42
Рисунок 29 - Приводы осей «Y» (слева) и «X» (справа) станка
Данная конструктивная особенность является очень неприятной для
модернизации станка, так как не позволяет просто выполнить замену
электродвигателей на более современные.
Вторая очень важная функция первого отделения шкафа заключается,
в том, что в нем расположены вакуумные лампы – тиратроны [7],
управляющие скоростью и направлением вращения якорей
электродвигателей осей «Y» и «Х». Формирование высокого постоянного
напряжение осуществляется с помощью трансформатором и конденсаторов,
без выпрямляющих ток элементов (рисунок 30). Отделение имеет 6
тиратронов, 4 управляют двигателем оси «Y», 2 двигателем оси «X». Это
вызвано тем, что мощности двигателей различаются. Двигатель оси Y
потребляет 12 ампер, а двигатель оси Х только 2,5.
Рисунок 30 - Приборы первого отделения шкафа (слева),
тиратроны управления двигателями осей «Y» и «Х» (справа)
Трансформаторы
Конденсаторы
Тиратроны
43
Второе отделение шкафа представляет собой главный электрический
щит, куда от городской электросети приходит трехфазное переменное
напряжение 380 вольт для питания станка и шкафа ЧПУ. Из этого отделения
переменный ток распределяется по всем остальным отделениям шкафа ЧПУ
и уходит на станок для питания агрегатов, питающихся от трехфазного и
однофазного переменного напряжения.
Открыть это отделение можно только повернув, главный рубильник
(одновременно являющийся замком), отключающий шкаф от городской
электросети. В отделении находятся плавкие предохранители, защищающие
электрические агрегаты от короткого замыкания и перегрева.
Интересной особенностью отделения является наличие древнего
полупроводникового селенового выпрямителя переменного тока [22],
выпрямленный ток (напряжением 110 вольт), от которого используется для
питания электромагнитных контакторов (пускателей), расположенных в
третьем отделении шкафа – отделении электроавтоматики (рисунок 31).
Рисунок 31 – Второе отделение шкафа (слева),
селеновый выпрямитель (справа)
Отделение электроавтоматики используется для запуска и останова
электрических агрегатов станка, а также для смены направления вращения
якорей электродвигателей. Из этого отделения управляются:
Селеновый выпрямитель
44
электродвигатели приводов осей «X», «Y», «Z», электродвигатель помпы
гидравлической системы, электродвигатель помпы системы смазки и
охлаждения обрабатываемой детали (СОЖ), электрические муфты
сцепления осей «X» и «Y», электродвигатель шпинделя.
Из-за высокого пускового тока асинхронных двигателей большой
мощности, в момент запуска создается очень высокая нагрузка на
питающую сеть, что приводит к падению напряжения в сети. В итоге
повышается вероятность возникновения проблем в работе всех устройств и
приборов, подключенных к этой сети. Кроме того, из-за резкого рывка якоря
двигателя при запуске сокращается срок службы механических узлов
приводимого в действие оборудования. Для устранения этих недостатков
применяются различные системы плавного пуска [6].
Так как электродвигатель шпинделя представляет собой довольно
мощный электрический агрегат (5000 ватт), работающий от трехфазного
напряжения переменного тока, для его пуска в отделении имеется
специальная система плавного пуска, называемая – «звезда-треугольник»
[17]. Принцип ее работы основан на смене способа связи электрических
обмоток двигателя между собой. Если обмотки двигателя соединены
«звездой», то его мощность будет составлять не более 70% от
максимальной. После раскрутки двигателя можно переключить схему
обмоток на «треугольник», повысив мощность до 100% (рисунок 32).
Рисунок 32 - Схемы включения обмоток двигателя «треугольник» (слева)
и «звезда» (справа)
45
Управление включением и выключением агрегатов осуществляется с
помощью электромагнитных пускателей (контакторов) с управляющим
напряжением 110 вольт. Пускатели управляющие асинхронными двигателя
также снабжены устройствами защиты от перегрева двигателя – термореле
[32]. Необходимость в термореле обусловлена тем, что при обрыве одной из
фаз, асинхронный двигатель начинает перегреваться и может сгореть
(рисунок 33).
Рисунок 33 - Третье отделение шкафа (слева), электромагнитное
устройство для смены схемы включения обмоток двигателя (справа)
Управляющие сигналы (110 вольт) для электромагнитных
контакторов формируются с помощью слаботочных электромеханических
реле постоянного тока, расположенных в верхней части шкафа. Реле, в свою
очередь, управляются непосредственно сигналами вычислительной
машины системы ЧПУ.
