Тенденции развития современных систем числового программного управления

Г.М. Мартинов,

зав. кафедрой «Компьютерные системы управления», д.т.н., доц.,
Л.И. Мартинова,

доц. каф. «Технология машиностроения», к.т.н.,

МГТУ «Станкин», г. Москва

Аннотация

Проанализированы системы числового программного управления класса Hi-End, выявлены их ключевые возможности и динамика развития. Систематизировано использование систем ЧПУ отечественными и зарубежными станкостроителями, сделана попытка спрогнозировать их развитие.

Abstract

Hi-End NC systems are analyzed, their key features and dynamics of development are observed. NC systems use of machine tool builders is systematized, attempt to predict their development is made.

Флагманские модели мировых производителей систем ЧПУ имеют двухкомпьютерную архитектуру, управляют от 16 осей на разных каналах управления, реализуют интерполяцию с нанометрической точностью высокоскоростную обработку. Цена этих систем у европейских производителей - от 15 000€ при минимальной базовой конфигурации и может превышать 60 000€ в зависимости от комплектации. Системы такого класса в РФ не производятся в силу их сложности, хотя потребность в них постоянно растет. Системы ЧПУ класса Hi-End попадают под технологии двойного назначения и ряд стран, как Япония, отказывают нам в продаже, а для того чтобы приобрести, например, системы ЧПУ Sinumeric 840D/Di фирмы Siemens, нужно получить разрешение немецкого правительство.

В настоящее время разработка программного обеспечения составляет более 80% от всего процесса создания системы ЧПУ. Основная цель производителей систем ЧПУ - сохранить вложенные инвестиции [1, 2], руководствуясь ею, производители систем ЧПУ предпочитают развивать ранее созданные системы путем расширения их функциональностей и (или) изменения ядра системы управления. Этим, собственно, объясняется тот факт, что в последнее время на рынке не появляются революционно новые технические решения, а системы управления планомерно эволюционируют.

1. Отличительные возможности современных систем ЧПУ

Анализ современных систем ЧПУ позволяет выделить следующие стратегические направления и технологии, где ведется очень активная разработка:

· открытость – предоставление станкостроителю и конечному пользователю возможности реализовывать собственные технологии и встраивать прикладное программное обеспечение в систему ЧПУ. Это дает возможность использовать системы ЧПУ не только для металлорежущих станков, но и в других областях, например, для камер вакуумной сварки тугоплавких материалов [3];

· многоканальность – возможность параллельно выполнять несколько управляющих программ на одной системе ЧПУ. Чаще всего эта функциональность используется для многошпиндельной обработки или для совместного управления станком и погрузчиком;

· высокоскоростная обработка – для системы ЧПУ это означает короткий такт интерполяции и высокие скорости обработки кадра управляющей программы;

· наноинтерполяция – интерполяция с дискретностью вычислений, исчисляемой в нанометрах; практически все современные системы ЧПУ обладают этой функциональностью, но FANUC в качестве маркетингового хода использует ее как зарезервированную марку;

· Look-ahead – алгоритм предосмотра кадров, позволяющий обрабатывать контур с максимально возможной подачей и заблаговременно снижать скорость в критических ситуациях для избегания коллизий [4].

· сплайновая интерполяция – реализация алгоритмов кубического сплайна, Акима-сплайна, NURBS-сплайна, полиномов и других интерполяций в комбинации с алгоритмом предосмотра кадров (look-ahead) [5];

· компрессия кадров – сглаживание контура обработки в управляющих программах путем конвертирования линейных кадров в NURBS-контуры в процессе отработки управляющих программ [6];

· удаленное управление – предполагает построение удаленных терминалов и реализацию функций удаленной диагностики и настройки системы ЧПУ [7];

· сетевые функции – позволяют интегрировать систему ЧПУ в процесс управления производством и оборудованием. Ведется учет произведенной продукции, контролируется время простоя, отслеживаются плановые ремонты и техобслуживание оборудования [8];

· моделирование процесса обработки – 3D-моделирование процесса резания для предварительного просмотра результатов выполнения управляющих программ, выявления коллизий и сокращения времени обработки [9];

· диагностические функции – логический анализатор (Logic Analyzer) входных/выходных сигналов для тестирования электроавтоматики, осциллограф для настройки приводов подач, анализатор частотных диаграмм, тест окружности (Circle Test) и др. [10];

· язык программирования высокого уровня и инструментарий разработки и отладки управляющих программ на языке высокого уровня. Эту функциональность применяют при разработке стандартных циклов и групповых технологий [11].

