12
Представленный Массачусетским институтом станок с ЧПУ (ЧПУ –
числовое программное управление) был всего лишь первым
функционирующим прототипом и не был предназначен для реального
использования на производстве, так как был очень сложен в эксплуатации.
Разработчиком первой серийной системы числового программного
управления обрабатывающими станками принято считать компанию Bendix
Corp. Разработка именно этой компании стала массово применяться для
автоматизации производства начиная с 1955 года [2].
Первыми советскими станками с ЧПУ промышленного применения
являются токарно-карусельный 1541П и токарно-винторезный станок
1К62ПУ. Станки были 1950-х годах и управлялись системами ЧПУ типа
ПРС-3К. Были разработаны вертикально-фрезерные станки с ЧПУ 6Н13 с
системой управления «Контур-ЗП» (рисунок 5). Наибольшее
распространение получили системы ЧПУ советской разработки 2Р22 и
«Электроника НЦ-31».
Рисунок 5 - Вертикально-фрезерный станок 6Н13Ф3-2 с ЧПУ
13
1.2. Инновации информационной эпохи
Информационная эра характеризуется, прежде всего, развитием
вычислительной техники, а также применением ее для управления
машинами и механизмами, которые ранее управлялись исключительно
человеком (рисунок 6). Пользуясь терминологией кибернетики можно
сказать, что в индустриальную эпоху использовалась система управления
«человек-машина» [25].
Рисунок 6 – Система управления «человек-машина»
Автоматизированное управление осуществляется в основном
алгоритмическим образом, т.е. программой, которую составляет человек.
Инструкции программы (после их обдумывания человеком) записываются
на носитель информации, который помещается в машину (автомат) для
чтения хранящихся на нем инструкций программы и последующего
исполнения их автоматом, т.е. системой числового управления. Наиболее
совершенными из систем ЧПУ, являются адаптивные системы
оптимального управления (рисунок 7).
14
Рисунок 7 – Схема адаптивной системы оптимального управления на
обрабатывающем станке
Например, если адаптивная система установлена на обрабатывающий
станок, то при обработке заготовки система осуществляет автоматический
поиск и автоматически поддерживает такое сочетание скорости резания V и
подачи S, которое обеспечивает экстремальное значение целевой функции
обработки (точность, производительность или себестоимость обработки)
при наличии технических ограничений и действии возмущающих
воздействий (колебаний припуска, твердости материала заготовки,
режущих свойств инструмента и др.) [42].
Носители информации, использующиеся для хранения управляющих
программ, имеют собственную, мало зависимую от развития
вычислительных машин, историю эволюции. Можно выделить следующие
поколения машинных носителей информации: перфорированные
(перфорированные карты, диски, барабаны, ленты), магнитные (магнитные
ленты, барабаны, диски), оптические диски, магнитооптические диски,
флэш-память (рисунок 8).
Эволюция хранителей информации началась с перфорированных
носителей, которые иногда вместо отверстий имели штырьки,
воздействующие на органы управления механизмом. Однако для
15
управления станком (машина Жаккарда) впервые были использованы
именно перфокарты.
Рисунок 8 – Носители информации (с лева направо: перфолента,
магнитная лента, оптический диск, флэш-память)
Развитие элементной базы вычислительных машин, которое
продолжалось весь 20 век, привело к значительному уменьшению габаритов
числовых систем управления, повышению их быстродействия и снижению
энергопотребления [13].
Электромеханические реле, сменились вакуумными лампами, на
смену которым пришли транзисторы, в своею очередь сменившиеся
микросхемами (рисунок 9). Дальнейшее развитие элементной базы ЭВМ
шло по пути увеличения количества транзисторов внутри микросхем и
уменьшения размеров отдельных транзисторов. Минимальный размер
транзистора на конец 2017 года составлял 4 нанометра.
Рисунок 9 - Элементная база ЭВМ разных поколений (слева на право):
I поколение – электромагнитные (механические) реле и вакуумные лампы,
II поколение – транзисторы, III поколение – микросхемы,
IV поколение –сверхбольшие интеграционные схемы (СБИС)
16
Увеличение количества транзисторов в микросхеме центрального
процессора подчиняется, так называемому, закону Мура, который гласит,
что количество транзисторов в микросхеме удваивается каждые 24 месяца,
а согласно наблюдениям Давида Хауса, из компании Intel (крупнейшего
производителя центральных процессоров для ЭВМ), производительность
ЭВМ должна удваиваться каждые 18 месяцев.
С появлением микросхем габариты ЭВМ уменьшились до
микроскопических размеров, из огромных монстров, занимающих целые
здания, ЭВМ превратились в миниатюрные устройства. Компания IBM на
конференции «IBM Think 2018» показала самый маленький в мире
компьютер, его ширина и длина составляют всего 1 мм (рисунок 10).
Рисунок 10 – ЭВМ размером 1х1 мм, рядом с рисовым зерном
Так как системы числового управления состоят из вычислительных
устройств различного назначения, уменьшение габаритов микросхем не
могло не сказаться на габаритах самих числовых систем управления.
Например, система ЧПУ первого станка с числовым управлением,
созданного в Массачусетском технологическом институте (MIT -
Massachusetts Institute of Technology, штат Массачусетс, США),
профессором Джоном Парсонсом смогла бы разместится только в
спортивном зале, современные системы ЧПУ могут разместиться в
17
небольшом шкафу, независимо от сложности механической и
электрической компоновки станка, рисунок 11.
