Модернизация станков ЧПУ на базе систем ЧПУ SINUMERIK
Цель проекта модернизации заключается в повышении эффективности использования станка.
Анализ целей и задач модернизации
МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЧПУ
Модернизации подлежит оборудование, которое эксплуатировалось долгое время. Пользователи станков все чаще и чаще решаются на модернизацию электроники, когда механические детали и узлы станка находятся в хорошем состоянии.
При модернизации станка, пользователи могут получить выгоду в зависимости от оборудования и степени реконструкции:
• Улучшение обслуживания станка.
• Ускорение рабочих циклов.
• Повышение точности.
• Увеличение объема программного обеспечения и расширение функций системы управления.
• Возможность обработки более сложных поверхностей и деталей.
• Интеграцию системы ЧПУ в информационное пространство предприятия.
Модернизации подлежат следующие компоненты систем ЧПУ:
· средства управления и организация интерфейса оператора.
· информационные и исполнительные устройства;
· устройства преобразования сигналов;
· алгоритмическое и программное обеспечение.
При разработке проекта модернизации, как методологическое направление должен быть принят системный подход, который позволяет раскрыть целостность процесса проектирования в условиях многообразия типов связей, а также объединить цифровые и аналоговые каналы, механические и электронные устройства, программные и аппаратные средства.
Проектирование должно базироваться на технологическом процессе. Технологическими критериями функционирования объекта являются точность поддержки технологических параметров и режимов, производительность процесса, надежность и гибкость системы управления.
Задачами проектирования является поиск технических решений, улучшающих технологические критерии.
Наиболее сложной задачей проектирования является поиск решений, обеспечивающих повышение точности обработки деталей на станке.
Точность зависит практически от всех компонентов системы управления:
· зазоров и сил трения в кинематических звеньях;
· места установки, статических и динамических погрешностей датчиков;
· погрешностей расчетов;
· упругих отклонений инструмента и детали в статических и динамических режимах, влияния внешних возмущений;
· структуры и параметров регулятора;
· нелинейностей в каналах управления и обратной связи.
Задача повышения точности должно решаться путем тщательного анализа механизмов формирования погрешностей и разработки комплексных мероприятий, направленных на следующее:
· сокращение длины кинематической цепи между рабочим органом и датчиком положения;
· повышение чувствительности измерительных преобразователей;
· выбор оптимальной структуры системы управления;
· выбор оптимального алгоритма цифрового регулятора;
· введение программной или аппаратной компенсации нелинейностей звеньев цифрового электропривода (ЦЭП);
· обеспечение необходимого быстродействия и вычислительной мощности управляющего контроллера.
Следует учесть, что степень повышения точности работы станка весьма сложно связать с результатами проектирования. Поэтому расчет экономической эффективности таких проектов вызывает значительные проблемы.
Другой задачей проектирования, которая определяется требованиями производства, является задача повышения производительности оборудования.
Производительность– это показатель, который определяется как величина, обратная сумме потерь времени на осуществление рабочих движений, выполнение вспомогательных операций, а также на выполнение ремонтных и других работ. Поэтому решение задачи повышения производительности требует уменьшения потерь времени.
Для уменьшения потерь времени необходимо, прежде всего, увеличить надежность работы всех компонентов системы – электроники, механики, гидравлики и т.п.
Надёжность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле – свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения. Надёжность тесно связана с различными сторонами процесса эксплуатации.
Надёжность в «широком» смысле — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.
Увеличение периодов безотказности и долговечности напрямую связано с уменьшением времени простоев на обслуживание и ремонт, а следовательно, с увеличением производительности.
Наиболее эффективными средствами повышения надежности являются:
· выбор элементов, которые имеют наименьшую вероятность отказа;
· проектирование средств защиты от аварий;
· разработка развитой системы диагностики.
Производительность оборудования связана с еще одним показателем – коэффициентом технического использования.
Коэффициент технического использования – показатель, характеризующий степень производительного использования оборудования. Рассчитывается по времени, мощности (производительности) и объему произведенной продукции или выполненной работы. Коэффициент использования оборудования по времени определяется путем деления времени фактической работы оборудования на плановый фонд времени, т. е. на количество часов работы оборудования, предусмотренное планом с учетом числа календарных дней в периоде, праздничных и выходных, установленного режима работы, продолжительности смены, а также времени на планово-предупредительный ремонт.
Если станок должен был работать в данном месяце 160 часов, а практически из-за простоев, не предусмотренных планом, работал 150 часов, то коэффициент использования оборудования по времени равен 93,8 %
(6,2% – это потери станочного времени). Важно обеспечить работу оборудования не только без простоев, но и с установленной мощностью, производительностью.
