4.2. Автоматизация программирования станков

Основными преимуществами станков с ЧПУ, по сравнению с обычными станками, являются их гибкость и универсальность, связанные с возможностью программирования систем ЧПУ на выполнение широкого класса технологических операций. Кроме того, станки с ЧПУ значительно производительнее. Это достигается за счет оптимизации и синхронизации режимов обработки по всем управляемым координатам. Наконец, системы ЧПУ заменяют станочников, что создает необходимые предпосылки для перехода на безлюдную технологию.

В связи с этим в промышленно развитых странах наметилась тенденция к опережающему росту выпуска станков и обрабатывающих центров с ЧПУ по сравнению с традиционным станочным оборудованием. Так, например, развитие парка фрезерных станков с ЧПУ привело в последние годы к тому, что они составляют 20-30 % от общего числа станков. На отдельных заводах с гибкой автоматизацией производства работает от нескольких десятков до нескольких сотен станков с ЧПУ.

Однако потенциальные возможности станков с ЧПУ используются далеко не полностью. Одной из главных причин этого является большая трудоемкость и длительные сроки подготовки управляющих программ. Так, например, использование станков с ЧПУ при обработке крупногабаритных деталей из легких сплавов приводит к тому, что трудоемкость обработки снижается в 3-4 раза, а трудоемкость и сроки технологической подготовки, связанной с созданием управляющих программ, возрастают в 8-10 раз [57].

Сложность программирования снижает эффективность станков с ЧПУ и порождает значительные трудности на пути их широкого внедрения в ГАП. Дело в том, что использование систем ЧПУ, хотя и высвобождает рабочих-станочников, но требует привлечения технологов-программистов для подготовки управляющих программ. При этом вся информация, необходимая для обработки, переносится с чертежа на программоноситель. По мере считывания управляющей программы рабочие органы станка автоматически выполняют требуемые технологические операции.

Подготовка управляющих программ включает следующие основные этапы: разработку технологии автоматической обработки; программирование процесса обработки; отладку и редактирование управляющих программ. На первом этапе технологу приходится составлять сложные расчетно-технологические карты. Трудоемкость этого этапа достигает 30 % от общей трудоемкости. Второй этап требует высокой программистской квалификации технолога. Трудоемкость этого этапа, связанного зачастую со сложными математическими расчетами программ обработки, составляет 45 %. Наименее трудоемким (порядка 25 %), но весьма ответственным с точки зрения обеспечения требуемого качества обработки и высокой надежности системы ЧПУ является третий этап.

Эффективность станков с ЧПУ зависит в значительной степени от уровня автоматизации подготовки управляющих программ. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется автоматизации программирования процесса обработки. В СССР и за рубежом разработаны специальные системы автоматизации программирования (САП-3, САПС, САПР, "Гран", APT, "Адарт" и др.). Эти системы не только снижают трудоемкость процесса подготовки управляющих программ, но и придают станку дополнительную гибкость и адаптивность. Последнее обстоятельство позволяет относить системы программного управления, снабженные средствами автоматизации программирования процесса обработки, к адаптивным системам управления. Адаптация этих систем к неопределенным и изменяющимся характеристикам станка, инструмента и детали (тепловые и упругие деформации, износ инструмента и т. п.) проявляется в автоматической коррекции программы обработки. Реализация этого свойства требует разработки соответствующего алгоритмического и программного обеспечения.

Рассмотрим особенности методов и средств автоматизации программирования станков и обрабатывающих центров. Основные принципы и алгоритмы гибкого программирования в общем виде изложены в гл. 2. Однако программирование станков имеет свою специфику.

Одной из первых нетривиальных функций программирования станков, потребовавших применения ЭВМ, было интерполирование траекторий инструмента. Впоследствии возникла необходимость в интерполяции и аппроксимации контура изготовляемой детали (например, в виде последовательности отрезков прямых и дуг окружности) с помощью ЭВМ.

Другой важной вычислительной операцией, связанной с программированием станков, является вычисление эквидистанты контура изготовляемой детали, т. е. кривой, равноотстоящей от заданного контура. Например, при фрезеровании форма детали определяется режущей кромкой фрезы, а программа фрезерования должна задавать движение центра фрезы. В связи с этим возникает необходимость вычисления эквидистанты контура изготовляемой детали. Для автоматизации этой сложной операции обычно используется микроЭВМ.

В дальнейшем выяснилась необходимость в вычислении и внесении в программу обработки поправок на износ инструмента и в выполнении других операций, связанных с реализацией адаптивного управления. Автоматизация всех этих операций также базируется на микро- и мини-ЭВМ.

Таким образом, сложность и трудоемкость процесса программирования станков потребовали его автоматизации с помощью ЭВМ. Для составления программы работы станка на ЭВМ необходимо прежде всего разработать соответствующие алгоритмы. В качестве таких алгоритмов можно использовать гибкие алгоритмы, описанные во второй главе. Реализация необходимых алгоритмов на ЭВМ требует специального языка, позволяющего описать технологический процесс обработки в виде управляющей программы.

Первый язык для автоматизации программирования процесса обработки APT (Automatic Programming Tools) был разработан в США в 1956 г. применительно к металлорежущим станкам [24]. Наряду с важными достоинствами (гибкостью, отсутствием ограничений на формат данных и т. п.) этот язык обладает и серьезными недостатками (большой сложностью, низкой эффективностью при решении простых задач и др.). Он содержит в своем словаре свыше 300 операторов. Его математическое обеспечение занимает объем в 250 Кбайт и позволяет строить математические модели деталей сложной конфигурации. Для реализации языка APT нужны достаточно мощные микро- или мини-ЭВМ.

На базе языка APT в ряде стран были созданы различные его модификации: ЕХАРТ (ФРГ), NELAPT (Англия), IFAPT (Франция) и др. Во всех этих языках используются геометрические и технологические понятия (например, "фреза", "сверло", "отрезок", "круг", "внутри", "слева" и др.). При помощи таких понятий, используемых в качестве слов языка программирования, оказывается возможным задавать тип, направление и скорость движения инструмента, управлять режимами обработки, описывать

обрабатываемые поверхности и т. п. Эта особенность языка APT и его модификаций облегчает человеку процесс программирования. Вместе с тем она свидетельствует об определенном сходстве языка APT с современными языками "концептуального программирования".

Программирование станка осуществляется в следующем порядке. Сначала по чертежу изделия составляется программно-технологическая карта в терминах алфавитно-цифрового кода. Затем информация, заключенная в карте, переносится на перфокарту и вводится в ЭВМ. В результате получается первичная программа, которая, однако, еще не может непосредственно использоваться для управления конкретным станком.

Для адаптации первичной программы к определенному станку служит специальная согласующая программа, учитывающая особенности конструкции станка, структуру и функции системы управления, порядок автоматической смены инструмента и т. п. Разработка и совместное использование первичной и согласующей программ делают процесс программирования слишком сложным. Поэтому для конкретных технологических процессов были разработаны простые версии специализированных языков программирования.