Устройства программного управления в автоматизированном производстве

Устройства программного 

Управления 

в автоматизированном 

производстве

Рекомендовано учреждением образования 

«Республиканский институт профессионального образования»

Министерства образования Республики Беларусь в качестве пособия 

для учащихся учреждений образования, реализующих 

образовательные программы среднего специального образования 

по специальности «Автоматизированные электроприводы»

Минск
РИПО
2017

УДК 681.51/.54(075.32)
ББК 31.291я723

У79

А в т о р ы:

старший преподаватель кафедры «Информационные системы 

и технологии» Гродненского филиала Международного института 

дистанционного образования Белорусского национального 

технического университета А. А. Гончаров; 

преподаватель УО «Гродненский государственный политехнический 

колледж» Н. В. Сурба; 

преподаватель УО «Гродненский государственный политехнический 

колледж» Е. Н. Велюжинец;

доцент кафедры «Информационные системы и технологии» 

Белорусского национального технического университета, 

кандидат технических наук, доцент Ю. Н. Петренко. 

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия по специальностям «Мехатроника», «Автоматизация 

технологических процессов и производств» УО «Минский государственный 

колледж электроники» (А. И. Бабёр);

доцент кафедры «Автоматизированные системы управления производством» 

УО «Белорусский государственный аграрный технический университет», 

кандидат технических наук, доцент А. Г. Сеньков.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 

любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства 

образования Республики Беларусь.

У79

Устройства программного управления в автоматизированном про
изводстве : пособие / А. А. Гончаров [и др.]. – Минск : РИПО, 2017. – 
271 с. : ил.

ISBN 978-985-503-660-0.

В пособии изложены структура и классификация систем программного 

управления, организация и основы программирования процессов управления, 
системы программного управления промышленными роботами и робототехническими комплексами, а также структура числового программного управления. 
Рассмотрены методы программирования, структура, характеристики и режимы 
работы ЭВМ, принципы построения устройств программного управления, системы управления гибкими производственными системами и др.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образова
ния по специальности «Автоматизированные электроприводы».

УДК 681.51/.54(075.32)
ББК 31.291я723

ISBN 978-985-503-660-0 
© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2017

ВВедение

Изобретателем первого станка с числовым программным 

управлением (ЧПУ) (англ. Numerical Control, NC) является 
Джон Пэрсонс (John T. Parsons), работавший инженером в 
компании своего отца Parsons Inc, выпускавшей в конце Второй мировой войны пропеллеры для вертолетов. Он впервые 
предложил использовать для обработки пропеллеров станок, 
работающий по программе, вводимой с перфокарт.

В 1949 г. ВВС США профинансировали Parsons Inc разра
ботку станка для контурного фрезерования сложных по форме деталей авиационной техники. Однако компания не смогла 
самостоятельно выполнить эту работу и обратилась за помощью в лабораторию сервомеханики Массачусетского технологического института (MIT). Сотрудничество Parsons Inc с MIT 
продолжалось до 1950 г. В 1950 г. MIT приобрел компанию 
по производству фрезерных станков Hydro-Tel и отказался от 
сотрудничества с Parsons Inc, заключив самостоятельный контракт с ВВС США на создание фрезерного станка с программным управлением.

В сентябре 1952 г. станок был впервые продемонстрирован 

публике – о нем была напечатана статья в журнале Scientific 
American. Станок управлялся с помощью перфоленты. Он отличался особой сложностью и не мог быть использован в производственных условиях. 

Первое серийное устройство ЧПУ было создано компа
нией Bendix Corp. в 1954 г. и с 1955 г. стало устанавливаться 
на станки. Широкое внедрение станков с ЧПУ шло медленно. 
Предприниматели с недоверием относились к новой технике. 
Мини стерство обороны США было вынуждено на свои средства изготовить 120 таких станков, чтобы передать их в аренду 
частным компаниям.

Введение

Первыми российскими станками с ЧПУ промышленного 

применения являются токарно-винторезный 1К62ПУ и токарно-карусельный 1541П. Эти станки были созданы в первой 
половине 1960-х годов. Станки работали совместно с управляющими системами типа ПРС-3К и др. Затем были разработаны вертикально-фрезерные станки 6Н13 с системой управления «Контур-3П». В последующие годы для токарных станков 
наибольшее распространение получили системы ЧПУ отечественного производства 2Р22 и «Электроника НЦ-31».