Рисунок 11 – Первая система ЧПУ для фрезерного станка «HydroTel»
(слева), современная система ЧПУ для станка «Эрликон-KB3» (справа)
Человечество шагнуло в информационную эру не только с развитой
вычислительной техникой, но и с развитыми коммуникационными
технологиями, благодаря которым, отпала необходимость записывать
информацию на носитель для переноса и загрузки ее в другую
вычислительную машину. Таким образом современные системы
управления уже не нуждаются в непосредственной загрузке программы
человеком. Управление и контроль работы современных систем ЧПУ могут
осуществляться с любой точки планеты посредством вычислительных
коммуникационных сетей связи (рисунок 12).
На основе вычислительных сетей могут создаваться
автоматизированные производственные линии, включающие совместную
синхронную работу множества станков, промышленных роботов и других
автоматизированных агрегатов. Технологии информационной эпохи
позволяют создавать полностью автоматизированные заводы, с
минимальным количеством рабочего персонала на которых человек
осуществляет только контролирующую функцию. Еще одной интересной
инновацией информационной эпохи стали автоматизированные системы
18
управления целыми отраслями производства, а не только отдельным
заводом [20].
Рисунок 12 – Автоматизированная линия для сборки кузовов автомобилей
Очевидны опасности, которые несет информационная эпоха для
человечества. Так как с появлением роботизированного производства
человечество утрачивает навыки труда, которые были переложены на
машины. Для полной утраты производственных знаний, необходимых для
ручного производства, потребуется несколько поколений. После чего
наступит ситуация, при которой человечество будет существовать, пока
существуют машины, способные делась вышедшие из строя части для
других машин и создавать новые, более совершенные машины [48].
Однако, при глобальном катаклизме, в результате которого
одновременно выйдут из строя все автоматизированные производства,
наступит эра нового каменного века и человечеству придется учиться
заново создавать материалы, орудия труда и средства производства.
19
1.3. Преемственность индустриальной и информационной эпох
Несмотря на значительное развитие технологий информационной эры
и смены подхода к процессу производства по сравнения с индустриальной
эрой, грань между эпохами все еще остается весьма тонкой. В 21 веке все
еще огромное количество производств базируется на ручном труде,
существуют кустарные промыслы, мануфактуры с мелкосерийным
производством, станкостроительной промышленностью производятся
станки с ручным управлением. По всей видимости полный отказ от ручного
труда в пользу роботизации произойдет на планете еще не скоро [41].
Благодаря высокой надежности станков, произведенных в
индустриальную эру в настоящее время на производствах, станки,
произведенные полвека назад, соседствуют с современными
обрабатывающими комплексами, при этом исправно функционируют.
Однако обучать персонал для работы на устаревших станках
нецелесообразно и экономически не выгодно, так как устаревшие станки
требуют закрепления за ними одного или нескольких рабочих, в то же
время, один оператор станка с числовым программным управлением может
быть закреплен за несколькими высокопроизводительными
обрабатывающими комплексами.
Гораздо разумнее установить на устаревшие станки современные
числовые системы управления и тем самым повысить их
производительность и экономическую эффективность. В настоящее время
на планете наблюдается настоящий бум модернизации устаревших станков,
путем установки на них современных систем числового программного
управления. Многие фирмы занимаются выпуском модернизационных
комплектов, позволяющих превратить станок с ручным управлением в
станок с ЧПУ, (рисунок 13).
20
Рисунок 13 – Система ЧПУ «SINUMERIK 840D» фирмы «SIMENS»
для модернизации станков с ручным управлением
Кроме того, некоторые заводы, ранее выпускающие только станки с
ручным управлением, самостоятельно стали устанавливать на свою
продукцию системы ЧПУ. Примером может служить такой широко
распространенный в нашей стране токарно-винторезный станок, как
«16К20» (с ручным управлением) и его модернизация «16К20ФЗ» (с
числовым управлением), рисунок 14. Станок производился с 1971 года на
Московском станкостроительном заводе «Красный пролетарий».
Рисунок 14 - Станок «16К20» с ручным управлением (слева)
и «16К20ФЗ» с числовым управлением (справа)
21
За годы производства станок «16К20ФЗ» оснащался различными
системами числового программного управления: «Контур 2ПТ-71», «Н22-
1М», «ЭМ-907», «Алкатель CC-221-02P», «Электроника НЦ-31» и другими.
Таким образом хорошо прослеживается преемственность
индустриальной и информационной эпох. Надежные станки
индустриальной эпохи оснащаются средствами числового программного
управления информационной эры и продолжают свою работу в новом
качестве, иногда лишь немного уступая в производительности современным
станкам 21 века.
Естественно, невозможно выпустить комплекты модернизации для
всех моделей морально устаревших, но вполне функционирующих станков,
кроме того, не все, кто располагает устаревшим станком, могут финансово
потянуть его модернизацию. Так, например, для координатного сверлильно-
расточного станка «OERLIKON-KB3» (создание системы ЧПУ для которого
является целью настоящей работы) стоимость современной системы ЧПУ
составляет около 60 тысяч долларов США. Это лишь немного дешевле
стоимости нового современного станка с аналогичными функциями.
Услуги по модернизации станков «OERLIKON» в настоящее время
предлагает только одна фирма «SIEMENS». Монопольное положение на
рынке позволяет ей держать высокие цены. По этой причине владелец
станка «OERLIKON» (или подобного) должен принять трудное решение
стоит ли вообще проводить модернизацию станка, так как после
модернизации, станок может не окупить вложенные в него средства [21].
Если компания располагает необходимыми квалифицированными
кадрами, то процесс модернизации морально устаревших станков может
быть произведен собственными силами. Кроме того, этот путь является
единственно возможным, если на рынке не окажется готовой системы ЧПУ
для станка, требующего модернизации. В этом случае, при высокой
необходимости в модернизации, у владельца станка нет другого выбора