· приложения цехового программирования – CAD/CAM системы цехового уровня, позволяющие создавать управляющие программы на самой системе ЧПУ, в то время как идет обработка другой детали. Они, как правило, ориентированы на 2,5D обработку;

· применение технологии искусственного интеллекта для адаптивного управления [12] и прогнозирования износа инструмента, [13].

Нельзя забывать так же об устоявшейся тенденции к унификации оборудования путем реализации все большего числа стандартов и протоколов связи для интеграции в единые системы, как OPC, TCP/IP, SOAP и д.р. Но, с другой стороны, фирмы стремятся выставить на рынок комплексные технологические решения «под ключ», а не разрозненные компоненты.

2. Зарубежные разработки по системам ЧПУ

Мировой лидер в области систем ЧПУ - фирма FANUC представила тридцатую серию своих систем ЧПУ (Series 30i/31i/32i-MODEL A), управляющих 10-ю каналами, 32-мя осями и 8-ю шпинделями. Максимальное количество интерполируемых осей - 24.

Интерес представляют заложенные функции искусственного интеллекта:

· Система управления с функциями искусственного интеллекта. Сочетание новейшей технологии в области систем цифрового управления сервоприводом шпинделя HRV и функции виртуального предварительного прогона цикла обработки позволяет снизить ошибку запаздывания сервопривода и обеспечивает максимально точное управление траекторией режущего инструмента.

· Modeler Control II («Умная» система контурного и наноконтурного управления). Управление разгоном и торможением происходит посредством предварительного считывания 40 блоков данных в режиме контурного управления и 180 блоков в режиме наноконтурного управления, что обеспечивает высокоскоростную прецизионную обработку.

· Система компенсации ударных и вибрационных возмущений. Автоматическое управление подачей при обработке углов с целью компенсации ударных возмущений.

· «Умная» прецизионная система контурного и наноконтурного управления. При управлении разгоном и торможением с использованием RISC-карты предварительно считывается до 600 блоков программных данных. Этим обеспечивается высокоскоростная прецизионная обработка за счет высокостабильной скорости подачи даже для программ обработки, состоящих из сверхмелких линейных сегментов. Для получения деталей с высокой степенью чистоты обработки, при которой финишная обработка практически не требуется, программу контурной обработки можно дополнить функцией наноинтерполяции.

· «Умная» система компенсации температурной деформации по оси Z. Поправка на температурную деформацию шпинделя и оси Z осуществляется посредством контроля этого параметра и оценки величины изменения по оси Z (уровень точности поправки зависит от конкретных рабочих условий).

· Система автоматического учета износа инструментов (контроля состояния инструментов) с использованием элементов искусственного интеллекта. Система регулирования жизненного цикла инструментов следит за длительностью и частотой эксплуатации и автоматически заменяет их в случае превышения эксплуатационных параметров. Встроенная система учета износа инструментов определяет фактическую нагрузку на сверло через нагрузку сервопривода шпинделя, что позволяет оптимизировать срок службы инструментов.

Система ЧПУ Fanuc имеет широчайший ассортимент прикладных функций и определяет вектор развития для многих производителей.

Лидер в области промышленной автоматизации фирма Siemens представила новые модификации своей флагманской системы SINUMERIK 840D/Di sl (Solution Line), в которой добавленные функциональности:

· утилита пуско-наладки для начального этапа работы;

· Motion Control Information System – для оптимальной интеграции станков в систему электронной обработки данных – предназначена для координации планирования, размещения, исполнения, сокращения подготовительно-заключительного времени, сокращения простоев, упрощения анализа неполадок;

· сплайн-интерполяция, компрессия кадров;

· расширение открытой архитектуры;

· ShopMill, ShopTurn – системы поддержки цехового программирования;

· симуляция процесса обработки на станке.

В системах ЧПУ 840D/Di sl количество управляемых осей достигает 64. Архитектура системы и политика открытости породили на рынке множество независимых поставщиков прикладных приложении для систем ЧПУ Siemens, продукция которых систематизируется в каталогах.

