14
недостатков станков ЧПУ следует отметить отсутствие автоматизации
вспомогательных технологических операций и ручное обслуживание.
1.2 Особенности автоматизации процессов за счет внедрения станков
ЧПУ
В основе автоматизации основных технологических процессов за счет
внедрения станков ЧПУ находятся принципы числового программного
управления.
Автоматизация производства с помощью станков ЧПУ относится к
способам автоматического управления технологическим оборудованием счет
использования устройств числового программного управления, которые
работают по управляющей программе [19, c.36].
В состав управляющей программы входят символьные коды и
команды, позволяющие описать рабочий цикл объекта управления и внести
требуемые изменения в его параметрах. При этом изменение управляющей
программы станка ЧПУ приводит к изменению рабочего цикла объекта
управления и позволяет определить характер его управляемых параметров за
определенный промежуток времени.
Изменения управляющей программы создает возможности получения
различных видов изделий на станке ЧПУ. Как правило, управляемыми
параметрами выступают перемещение рабочих органов технологического
оборудования.
Схема системы числового управления, находящейся в основе работы
станков ЧПУ приведена на рисунке 4 [34, c.109].
15
Рисунок 4 – Схема системы числового управления, находящейся
в основе работы станков ЧПУ
Как видно из рисунка 4, состав системы числового программного
управления станка ЧПУ входят модуль для считывания управляющей
программы, пульт задания управляющей программы и пульт оборудования.
Эти устройства находятся в постоянном взаимодействии с блоками
ввода и декодирования информации. Полученная информация из блока
декодирования поступает в интерполятор и систему управления
электроавтоматикой. С интерполятора станка ЧПУ, сигнал поступает в
систему управления приводами, в состав которой входят датчики и приводы
координатных перемещений [2, c.80].
Следовательно, в основе работы системы числового программного
управления станка ЧПУ находится программное управление приводами,
задание их координатных перемещений, а также задание алгоритмов для
работы исполнительных механизмов. Управление приводами
предусматривает решение задач автоматического регулирования
координатных перемещений исполнительных органов, определение скорости
их движения для обеспечения необходимой траекторию движения.
Когда выполняется регулирование фактических координат
исполнительного органа, тогда выполняется контроль координат через
датчики, имеющие разный принцип работы. С помощью датчиков создается
обратная связь в системе автоматического регулирования и тем самым
образуется замкнутая система.
16
Для задания перемещения исполнительного органа в системе числового
программного управления станка ЧПУ применяется два способа. В первом
случае, траектория движения исполнительного органа неопределенная и
значение имеет только ее конечное положение. Система управления станка
ЧПУ в этом случае является более простой и получила название позиционной
[13, c.68].
Во втором случае исполнительный орган осуществляет движение по
траектории в пространстве. Станки ЧПУ, позволяющие обеспечить такое
движение исполнительного органа, получили название контурных станков
ЧПУ. Управление приводами в них предусматривает обеспечение
взаимосвязи движения по различным координатам.
Для взаимосвязанного управления приводами в состав станка ЧПУ
входит интерполятор, позволяющий вычислить текущее значение координат
в процессе движения исполнительного органа по заданной траектории. При
этом управление другими исполнительными органами производится для того
чтобы обеспечить необходимую последовательность их работы [8, c.68].
В качестве датчиков информации в станках ЧПУ выступают
переключатели, контактные реле, конечные и путевые выключатели. С
помощью пульта управления, обслуживающий персонал выполняет
изменения режимов работы, контролирует работу станка ЧПУ, вносит
корректировки в управляющую программу, осуществляет программирование.
Для того чтобы преобразовать управляющую программу в команды
управления в станке ЧПУ используется блок декодирования. Разработанная
программа для станка ЧПУ позволяет определить рабочий цикл
управляемого оборудования, а также траекторию движения исполнительных
органов.