Управляющая связка «ЭВМ – реле – пускатель», кажется очень
неудобной, громоздкой и длинной для управления устройствами, однако
именно такая связка используется и наше время на современных системах
ЧПУ, за исключением того, что электромагнитные пускатели и реле иногда
(но далеко не всегда) заменяются на полупроводниковые.
Полупроводниковые реле обладают одним существенным недостатком –
Устройство плавного пуска шпинделя
Реле
46
сильный нагрев при работе. Это недостаток требует установки на реле
теплоотводящего активного (с вентилятором) или пассивного радиатора.
Перегрев является одной из частных причин выхода полупроводникового
реле из строя.
Последним и наиболее интересным отделением шкафа системы ЧПУ,
является отделение с ЭВМ. ЭВМ полностью собрана на элементной базе
первого поколения ЭВМ т.е. на электромагнитных реле, без применения
электронных ламп [1]. Отделение имеет небольшой отсек, в котором
находится устройство для чтения перфолент, оно расположено
непосредственно на двери четвертного отделения (рисунок 34).
Рисунок 34 - ЭВМ системы ЧПУ (слева),
устройство чтения перфолент (справа)
Блоки реле закреплены на металлических направляющих и соединены
между собой обычными проводами. Так как документация на данную
систему ЧПУ отсутствует даже в сети Интернет, разобрать назначение
блоков, человеку без специального образования, невозможно.
Единственным элементом, который четко опознается, является
механический счетчик команд (или одна из его деталей),
проворачивающийся на один оборот после выполнения очередной команды
Счетчики команд
Блоки реле
47
управляющей программы. По какой-то причине вычислительная машина
имеет два счетчика команд. Назначение второго счетчика осталось
невыясненным. К какому типу относится архитектура данной ЭВМ
(гарвардская или фоннеймановская) понять не удалось.
Для ввода программной информации в ЭВМ используется
восьмидорожечная перфолента [38]. Полного чтения программы с
перфоленты во внутреннюю память компьютера не происходит, т.к.
очередная команда читается только после выполнения станком предыдущей
команды. Это говорит о том, что ЭВМ обладает небольшой внутренней
памятью или внутренняя память у ЭВМ вообще отсутствует.
Подводя итог под вышеизложенным можно сказать, что компания
«Эрликон» имеет интересную, насыщенную и старейшую историю.
Компания шагает в ногу со временем и своевременно реагирует на запросы
мирового рынка товаров, обеспечивая, производителей этих товаров,
необходимым промышленным оборудованием и технологиями. Наблюдая
увеличивающийся мировой спрос на чистую энергетику, в настоящее время
компания занимается производством оборудования для изготовления
солнечных панелей, при этом не забросив свой первоначальный бизнес, по
производству военной техники и металлорежущих станков.
Описываемый в раздел 2.2 координатный сверлильно-расточной
станок с числовым программным управлением фирмы «Эрликон» 1968 года
выпуска, эксплуатируется уже более полувека и все еще находится в
исправном состоянии. Этот факт говорит о высокой надежности продукции,
выпускаемой компанией, несмотря на то, что некоторые технические
решение, примененные в станке, вызывают непонимание.
Описанная в разделе 2.3 система ЧПУ производства этой же фирмы
говорит о высоком уровне технологий, которыми обладала компания еще
полвека назад. Так как производство ЭВМ в те годы было под силу
небольшому числу компаний на планете. В то же время фирма «Эрликон»
48
уже в 1968 году могла самостоятельно построить станок с числовым
программным управлением, не пользуясь услугами стронных фирм.
Очевидно, что станок «Эрликон-КВ3» находится во вполне
работоспособном состоянии и имеет достаточный запас прочности для его
дальнейшей эксплуатации, однако очевидным является и тот факт, что
эксплуатация станка без модернизации его числовой системы управления в
современных условиях невозможна.
49
ГЛАВА 3. НОВАЯ СИСТЕМА ЧПУ «ЭРЛИКОН-KB3»
3.1. Основные проблемы реализации
Основная трудность, с которой сталкивается разработчик
современной системы числового программного управления для замены
системы ЧПУ, созданной в середине ХХ века – это несовместимость с
современными или полное отсутствие стандартов производства подобной
техники в прошлом. В середине ХХ века вычислительные устройства только
начали применять для управления машинами и агрегатами. Ни о каких
международных стандартах, описывающих алгоритмы функционирования
узлов вычислительных машин, не могло быть и речи.