За рубеж, в том числе и в Россию, фирма Heidenhain поставляет только экспортный вариант систем ЧПУ с ограниченным набором функциональных возможностей. Системы ЧПУ имеют ориентацию на поддержку технологического процесса своим мощным набором станочных циклов, что делает ее особенно привлекательной для квалифицированных операторов и технологов-программистов.

Представленная Hi-End модель ЧПУ серии iTNC-530, ориентированная на обработку поверхностей свободной формы, позволяет управлять 13 осями при времени обработки кадра до 0,5 мс. Предоставляется опция использования системы ЧПУ с двумя процессорами и операционной системой WindowsXP. Система обладает следующими возможностями:

· Expanded look-ahead – функция предосмотра с буфером до 1024 кадров - своевременно распознает изменения в направлении движения инструмента для последующей коррекции разгона и торможения;

· AFC (Advanced Feed Control) – адаптивное управление подачей - регулирует контурную скорость перемещения по траектории в зависимости от используемого процента мощности шпинделя;

· DriveDiag, TNCopt - утилиты для диагностики составных элементов приводов и инициализации цифровых контуров регулирования;

· PLCdecignNT, PhytonOEM – инструментарий разработки и функция высокоуровневого объектно-ориентированного языка управляющих программ электроавтоматики;

· CicleDecign – инструментарий разработки станочных циклов;

· TeleService – инструментарий для удаленный диагностики, контроля и управления системой ЧПУ;

· TNCremoPlus – утилита передачи данных между ЧПУ и ПК, реализующая в том числе и режим LiveScreen – передачу содержимого экрана;

· RemoToolSDK – комплект средств разработки, содержащий COM-компоненты и ActiveX управляющие элементы для доступа к ядру системы ЧПУ Heidenhain;

· VirtualTNC – компонент управления виртуальными станками, используемыми для моделирования работы станков;

· инструментарий измерения и анализа сигналов, в который входят: 6-канальный осциллограф, логический анализатор, тест окружности;

· DCM (Dynamic Collision Monitoring) – 3D-функция мониторинга столкновения и выявления коллизий при отработке управляющей программы на станке.

Германская фирма Bosch Rexroth представила свою систему МТХ advanced, в которой число управляемых осей достигает 64, она имеет 12 каналов управления и до 8 интерполируемых осей в канале. Система создана на базе систем ЧПУ Typ3 osa (Bosch) и МТС (Indramat), имеет двухкомпьютерную архитектуру и современный пользовательский интерфейс. МТС использует SERCOSIII интерфейс для управления приводами и электроавтоматикой .

Следует отметить продвинутый стиль экрана и информативность пользовательского интерфейса, что обусловлено использованием технологии .NET и новейших разработок последних лет, в отличие от остальных европейских систем, сформировавшихся в 90-х годах.

Система оснащена следующими функциональными возможностями:

· NC-Analyzer – инструментарий разработки и отладки управляющих программ на языке высокого уровня CPL (Custom Program Language) ,

· Logic Analyzer и Drive Oscilloscope – инструментарий для диагностики входов/выходов автоматики и цифровых приводов;

· Cycle time analyzer – интеллигентный инструмент анализа временных циклов в системе управления, осуществляет запись потока команд ЧПУ, событии с ПЛС, сигналов с приводов и сигналов с периферии станка. Результаты представляются в графическую временную диаграмму;

· IndraWorks view 3D – трехмерная визуализация процесса обработки управляющей программы и выявления коллизий.

· IndraWorks machine simulator – симулирует периферию станка, подключенную по шине PROFIBUS.

· Nanometer resolution – вычисления и интерполяция с нанометрической точностью;

· CPL (Custom Programming Language) – Паскаль-образный язык программирования высокого уровня;

· Remote diagnostics I-Remote – инструментарий для удаленного доступа, диагностики и поддержки систем управления;

· SCP (Scaleble Communication Platform) – масштабируемая коммуникационная платформа, осуществляющая доступ к открытой архитектуре системы.

