система ЧПУ WL4T компании «Вест Лабе» является базовой моделью 2-координатной контурной системы управления второго поколения семейства WL4 и предназначена для использования в карусельных станках и токарных станках с базовыми функциями автоматического управления. Число одновременно управляемых координат 2 + 1 (планшайба). Способы интерполяции — линейная и круговая.

Отечественные решения

Компания «Балт-Систем» (Санкт- Петербург) предлагает две системы ЧПУ последнего поколения NC-110 и NC-200.
Система NC-110 отличается сочетанием многофункциональности и надежности. Система построена по модульному принципу и позволяет удовлетворить растущие требования потребителей путем установки дополнительных модулей. Система NC-200 представляет собой малогабаритное, моноблочное устройство, в котором объединены в одно целое блок управления, пульт оператора и станочный пульт.
Эти системы предоставляют пользователям широкий спектр технологических возможностей, среди которых: возможность параметрического программирования, программирования в элементах векторной геометрии, программирования двух виртуальных осей, масштабирования размеров, смещения нуля детали и поворот плоскости обработки, векторной компенсации радиуса при вершине резца при токарной обработке, управления моторизованным инструментом; возможность активизации фрезерно-расточных циклов при токарной обработке и многое другое.

Устройства ЧПУ «Микрос» серий 11, 12Т, 12ТВ, выпускаемые ЗАО «Микрос» (дочернее предприятие АО ЦНИТИ), базируются на современной компьютерной технологии промышленного типа и имеют удобную блочную компоновку. Их основу составляют промышленный компьютер и операционная система жесткого реального времени, гарантирующая быструю реакцию управления. Жесткий диск большой емкости обеспечивает практически неограниченную память управляющим технологическим программам.
Пользователю предоставляется полный контроль над выполняемыми функциями и операциями и за состояние станка и системы ЧПУ.
Встроенный редактор дает возможность вводить и корректировать управляющие программы. Программирование осуществляется при помощи G-функций и трехбуквенных кодов.
Имеющийся режим графической поддержки позволяет визуализировать реальное движение инструмента и проверять запрограммированные элементы траектории инструмента еще до начала обработки.
Кроме того, системы ЧПУ серии «Микрос» обладают развитыми функциями компенсации погрешностей механики станка: непрямолинейности и неперпендикулярности направляющих, непараллельности направляющих оси «Z» — оси вращения шпинделя, зазора в механической подаче; а также функцией компенсации непостоянства радиуса режущей кромки резца.
Автономная самонастройка системы позволяет определить оптимальные параметры управления положением для каждой оси.

Универсальная система FMS-3000 компании «Модмаш-Софт» (Нижний Новгород)— высокопроизводительная система числового программного управления, предназначенная для установки на различные типы технологического оборудования: фрезерные станки, копировальные станки, обрабатывающие центры, токарные станки и другое оборудование с ЧПУ.
Адаптация к конкретному типу станка осуществляется с помощью программы электроавтоматики и разветвленной системы параметров FMS-3000.
Основа FMS-3000 — персональный компьютер промышленного исполнения, изготовленный по новейшим технологиям. Открытая архитектура FMS- 3000 в комплексе с мощным программным обеспечением позволяет легко интегрировать в ее состав компьютерные компоненты ведущих производителей вычислительной техники.
Программное обеспечение системы реализовано на базе ядра жесткого реального времени с использованием библиотеки RT-Kernel, гарантирующей высокое качество выполнения таймерных задач управления сервоприводами и циклами электроавтоматики. Открытая структура системы позволяет включать в состав системы программные модули пользователя.

Ижевским НПП ИЖПРЭСТ с 1992 г. разработаны и серийно выпускаются ЧПУ Маяк-400 (1992 г.) и Маяк-500 (1999 г.). Последней разработкой компании является система ЧПУ Маяк-600. Система числового программного управления Маяк-600 предназначена для комплектования новых станков и модернизации старых.
Концепция размещения системы — отдельно блок ЧПУ и отдельно пульт оператора, соединенные последовательным интерфейсом. Блок ЧПУ встраивается в электрошкаф станка, а пульт оператора устанавливается в пульт станка или в электрошкаф. Маяк-600 позволяет управлять восемью координатными осями и шпинделем. Приводы подач и шпиндель управляются аналоговым сигналом (+/-10 В). К измерительным контурам можно подключать фотоэлектрические и индуктивные датчики обратной связи. Существует исполнение УЧПУ для управления шаговыми двигателями.
Некоторые функции системы: возможность отработки программы с любого кадра с автоматическим определением начальных условий (исходной точки и G-функций), диагностика блоков при включении и во время работы, многоуровневая система доступа к данным станка, редактирование управляющих программ, параметров, корректоров с пульта оператора, возможность отработки управляющих программ объемом 30 Мбайт и более, винтовая интерполяция, линейная интерполяция по всем осям одновременно.
Типы измерительных преобразователей перемещений — индуктивные и фотоэлектрические (круговые и линейные). В состав СЧПУ входит интегрированный программируемый контроллер.