В современных станках ЧПУ встроено Микро-ЭВМ, которая имеет
интерфейс и позволяет обеспечить связь с персональным компьютером. Это
создает возможности применять станки ЧПУ для автоматизации сложных
17
технологических процессов и тем самым организовать централизованное
управление [20, c.93].
Следовательно, станки ЧПУ позволяют реализовать концепцию гибкой
автоматизации, в соответствии с которой технологические операции
автоматизированы, а за счет перепрограммирования можно получать
различные виды изделий.
Для получения представления о принципах работы станков ЧПУ,
рассмотрим работу станка ЧПУ модели ИР500ПМФ4 (рисунок 5).
Рисунок 5 – Конструктивная схема станка ЧПУ модели
ИР500ПМФ4
При осуществлении работы по направляющим стойкам (1) станка ЧПУ
модели ИР500ПМФ4 перемещается шпиндельная бабка (2). Также в состав
обрабатывающего станка ЧПУ модели ИР500ПМФ4 входит несущий
вращающийся шпиндель, на котором обслуживающим персоналом
устанавливается обрабатывающий инструмент [4, c.37].
В результате взаимного перемещения стойки, шпиндельной бабки и
стола создается пространственная система координации для работы станка
18
ЧПУ модели ИР500ПМФ4. При этом все координатные перемещения станка
предусматривают использование управляющих приводов, которые
обеспечивают точную обработку заготовки в программном режиме. Границы
перемещения по координатам находится в пределах от 500 мм до 800 мм.
Для хранения инструмента в состав станка ЧПУ модели ИР500ПМФ4
входит специальный автоматический инструментальный магазин. С
помощью инструментального манипулятора, обеспечивается автоматический
обмен инструментами между рабочим шпинделем станка и магазином [20,
c.103].
При замене инструментов производится перепрограммирование в
управляющей программе станка ЧПУ модели ИР500ПМФ4. В работе станка
может использоваться автоматическое устройство (6), позволяющее
загружать и разгружать станок заготовками.
В состав станка ЧПУ модели ИР500ПМФ4 также входит процессорная
система. Она позволяет управлять тремя координатами, которые
используются в управляющей программе, позволяющей выполнить запуск
станка для выполнения определенных технологических операций [30, c.10].
В станке ЧПУ модели ИР500ПМФ4 существует возможность
автоматического управления режимами обработки. При завершении первого
перехода, станком производится автоматическая замена инструмента в
шпинделе станка и выполняется следующая технологическая операция. В
процессе обработки происходит включение и выключение различных
устройств.
После завершения обработки, полученная деталь удаляется с рабочего
стола станка и автоматически производится загрузка новой заготовки. Если
технология производства заготовки изменяется, то в станке ЧПУ модели
ИР500ПМФ4 используется новая управляющая программа [38].
Числовые системы управления станков ЧПУ предусматривают
реализацию принципов программного управления. В основе
19
программирования находятся методы обучения. На первоначальном этапе
выполняется разработка программы, которая затем вводится в систему
управления станка ЧПУ. В станках ЧПУ также выполняется
программирование только конечных положений каждого элемента.
Для позиционных станков ЧПУ характерно программирование
траектории движения, что создает возможности их использования для сварки
или резки различных изделий [21, c.25].
Для автоматизации процессов сварочного производства свое
применение получили роботы с контурной системой ЧПУ.
В качестве примера приведем компоновочную схему сварочного станка
ЧПУ РТК, приведенную на рисунке 6.
Рисунок 6 – Компоновочная схема сварочного станка ЧПУ РТК
В этом случае заготовки свариваемого кузова (2) с использованием
транспортной тележки (3) подаются в станок ЧПУ.
Для осуществления сварки применяются два напольных робота (4) и
(2), подвесные роботы (5), которые установлены на подвесной раме (1).
20
Подвесной вариант установки роботом возможен, что определяется
конструктивными особенностями станка ЧПУ РТМ.
С помощью станка ЧПУ РТМ выполняются такие технологические
процессы как сварка боковых панелей автомобиля, дверей. Станки ЧПУ РТК
имеют различную компоновку. Сварочная головка может быть повернута на
различные углы. При этом все угловые и линейные перемещения основаны
на контурном управлении станка ЧПУ [5, c.33].
