Модернизация станков с ЧПУ на основе комплектных систем управления

21 Ноября 2011 Рассмотрены основные направления модернизации металлообрабатывающих станков с ЧПУ.

В настоящее время перед отечественным машиностроением остро стоит проблема повышения качества изготовления наукоемкой продукции, решение которой связано с внедрением новых технологий и прогрессивного оборудования с ЧПУ. С учетом значительного износа основных фондов, который в ряде отраслей машиностроения достигает 75 %, при среднем возрасте станков более 20 лет наметилась определенная тенденция к постепенному вытеснению универсальных и специализированных станков с ручным управлением обрабатывающими центрами с ЧПУ, позволяющими существенно снизить трудозатраты, увеличить производительность и качество обработки.
В условиях дефицита свободных и достаточных средств для приобретения новых станков с ЧПУ актуальной становится проблема технического перевооружения машиностроительных предприятий на основе разработки и внедрения технологий модернизации станочного оборудования с ЧПУ. Расчеты показывают, что стоимость работ и комплектующих по модернизации составляет 20...60 % стоимости нового станка.
Можно выделить ряд основных направлений по модернизации станков с ЧПУ:

• мониторинг состояния металлорежущего оборудования;
• доведение технических параметров до соответствующих требованиям современной технологии обработки на ближайшие 10 лет;
• создание типовых проектов модернизации станков;
• замена (в случае необходимости) механических узлов;
• оснащение станков современными комплектными системами управления (КСУ).

В типовую структуру КСУ должны входить следующие стандартные функциональные компоненты: устройство ЧПУ или система управления; электроприводы главного движения и подач (с датчиками обратной связи); асинхронные электродвигатели главного движения (с датчиками обратной связи); вентильные электродвигатели подач (с датчиками обратной связи); линейные и круговые датчики измерения перемещений; блоки управления для высокоскоростных двигателей и мехатронных узлов; усилители для приводов главного движения и подач; контрольно-измерительные устройства; блок электроавтоматики; устройства автоматической компенсации (балансировочные, регуляторы давления, расхода и др.).
Архитектура КСУ — понятие более широкое, чем структура. Наряду с типовой структурой, архитектура определяет: конкретную аппаратную базу построения КСУ; мобильность (модульность и открытость) использования КСУ; быстродействие (время выполнения команд или программ); состав программного обеспечения (ПО — операционные системы, системы программирования, доступные языки высокого уровня, библиотеки стандартных программ), определяющий простоту программирования и его характеристики; набор внешних аппаратных интерфейсов (входных и выходных каналов) и их число, определяющих возможности многоканального управления технологическим оборудованием и простоту сопряжения КСУ с оборудованием; внешние (программные) интерфейсы пульта оператора УЧПУ и станочного пульта, которые должны обеспечивать дружественность по отношению к пользователю, простоту управления оборудованием; возможности расширения функций КСУ благодаря модульной структуре и открытости; контрольно-диагностические функции; функции обеспечения безопасности и др.
Обязательным является следующий набор требований к создаваемым КСУ: сохранение и поддержание функций существующих КСУ со стандартным ПО, что позволяет использовать библиотеки наработанных технологических управляющих программ; надежность; оптимальное соотношение цены и качества; удобный интерфейс, в том числе и графический; гибкость, учет всех пожеланий заказчика и спецификации станка; широкое использование графики при работе со станком, его диагностике и наладке; построение системы ЧПУ по двухуровневому принципу: верхний (оперативный) уровень работает под управлением операционной системы Windows NT/2000, а нижний (исполнительный) — ядра реального времени. Это позволяет наиболее полно использовать достоинства Windows NT/2000 на верхнем уровне (без привлечения дорогих программных средств реального времени), а нижнему уровню дает возможность сосредоточиться на задачах реального времени (интерполяции, управлении приводами и другими устройствами электроавтоматики).
Разрабатываемые КСУ предназначены для установки на следующие станки с ЧПУ: фрезерные, сверлильно-расточные, токарные, токарно-фрезерно-сверлильные, в том числе с револьверными головками и электроэрозионные. Адаптация к конкретному типу станка осуществляется с помощью программы электроавтоматики, разветвленной системы параметров, а также поставки дополнительных программных модулей, учитывающих специфику и тип станка.
Одна из основных задач — возможность поставки заказчикам полного набора КСУ от одного поставщика. Поэтому очень много внимания уделяется адаптации структурных составляющих от разных производителей и их отладка при совместной работе.
Комплектные системы управления в целом подразделяются на аппаратные средства и программное обеспечение. К аппаратным средствам относятся:

• двухуровневая система ЧПУ, в которой на верхнем (оперативном) уровне скомпонованы и отлажены процессор, оперативная память, ВЗУ (дисковод, CD-ROM), дисплей, пульты, УВС (IE — net card), ПЗУ (HDD), источник питания. На нижнем (исполнительном) уровне скомпонованы и отлажены процессор, оперативная память, модули связи с электроавтоматикой, модули связи с ДОС, модули связи с приводами;
• ДОС, оптоэлектронные линейные и круговые датчики положения;
• комплектный электропривод для главного движения и координатных перемещений, в состав которого входят аналоговые (цифровые) преобразователи и асинхронные (вентильные) двигатели;
• исполнительные и информационные блоки электроавтоматики, включающие, например, дополнительные двигатели электроавтоматики (для смазки, охлаждения, автоматического зажима-разжима заготовок, отвода стружки), исполнительные механизмы электроавтоматики (перепускные клапаны, золотники и др.), датчики электроавтоматики (концевые датчики, датчики давления, датчики нагрузки и др.).