Система WinPCNC. Система WinPCNC (компания NCSYSTEMS.RU, Москва) является однокомпьютерной системой ЧПУ, построенной на мощной платформе персонального компьютера с операционной системой Windows NT и расширением реального времени RTX 4.1 фирмы VentureCom. Она относится к классу PCNC. Система использует единственный процессор для обслуживания всех ее функций, включая функции электроавтоматики. Аппаратная часть представлена стандартной аппаратурой персонального компьютера и дополнительными интерфейсными модулями для связи со следящими приводами подачи и главного движения, приводами электроавтоматики, панелью оператора. Система ЧПУ состоит из двух независимых блоков — системного и панели оператора. Системный блок размещен в корпусе промышленного компьютера. Блок панели оператора встраивается в свой корпус и конструктивно оформляется так, как это удобно потребителю. Системный блок представляет собой базовый набор плат на шине PCI. Существует также возможность установки дополнительных плат: например, для увеличения числа управляемых координат, для увеличения общего числа параллельных входов-выходов электроавтоматики, для установки сетевых интерфейсных плат типа Fieldbus с целью управления приводами и электроавтоматикой.
Интерфейс оператора открыт для включения любых приложений конечного пользователя, разработанных в среде Windows. При этом конечным пользователям предоставлен широкий открытый набор интерфейсных функций API. Интерфейс оператора (его внешний вид, набор режимов, страниц и меню) может быть в кратчайший срок существенно перепроектирован с помощью специальной инструментальной системы State_Machine_Builder. Система ЧПУ может быть настроена на любую версию языка управляющих программ в коде ISO-7bit (DIN 66025). Настроенная версия поддерживается редактором-дебаггером управляющих программ и гибким интерпретатором управляющих программ (ISO-процессором). Интерпретатор может быть настроен на любое (разумное) число буферируемых кадров. Редактор-дебаггер располагает системой графического моделирования управляющей программы на входе системы и на выходе интерпретатора, т. е. с учетом эквидистант. Интерполятор системы имеет гибкую собственную архитектуру и фиксированный входной интерфейс IPD (Interpolator Data); он открыт для включения любых специальных алгоритмов интерполяции. В процессе управления может быть использована любая комбинация имеющихся алгоритмов. Гибкая система электроавтоматики построена на основе концепции SoftPLC, т. е. на основе программной реализации контроллера в составе прикладной компоненты системы ЧПУ. Взаимодействие всех модулей системы ЧПУ осуществляется через многофункциональную программную шину, которая служит глобальным сервером системы. Подобная организация допускает масштабирование системы.

Системы ЧПУ 4CKFF (АОЗТ «4С») — серийно выпускаемые представители серии 4СК, разработанной и поставленной на производство в Санкт-Петербурге совместно с фирмой Olivetti. Устройства МС/ТС управляют станками, обрабатывающими центрами, гибкими модулями, а GP — специальными типами станков, роботами и автоматическими линиями. Управление пятью (МСГГС) и неограниченным (GP) числом технологических процессов в реальном времени позволяет параллельно выполнять в СЧПУ несколько управляющих программ, например от одного устройства управлять обработкой деталей на нескольких станках одновременно. 4CKFF в 10 раз быстрее, чем ранее выпускавшиеся 4СК, что позволяет наиболее полно использовать широкие возможности программного обеспечения.
Всего 8 функционально различных аппаратных модулей снижает технологическую трудоемкость производства, упрощает сервисное обслуживание и обеспечивает программно-аппаратную совместимость современных и ранее выпускавшихся 4СК. В 2000 г. выполнен практически полный переход на использование в 4CKFF элементной базы зарубежного производства, определяющей качество и надежность. Производство СЧПУ 4CKFF, включая смежные производства: печатных плат, металлоконструкций, клавиатуры — сосредоточено в Санкт-Петербурге.
Новая система ЧПУ с повышенной степенью электронной интеграции «Мини 4CKFF» на основе малогабаритного блока управления (294x356x262 мм) на 5 платомест, модульное и программно совместимое с предыдущими моделями 4СК, обеспечивает управление 6 координатными осями (+2 шпинделя) и имеет 112/64 дискретных входов/выходов.

Система ЧПУ Арта НВП «Арта-Тест» (г. Фрязино Московской обл.) предназначена для управления электроэрозионными станками с количеством управляемых координат до 5 и является дальнейшим развитием производимых в последние годы СЧПУ «Арта» ДАКШ3.035.002.
Производятся как отдельные СЧПУ, так и со встроенным генератором БЭРМ-2М. Система выполнена на базе современной ЭВМ Intel архитектуры с процессором Pentium. Комплектуется собственными серийно выпускаемыми блоками: приводами шаговых двигателей, АЦП, электронным диском со встроенными ПЗУ рабочего ПО и статической памятью для хранения параметров и координат обработки при выключении питания, блоком питания.
Интерфейс оператора с СЧПУ обеспечивают графический цветной 15- дюймовый монитор, выдвижная клавиатура пульта оператора, панель управления (в случае варианта исполнения СЧПУ со встроенным генератором БЭРМ-2М дополняется элементами регулирования и индикации параметров технологических импульсов).
СЧПУ производятся по принципу «разъем в разъем» как для нового оборудования, так и для модернизации ранее изготовленного электроэрозионного и лазерного оборудования.