Двухкомпьютерная модель Mitsubishi M750 (фирмы Mitsubishi Electric), создана на базе компьютера с RISC-процессором (для задач реального времени) и интерфейсного компьютера с операционной системой Windows XP, связанных по Ethernet. Система ЧПУ Mitsubishi M750 поддерживает технологию наноуправления и обеспечивает высокоскоростную обработку. В зависимости от конкретной модификации она реализует до 4 каналов управления и использует до 16 управляемых осей, восемь из которых одновременно интерполируемые. Сервоприводы управляются по высокоскоростной оптической сети. Система обеспечивает обработку до 151 000 кадров в минуту при чистовых технологических операциях. Платформа iQ Platform, основанная на гигабитном Ethernet, позволяет объединять в единую систему управления отдельные контроллеры, выступая в качестве интегрирующей внутренней шины.

Система реализует функции:

· Complete Nano Control - дискретность выполняемых интерполяционных расчетов составляет 1 нм;

· SSS-control (Super Smooth Surface) – управление качеством и обеспечение постоянства обработки, независимо от геометрии формы и скорости резания. Применяются алгоритмы: оптимизации разгона и торможения, компенсации люфта и неравномерности ходового винта, сплайновой интерполяции (кубический сплайн и NURBS), автоматическое распознавание углов;

· OMR-control (Optimum Machine Response) – на основе модели функция осуществляет: коррекцию ошибок, связанных с деформацией координаты; синхронизацию движения сервопривода и шпинделя за счет учета сетевой задержки команд; минимизацию влияния вибраций;

· 5 Axis Machining Control – функция предотвращения столкновений в процессе обработки - учитывает модель станка, относительное положение детали и траекторию движения инструмента. В случае выявления опасности столкновения привод останавливается, а в трехмерной модели подсвечивается место коллизии;

· Machining time calculation - расчет времени цикла без запуска станка;

· MS Configurator – программный продукт для настройки приводов ЧПУ, позволяющий настраивать сервоприводы в автоматическом режиме. Он строит body-диаграмму, делает настройку петли замыкания по скорости и ускорению, настройку фильтра резонансных частот, строит тест окружности и осциллограмму сигналов сервоприводов;

· NC Configurator – инструментарий настройки машинных параметров системы ЧПУ, параметров инструментов и глобальных переменных;

· NC-Designer – пакет для создания экранов пользовательского интерфейса;

· NC Monitor – удаленный терминал на PC, позволяющий управлять системой ЧПУ через Ethernet;

· NC-Explorer – для соединения системы ЧПУ через Ethernet и передачи технологических программ;

· Factory Automation Solution – решение для интеграции в сетях и в сетях цехового уровня, а также в MES (Manufacturing Execution System – Система планирования производства) и ERP (Enterprise Resource Planning System - Система планирования ресурсов предприятия) системах;

· NAVI MILL, NAVI LATHE – инструментарий создания фрезерных и токарных управляющих программ на программной РС-станции;

На интеллект-карте стрелками показано соответствие новых возможностей систем ЧПУ, представленных лидирующими производителями, стратегическим направлениям развития систем ЧПУ (рис. 1).

рис. 1. Интеллект-карта стратегических направлений развития систем ЧПУ

3. Специфика систем ЧПУ отечественных производителей

Что касается отечественных производителей систем ЧПУ, то их продукция заметно отстает от мирового уровня, хотя стремление догнать явно выражено, вопрос заключается в правильности выбора архитектурной концепции. Неформальным лидером считается «Балт-Систем», но в регионах он уступает своим конкурентам «Модмаш-Софт», «Микрос» и «ИжПРЭСТ», поскольку такая высокотехнологичная продукция, как системы ЧПУ, требует своевременной технической поддержки, что предполагает наличие хорошо разветвленной сети по всей стране.

В последние годы появилось несколько новых отечественных систем ЧПУ и новых модификаций существующих систем, которые следует отметить. Система ЧПУ NC-310 компании "Балт-Систем", имеет распределенную архитектуру, что позволяет разнести по высокоскоростной шине Serial Speed Bus аналоговые и цифровые входы/выходы в соответствии со спецификой объекта управления. ООО «Модмаш-Софт» расширил модельный ряд систем ЧПУ FMS-3000 и представил программное обеспечение системы ЧПУ на базе 32-разрадной операционной системы Windows CE. Системы FlexNC («Станкоцентр») и IntNC (НТЦ «ИНЕЛСИ») имеют схожий интерфейс оператора и построены на базе контроллера движения (motion control) и персонального компьютера. При многокоординатной комплектации применяют контроллер движения DeltaTau; в случае, если речь идет об управлении до 4 осей, система ЧПУ может быть укомплектована контроллером движения на базе ARM процессора [14].