Для повышения коэффициента технического использования оборудования необходимо стремиться к расширению функциональных возможностей системы ЧПУ и станка, обеспечить универсальность применения и быструю переналаживаемость.
Универсальность системы управления позволяет в дальнейшем расширять функциональные возможности базовой системы, создавать и применять адаптивные средства управления. Переналаживаемость характеризует возможность расширения номенклатуры продукции, которая может быть изготовлена на одном технологическом оборудовании.
Важной задачей модернизации станка является также снижение затрат на изготовление единицы продукции, то есть уменьшение себестоимости продукции. Речь может идти, например, об экономии энергетических ресурсов за счет использования эффективных систем приводов или об экономии финансовых затрат на использование обслуживающего персонала.
В проекте модернизации нужно стремиться к тому, чтобы качество продукции и производительность станка не зависели от обслуживающего персонала. Однако полностью исключить возможность ручного управления станком нельзя.
Для удовлетворения требований согласованного взаимодействия оператора, оборудования и системы управления должны быть предусмотрены:
· работа в ручном, наладочном и автоматическом режимах;
· выполнение подрежимных функций;
· связь по последовательному каналу, средства для сетевой работы подключение к промышленной сети Ethernet;
· средства управления приводами и автоматикой;
Выбор режима управления должен осуществляется оператором. Автоматический режим является основным (рабочим) режимом. Ручной режим предусмотрен для проведения ремонтно-наладочных работ, ликвидации аварийных и внештатных ситуаций, а также для использования станка без системы программного управления. Отличительной особенностью этого режима есть то, что все сигналы управления влияют непосредственно на соответствующие исполнительные устройства, минуя локальную систему автоматического управления.
При автоматизированном режиме управления оператор должен иметь возможность осуществлять ручное вмешательство в работу системы для корректирования программы.
Все функции управления и защиты приводов должны быть интегрированы в преобразователи частоты.
Преобразователи частоты должны обеспечивать следующие (основные) функции защиты:
- от короткого замыкания;
- от перегрузки;
- от повышения напряжения в цепи постоянного тока;
- от снижения напряжения в цепи постоянного тока;
- от обрыва фазы питающего напряжения;
- от перегрева радиаторов силовых элементов;
- от перегрева двигателя;
- от замыканий на землю силовых цепей;
- от сбоя в микропроцессорной системе.
Срабатывание любой защиты должно приводить к отключению электропривода. Информация о срабатывании защиты должна передаваться на дисплей панели управления.
Все сигналы управления должны соответствовать стандартам и поддерживать нормальное функционирование в случае замены компонентов системы. Система ЧПУ должна обеспечивать:
· формирование дискретных сигналов постоянного тока U=24 В, I=0,2 А на реле и I=5 А на мощные электромагнитные системы;
· вывод сигналов переменного тока U=110 В, I=2 А на пускатели и другую аппаратуру;
· вывод аналоговых сигналов через ЦАП U=
10 В, I=20 mА на регуляторы (точность 
=1%);
· вывод синусоидальных сигналов для питания датчиков индуктивного типа (отклонение по амплитуде 0,1 %);
· ввод аналоговых сигналов напряжения и тока с датчиков;
· ввод дискретных сигналов U=24 В постоянного тока с путевых и конечных выключателей, а также сигналов переменного тока U~=110 В с кнопок пульта управления оборудованием.
Для обеспечения согласованной работы системы ЧПУ и станка должно быть произведено статическое, динамическое и программноесогласования.
Статическое согласование – это обеспечение соответствия предельных уровней сигналов управления предельным значением параметров объекта в постоянном режиме (min, max). С этой целью в память системы записываются константы: предельные значения перемещений по координатам, диапазоны скоростей движений и частот обращения, передаточные числа редукторов и датчиков обратной связи, цена дискреты перемещения по каждой координате, образ пульта оператора, состав информации, которая выводится на дисплей и др.
Динамическое согласование – это ограничение переменных, которые характеризуют работу объекта, и обеспечение необходимой точности наблюдения в динамическом режиме, осуществляемое с помощью констант (допускаемое ускорение, максимальная скорость, допускаемая ошибка, таблица корректирующих величин ходового винта, другие константы, которые учитывают особенности оборудования).
Программное согласование предусматривает доработку прикладного программного обеспечения системы – разработку программ управления автоматикой, а также программ регуляторов и обработки прерываний.