ООО «Русь Автоматика» (Санкт-Петербург) предлагает универсальные, многофункциональные системы ЧПУ семейства UNIC, базирующиеся на современном промышленном PC компьютере под управлением операционной системы Windows-98 и выше, что делает их максимально адаптируемыми для конкретных нужд потребителя. Система ЧПУ UNIC-23 — хорошее решение для обрабатывающих центров, многофункционального фрезерного и токарного оборудования. Система ЧПУ UNIC-22F,T предназначена для управления простыми фрезерными и токарными станками, применяется в металло- и деревообработке, а также в раскройном оборудовании. Система ЧПУ UNIC-21 — модульная система, позволяющая управлять сложным технологическим оборудованием, технологическими процессами, контролируемыми многочисленными датчиками. Наиболее эффективно используется в легкой и пищевой промышленности.

Система ЧПУ КРТ4-00 НПО КРИСТА (г. Рыбинск) построена на базе компьютера в промышленном исполнении. В состав системы входят: графический дисплей, алфавитно-цифровая и функциональная клавиатура, процессорный блок, платы связи с технологическим оборудованием, источник питания. СЧПУ может быть использована как для модернизации существующего оборудования, так и для применения во вновь разрабатываемых системах. Количество управляемых координат — до 6, управление приводами подач определяется типом привода, тип датчиков положения — инкрементные фотоэлектрические.
Система поддерживает следующие виды интерполяции: линейная — по всем шести координатам одновременно, круговая — по двум любым линейным координатам одновременно, линейно-круговая — по трем любым координатам одновременно, автоматическая коррекция контура на величину радиуса и длину инструмента.
Ввод управляющих программ возможен набором с алфавитно-цифровой клавиатуры СЧПУ (встроен полнофункциональный текстовый редактор), загрузкой ранее введенных программ из внутренней энергонезависимой памяти СЧПУ либо загрузкой с внешнего носителя данных (дискета формата 3,5 дюйма; переносные энергонезависимые модули памяти; компьютерная сеть, витая пара 10 Мбит/с).
Некоторые технические характеристики отдельных систем ЧПУ приведены в таблице.

И все-таки Siemens

Как можно было убедиться, российский рынок систем ЧПУ весьма представителен и насыщен предложениями. Причем практически каждый производитель предлагает от одной-двух до десятка и более моделей и модификаций.
Предложений достаточно много, а что же покупается, каким же системам ЧПУ отдается предпочтение? Разные источники информации сходятся примерно на таких числах: доля продаваемых в России зарубежных систем ЧПУ от 60 до 70%, соответственно, доля отечественной продукции 30-40%. Сходятся источники информации и в том, что безусловным лидером продаж является Siemens (до 90% продаж среди зарубежных систем ЧПУ).
Автор этого материала тоже не избежал соблазна и в свою очередь попытался оценить, какими системами ЧПУ оснащено предлагаемое на российском рынке новое металлообрабатывающее оборудование. Было взято пятьдесят производителей, из которых 34 зарубежных (американских, германских, швейцарских, японских) и 16 российских, таких как питерский «Свердлов», станкозаводы из Стерлитамака и Иванова, московский «Красный пролетарий» и другие. Так вот, из этих пятидесяти: 28 фирм предлагают оборудование, оснащенное системами ЧПУ фирмы Siemens, 15 — GE Fanuc, 8 — Heidenhain, 9 — других иностранных фирм (в том числе и собственных разработок) и 4 — отечественных фирм (сумма не равна 50, т. к. ряд производителей оснащают станки разными системами).
Кроме того, из десяти компаний (как российских, так и иностранных), предлагающих провести модернизацию станочного оборудования, практически все в качестве альтернативы установленным на этом оборудовании системам ЧПУ предлагают продукцию фирмы Siemens.
Таким образом, можно констатировать (наверное, с сожалением, но это так), на российском рынке в настоящее время преобладает продукция фирмы Siemens. Эта компания всегда была лидером в производстве систем ЧПУ, что основано на колоссальном опыте и практически неограниченных инженерных и технологических возможностях. «Слабое место» только одно — по российским понятиям дорого.
В последнее время стало заметным присутствие на российском рынке американских и китайских производителей систем ЧПУ. Но в отличие от Siemens они не имеют широкой сети представительств, способных осуществлять обслуживание, ремонт и консультационные услуги.
С сожалением отмечая отсутствие заинтересованности государства в развитии этой вне всяких сомнений стратегической отрасли, следует отметить, что появление новых предприятий, специализирующихся на выпуске такой продукции, появление новых современных ее образцов, позволяют, тем не менее, смотреть в будущее с осторожным оптимизмом.

Сергей Заякин
Журнал «Оборудование: рынок, предложение, цены», №10, октябрь 2002 г.