Каждая компания, занимающаяся разработкой вычислительных
машин и числовых систем управления, создавала собственные, уникальные,
не имеющие аналогов на планете узлы для этих вычислительных систем.
Для ЭВМ разрабатывался собственный уникальный набор команд и
средства программирования. Естественно, такие вычислительные машины
были абсолютно несовместимы с ЭВМ других производителей как на
программно-аппаратном уровне, так и на уровне архитектуры [38].
В подобных случаях всегда начинается противостояние между
решениями различных производителей и даже стран. Так, например,
вычислительные машины, создаваемые в СССР ни на программно-
аппаратном, ни на архитектурном уровне не были совместимы с ЭВМ
производства США. К середине 60 годов XX века наиболее мощными
компьютерами в США были машины «CDC 1604» производства компании
«Control Data Corporation», главным конструктором которых был Сеймур
Крэй. В СССР наиболее мощной ЭВМ была «БЭСМ-6» (Большая
Электронно-Счётная Машина), главным конструктором которой был
Сергей Алексеевич Лебедев.
50
С точки зрения архитектуры обе машины были очень похожи, но на
программном уровне совместимости не было. Однако количество
программного обеспечения для вычислительных машин на планете с
каждым годом становилось все больше. Таким образом появилась острая
необходимость в создании универсальной вычислительной машины,
способной выполнять программы, написанные для разных архитектур ЭВМ.
Но на том уровне развития техники, решить данную задачу было
невозможно. Единственным способом выхода из сложившейся ситуации
был отказ от всех других архитектур ЭВМ в пользу какой-то одной
архитектуры.
По этой причине в декабре 1977 года в Министерстве
радиопромышленности СССР было принято решение прекратить
разработки собственных вычислительных систем и использовать
разработки американских компьютерных фирм «IBM» и «Digital
Equipment», адаптировав их к советской элементной базе. На этом история
развития отечественной вычислительной техники прекратилась и СССР
начинает копировать архитектуры ЭВМ, произведенных в США[31].
ЭВМ, управляющая станком «Эрликон-КВ3», была создана за долго
до 1977 года и ни о какой совместимости ее узлов с чем либо, речи идти не
может. Система ЧПУ «Эрликон-КВ3» абсолютно уникальна, как и решения,
используемые для управления электрическими агрегатами станка. Найти на
современном рынке ЧПУ систем, электронные узлы, которыми можно было
бы заменить устаревшие узлы оригинальной системы ЧПУ станка
«Эрликон-КВ3», не представляется возможным.
Для управления перемещением осей станка, в современной
действительности, как правило, применяются шаговые двигатели и
контроллеры для управления ими по сигналам с ЭВМ. Первое упоминание
о использовании шаговых двигателей на металлорежущих станках
относится к январю 1957 года (журнал «Control Engineering» опубликовал
51
отчет о применении шаговых двигателей для управления фрезерным трех-
осевым станком), но массовое внедрение мощных шаговых двигателей в
станкостроении началось только в 1970 годы, т.е. уже после создания станка
«Эрликон-КВ3». Возможно по этой причине на станке для перемещения
осей «Х» и «Y» используются не шаговые, а коллекторные двигатели
постоянного тока - серводвигатели (рисунок 29) [5].
Электродвигатели осей питаются напряжением 400 вольт и совместно
потребляют 15 ампер. Подобрать источник питания такой мощности на
современном рынке источников питания очень сложно. Современные
шаговые и серводвигатели питаются значительно меньшими напряжениями
и потребляют намного меньше энергии. Создать источник постоянного тока
такой мощности можно только собрав его из нескольких более слабых
источников питания в ущерб компактности. В оригинальной системе ЧПУ
станка под источник питания постоянного тока выделялся отдельный отсек
шкафа, полностью заполненный большими высоковольтными
трансформаторами (рисунок 30). Разработчик современной системы ЧПУ не
может позволить себе использовать для питания станка, источник питания
размером со шкаф т.к. он не будет соответствовать современным
требованиях компактности и мобильности.
Приобрести контроллеры управления такими мощными
электрическими агрегатами, которыми являются электродвигатели осей
станка, также невозможно т.к. ни одна из компаний (из
специализирующихся на контроллерах управления серводвигателями) не
выпускает контроллеров такой мощности. Объединить несколько
контроллеров вместе и тем самым повысить их мощность невозможно,
контроллеры не могу работать в такой примитивной связке, т.к. каждый
контроллер представляет собой очень сложный специализированный
компьютер и простое соединение контроллеров в цепочку приведет к
выходу их из строя. Один контроллер может управлять несколькими