Системы ЧПУ SINUMERIK фирмы SIEMENS имеют модульную конструкцию и большой набор компонентов для реализации любой конфигурации. Подробная информация о параметрах систем ЧПУ и их основных компонентах приведена в русскоязычном каталоге NC 60, а также на сайте www.siemens.ua/mc.
Система содержит в себе три базовых комплекта, которые отличаются, главным образом, количеством управляемых осей и набором реализованных функций:
· SINUMERIK 802 c модификациями S, C, D.
· SINUMERIK 810D.
· SINUMERIK 840D.
Системы ЧПУ снабжены модулями привода SIMODRIVE, которые разработаны специально для станков с ЧПУ. Предусмотрены также модули позиционирования FM STEPDRIVE.
Основными компонентами управления в системах ЧПУ SINUMERIK являются панель оператора OP, а также терминальные блоки NCU (Numerical Computer Unit), станочные пульты MCP, электронные маховички,. Процессорные модули оснащены операционной системой Windows NT 4.0.
При выборе системы ЧПУ следует руководствоваться назначением каждой системы.
Системы SINUMERIK 802 предназначены для токарных, фрезерных, сверлильных и шлифовальных станков. SINUMERIK 802D представляет собой один блок PCU (Panel Control Unit), предназначенный для решения относительно простых задач – управления четырьмя осями и одним шпинделем. Для управления автоматикой предусмотрен модуль РР 72/48, а для управления приводами – преобразователь SIMODRIVE 611 universal Е с аналоговым каналом.
Пример схемы подключения системы SINUMERIK 802C приведен на рисунке 5.1.
В системах SINUMERIK 802 количество одновременно интерполируемых осей не превышает трех. Привод шпинделя может управляться по скорости или положению.
Обработка сигналов датчиков положения осей в SINUMERIK 802S/802C выполняется в модуле системы ЧПУ, а в SINUMERIK 802D – в цифровых модулях привода SIMODRIVE 611 E (universal).
Рисунок 5.1 - Схема подключения SINUMERIK 802C
Ограничение движения по координатам обеспечивается с помощью аппаратных и программных конечных выключателей. Аппаратные бесконтактные конечные выключатели устанавливаются для исключения аварий при работе на ускоренном движении и при движении с рабочей подачей. Для уменьшения зоны перемещений могут быть установлены программные выключатели быстрого и рабочего хода. Предусмотрена также функция “Наезд на твердый упор”, которая необходима, например, для фиксации задней бабки при зажиме детали в центрах.
Погрешность ходового винта или измерительной системы может быть компенсирована по таблице компенсаций, составленной по результатам измерений фактических отклонений.
Система SINUMERIK 810D объединяет в одном модуле CCU (Compact Control Unit) все задачи ЧПУ, программируемого контроллера и коммуникации. CCU находится в одном корпусе с интегрированными силовыми модулями, обеспечивающими работу с двумя приводами подачи и одним приводом шпинделя. С целью расширения количества осей (максимально до 6) используются специальные платы расширения и преобразователи SIMODRIVE 611 с цифровым интерфейсом.
Системы SINUMERIK 840D – это системная платформа, на которой можно реализовать наиболее сложные задачи управления. В комбинации с программируемым контроллером SIMATIC S7-300 и преобразователями SIMODRIVE 611 digital она позволяет создавать комплексы программного управления с числом управляемых осей от 2 до 31.
Пример схемы подключения системы SINUMERIK 840D показан на рисунке 5.2.
Система построена на базе многопроцессорного модуля NCU (Numerical Control Unit), в котором объединены задачи числового программного управления, логического управления автоматикой (PLC) и коммуникации. К этой системе ЧПУ могут быть подключены:
· Панель управления с PCU (Panel Control Unit) или модулем MMC (микрокартой памяти), станочный пульт, кнопочная панель и другие средства ручного управления.
· Система преобразования SIMODRIVE 611 digital.
· Программатор.
· Периферия PLC SIMATIC S7-300.
· Децентрализованная периферия (станция ЕТ200М) через шину PROFIBUS.
· Модуль простой периферии EPP (64 входа и 32 выхода 24В с клеммными колодками).
· Терминальный блок NCU (один или два) для обеспечения безопасности рабочих движений на станке. Он подключается к приводной шине и в него можно вставить до 8 компактных модулей ввода/вывода DMP. Блок NCU с модулями DMP обеспечивает быстрый синхронный ввод/вывод дискретных и аналоговых сигналов системы безопасности. На каждый терминальный блок можно подключить до 16 цифровых каналов ввода/вывода или до 4 каналов аналоговых вводов/выводов.
Рисунок 5.2 - Схема подключения SINUMERIK 840D