Следует отметить, что система ЧПУ «СервоКон» (производитель «Сервотехника») построена по принципу ЧПУ-принтера. Оригинальность идеи заключается в организации работы оператора: управляющая программа отправляется на станок подобно тому, как документ отправляется на печать. Система позиционируется как дешевое надежное решение, имеющее в качестве дисплея 4-х строчный индикатор.

Представляет интерес полный набор сплайновой интерполяции (кубический, Akima и NURBS-сплайны), реализуемый системой ЧПУ WinPCNC [15], (МГТУ «Станкин»), продемонстрированной на учебном стенде. Но отсутствие многоканальности ограничивает возможности ее применения.

4. Производители систем ЧПУ и станкостроители

Устоявшиеся тенденции на мировом и отечественном рынках хорошо просматриваются на интеллект-карте (рис. 2), отображающей использование тех или иных систем ЧПУ станкостроителей, представивших продукцию на выставке «Металлообработка-Технофорум-2009».

рис. 2. Интеллект-карта использования систем ЧПУ станкостроителями

Заключение

Явно прослеживается тенденция перехода отечественных производителей систем ЧПУ на Windows-интерфейс оператора. Основное направление развития определяют мировые лидеры в области систем ЧПУ – интеллектуальные системы управления.

Литература

1. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Системы числового программного управления: Учеб. пособие. – М. Логос, 2005. – 296 с. ISBN 5-98704-012-4.

2. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Программирование систем числового программного управления: Учеб. пособие. – М. Логос, 2008. – 344 с. + компакт-диск. ISBN 978-5-98704-296-8.

3. Мартинов Г.М., Плихунов В.В., Коваленко А.В. Расширение функциональных возможностей системы ЧПУ для управления установкой электронно-лучевой сварки // Авиационная промышленность. 2009. №1. C. 16-21.

4. Мартинов Г.М. Алгоритм опережающего просмотра Look-ahead в современных системах ЧПУ и параметры его настройки // Стружка. 2007. №3. C. 52–54.

5. Мартинов Г. М., Сосонкин В. Л. Проблемы использования сплайновой интерполяции в системах ЧПУ при обработке скульптурных поверхностей // Автоматизация в промышленности. 2006. №11. C. 3–9.

6. Мартинова Л.И., Мартинов Г.М. Сплайн-контуры в системе ЧПУ // Стружка. 2007. №1. C. 74–77.

7. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Построение интерфейса оператора систем ЧПУ с привлечением web-технологий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. №10. C. 41-44.

8. Дильман А.М. «Повышение эффективности функционирования промышленного оборудования за счет применения информационной системы для ЧПУ» // Автоматизация в промышленности. – Москва, 2006. - №11. – С. 9-10.

9. Мартинов Г.М., Гpигорьев А. С. Принцип построения и интеграции в системах ЧПУ класса PCNC подсистемы трехмерной визуализации управляющих программ // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. №9. C. 26-31.

10. Мартинов Г. М., Трофимов Е.С. Модульная компоновка и построение прикладных приложений диагностики систем управления // Системы управления и информационные технологии. 2008. №7. C. 44-50.

11. Мартинов Г. М., Пушков Р.Л. Построение инструментария отладки управляющих программ систем ЧПУ на языках высокого уровня // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008. №11. C. 19-24.

12. Щербаков М. Е. Повышение производительности процесса точения за счёт использования аппарата искусственных нейронных сетей // Автоматизация и современные технологии. 2007 №9. С. 3 – 7.

13. Киселев С.А., Григорьев А.С., Геранюшкин А.В., Пушков Р.Л. Прогнозирование стойкости инструмента при чистовой обработке // Вестник МГТУ "Станкин". 2008. №4. C. 23–32.

14. Красильникъянц Е.В., Бурков А.П., Иванков В.А. Применение контроллеров движения для систем управления электромеханическими объектами // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2008. – №2. – С. 45-50.

15. Мартинов Г.М. Университетская система ЧПУ WinPCNC для обучения и производства // Стружка. 2008. №1. C. 29-30.