Вторая компонента КСУ — программное обеспечение, которое подразделяется:

1) на системное ядро подготовки расчетов, включающее интегрированное ПО подготовки управляющих программ, например, система T-FLEX ЧПУ и транслирующее базовое ПО с интерпретатором управляющих программ, поддерживающим ISO 6983 (DIN 66025/26), с возможностью параметрического задания контуров.
Кроме того, интерпретатор обеспечивает перевод управляющей программы в коды станка нижнего уровня и контролирует правильность написания программ с сохранением файла отчета и выводом предупреждающих сообщений об ошибках и возможных способах их устранения, а также причин возникновения. В транслирующее базовое ПО входит транслятор, обеспечивающий синтаксический и семантический контроль с выводом сообщений об ошибках;

2) ядро реального времени, включающее базовое ПО диагностики и наладки, ПО индикации и информации, ПО управления, ПО управления приводами вместе с интерполяторами, ПО работы с датчиками;

3) ПО управления электроавтоматикой.

Структурное построение КСУ приведено на рисунке.

Основными отличительными особенностями представленной архитектуры являются:

• открытость — предусматривает возможность конфигурирования КСУ с обеспечением доступа к информации о состоянии любого модуля системы, причем конфигурация может изменяться конечным пользователем с учетом стоящих перед ним задач. Открытая архитектура КСУ позволяет последовательно выбирать собственный дизайн диалога с системой, использовать разные комбинации алгоритмов и дополнять систему новыми алгоритмами, включать систему в локальную и глобальную коммуникационную среду и получать из нее программы или данные;
• блочно-модульное построение из стандартных и унифицированных компонентов позволяет с минимальными затратами реализовывать большое число модификаций КСУ, удовлетворяющих решению различных технологических задач.

В табл. 1 приведены основные комплектующие (новые узлы или системы), установленные (+) на некоторые модернизируемые обрабатываемые центры (ОЦ) с ЧПУ.

Таблица 1

Наименование узла или системы	Модель ОЦ
	ГПМ-500	КМЦ-600	ВМ12-500	МС12-250
Силовой поворотный стол с горизонтальной осью вращения	+	–	+/+	+
Силовой поворотный стол с вертикальной осью вращения	+	–	–/–	+
Скоростной электрошпиндель в комплекте с преобразователем, датчиком обратной связи и системой охлаждения (на базе импортных электронных и электрических комплектующих изделий)	+	–	+/–	+
Электрошкаф	+	+	+/+	+
Асинхронный двигатель главного движения	+	+	–/+	–
Синхронные двигатели подач	+	+	+/+	+
Цифровой электропривод главного движения	+	+	–/+	–
Цифровые электроприводы подач	+	+	+/+	+
Устройство ЧПУ StankoNCTlOO или 32000-CNC	+	+	+/+	+
Главный пульт управления ОЦ	+	+	+/+	+
Отсчетная система на базе фотоимпульсных датчиков	+	+	+/+	+
Примечание. В числителе – высокоскоростное исполнение; в знаменателе – обычное.

Научно-техническими результатами работ по модернизации станков с ЧПУ являются: разработка и создание отечественной КСУ, включая аппаратное и математическое обеспечение системы ЧГТУ, цифровых приводов, двигателей и измерительных датчиков; технологии модернизации станков с ЧГТУ, прошедших промышленную апробацию; рабочие проекты модернизации станков с ЧПУ различных технологических групп, подготовка сопроводительной документации.

В табл. 2 приведены основные мероприятия по модернизации станков с ЧПУ.

Таблица 2

Наименование	КС12-500	6520ФЗ	КФПЭ 250Н	СПК 250
Профилактика станка	+	+	+	+
Встройка круговых преобразователей	+	+	+	+
Встройка линейных преобразователей	+	+	–	–
Проектирование и изготовление ходовых винтов качения	+	+	–	–
Встройка электрошкафов	+	+	+	+
Замена системы ЧПУ	+	+	+	+
Замена блоков подач	+	+	+	+
Модернизация приводов подач и главного движения (проект и изготовление)	+	+	+	+
Дооснащение четвертой и пятой координатами	+	–	–	–
Разработка электрической документации	+	+	+	+
Корректировка технической документации	+	+	+	+
Проектирование и изготовление пультов оператора	+	+	+	+
Проверка станка по нормам точности	+	+	+	+
Окраска станка	+	+	+	+
Сдача станка на деталях заказчика	+	+	+	+
Вывоз станка от заказчика и обратная поставка модернизированного и отремонтированного станка заказчику	+	+	+	+

К настоящему времени некоторые организации выполняют работы по модернизации станков с ЧПУ, как правило, на базе импортных комплектующих. На наш взгляд, такой подход имеет определенные недостатки, связанные с закрытостью архитектуры и сложностью математического обеспечения систем управления, а также с относительно высокой стоимостью системы. Расчеты показывают, что стоимость КСУ для двухкоординатного токарного станка не должна превышать 360 тыс. руб., а для трехкоординатного фрезерно-расточного ОЦ с размером стола до 500 мм — 450 тыс. руб., включая все элементы КСУ.

А.А. Кутин, А.Ф. Стрекалов, А.В. Литвинов
Журнал «Ремонт, восстановление, модернизация», №7, 2004г.