Далее рассмотрим автоматизацию технологических процессов за счет
внедрения SCADA-систем.
1.3 Автоматизация технологических процессов за счет внедрения
SCADA-систем
В настоящее время в основных производственных процессах
используются автоматизированные системы управления технологическими
процессами, представленные в виде интегрированной системы управления
производством, состав которой входят ERP-система, MES-система, SCADA-
система и программируемые контроллеры [31, c.38].
Обеспечение автоматизированных систем управления
технологическими процессами представлено SCADA-системами,
представленными в виде централизованных систем контроля и управления
или комплексной системы, предусматривающей участие человека.
В SCADA-системе реализуются основные функции по визуализации и
контролю измеряемой информации, передаче данных и команд в систему
контроля и управления [23, c.80].
Основные функции SCADA-системы приведены на рисунке 7.
21
Рисунок 7 – Функции SCADA-системы
К работе SCADA-системы предъявляются такие требования как
надежность, безопасность управления, можно с расширения и точность
обработки данных [39].
Применение SCADA-системы для автоматизации производственных
процессов позволяет более точно вести технологический процесс, а также
производить стабилизацию качества продукции за счет уменьшения брака.
В состав современной SCADA-системы входят удаленный терминал,
диспетчерский пункт управления, мастер терминал и коммуникационная
система, включающая каналы связи [6, c.39].
Взаимосвязь между структурными компонентами SCADA-системы
приведена на рисунке 8.
22
Рисунок 8 – Взаимосвязь между структурными компонентами
SCADA-системы
Входящие в состав SCADA-системы удаленный терминал (RTU)
включает датчики, микроконтроллеры, исполнительные механизмы, которые
осуществляют обработку данных и управление, в режиме реального времени.
Диспетчерский пульт управления (MTU) SCADA-системы реализуют
функции в области обработки данных и управления через человеко-
машинный интерфейс, представленный в виде автоматизированного рабочего
места оператора [15, c.87].
Коммуникационная система (CS) используется в SCADA-системе для
передачи данных между удаленными точками. Она представлена в виде
различных проводных и беспроводных каналов связи.
Кроме основных систем в состав SCADA-системы входят подсистемы
[7, c.139]:
- подсистема реального времени, которая позволяет осуществлять
взаимодействие с приложениями;
- подсистемы для ввода и вывода данных, через которые
обеспечивается связь SCADA-системы с другими устройствами;
- база данных реального времени, в которой выполняется хранение
данных о текущих процессах в режиме реального времени;
23
- подсистема логического управления, через которую исполняются
пользовательские программы в SCADA-системе;
- подсистемы оповещения, ведущая автоматический контроль
технологических процессов, а также обрабатывающая события, выполняемые
обслуживающим персоналом;
- подсистема отчетов, которая используется для создания отчетов для
анализа технологических процессов;
- редакторы для работы через человеко-машинный интерфейс и
разработки пользовательских программ;
- внешней интерфейс, позволяющий осуществлять обмен данными
SCADA-системой с другими приложениями.
Настоящее время в производственных процессах свою популярность
получила SCADA-система MASTERSCADA, разработчиком которой
является компания «Инсат» [17, c.39].
SCADA-система MASTERSCADA выступает инструментом для
разработки автоматизированных систем управления технологическими
процессами, в которых представлены различные методы и средства,
позволяющие обеспечить сокращение трудозатрат и повысить надежность
технологических процессов.
С помощью SCADA-система MASTERSCADA можно в
производственных процессах реализовать следующие преимущества [9,
c.125]:
- решить проблемы программной стыковки между различными
устройствами управления;
- выполнять перераспределение сигналов, а также использовать
алгоритмы обработки при работе с различными устройствами;
- разрабатывать распределенные алгоритмы работы с оборудованием,
осуществляющим контроль и управление;