В Республике Беларусь Минское производственное объеди
нение вычислительной техники разработало и освоило выпуск 
универсальной системы числового программного управ ления 
«ИРИС М64». Система построена на базе промышленного 
компьютера. Для получения максимальной производительности в устройствах ЧПУ используются высокопроизводительные модули ЧПУ производства Mitsubishi Electric Corp. 
Эти устройства обеспечивают управление металлообрабатывающими станками токарного и фрезерного типа, а также станками, совместимыми с ними по способу управления (сверлильные, расточные, шлифовальные) с возможностью адаптации под каждую модель станка по требованию заказчика как 
по программному обеспечению, так и по составу аппаратных 
средств.

ОАО «Станкозавод «Красный борец» в Орше выпускает 

различные станки с ЧПУ для обработки разнообразных типов 
деталей. Одним из направлений является выпуск оборудования для глубинного шлифования: шлифовка пазов, шипов, 
уступов, фасонных поверхностей в деталях из чугуна, стали 
и труднообрабатываемых сплавов на основе титана и никеля. 
В данных станках применены комплектующие изделия ведущих мировых производителей (Siemens, Heidenhain, Hitachi, 
Fag и др.). Фрезерные станки с ЧПУ (например, Ф32ВФ3) 
стандартно оснащаются аппаратурой управления ЧПУ фирм 
Siemens, Hitachi, Balluff. Приводы координатных перемещений осуществляются от индивидуальных электродвигателей, 
управляемых от системы ЧПУ.

1. ОСнОВнЫе ПОнЯТиЯ 

1.1. РазВиТие и ПОкОлениЯ уСТРОйСТВ 

чиСлОВОгО ПРОгРаммнОгО уПРаВлениЯ

Под управлением станком принято понимать совокупность 

воздействий на его механизмы, обеспечивающие выполнение 
технологического цикла обработки, а под системой управления – устройство или совокупность устройств, реализующих 
эти воздействия. 

Устройство числового программного управления (ЧПУ) – 

устройство, выдающее управляющее воздействие на исполнительные органы объекта в соответствии с управляющей программой, алгоритмами ее обработки и информацией о состоянии управляемого объекта. 

Применение станков с устройством ЧПУ является одним 

из главных направлений автоматизации среднего мелкосерийного механообрабатывающего оборудования. Расширение области применения станков с ЧПУ происходит одновременно 
с совершенствованием устройств ЧПУ и самих станков. Для 
своего развития устройства ЧПУ усложнялись за счет увеличения числа координат и совершенствования технологических 
функций. При этом можно выделить несколько поколений устройств ЧПУ. 

Этап внедрения станков с ЧПУ начался с освоением фре
зерных станков с контурным управлением. Для устройств 
первого поколения характерно применение полупроводниковых 
приборов. В импульсных устройствах ЧПУ программа записывалась в унитарном коде на магнитную ленту. 

Характерным для данного типа устройств является реа
лизация программы в виде последовательности электрических 
импульсов, каждый из которых эквивалентен перемещению 

1. Основные понятия

рабочих органов станка. Вводя импульсы с определенной частотой, можно заставить инструмент или заготовку непрерывно перемещаться в соответствии с законом, необходимым для 
обработки детали. При импульсном выводе информации из 
ЧПУ в систему управления приводом следует преобразовывать импульс и усиливать его до значения, необходимого для 
перемещения рабочего органа в процессе резания.

Устройства второго поколения выполнены на электронных 

элементах с более высокими частотными характеристиками 
и обладают сравнительно широкими функциональными возможностями.

Устройства третьего поколения выполнены на базе инте
гральных элементов. Они характеризуются широкими функциональными возможностями. Некоторые из них приспособлены для решения специальных задач.

Устройства четвертого и пятого поколений выполняют по 

блочному принципу и оснащают дополнительными узлами:
блоками технологических команд, устройствами коррекции 
радиуса, скорости подачи, резания, индикации перемещения, 
устройствами для нарезания резьбы, блоками контроля и останова как на рабочих, так и на холостых ходах и т. д. 

В связи с большим расширением технологических воз
можностей устройств ЧПУ в настоящее время практически 
стерлась грань между контурными и позиционными видами 
ЧПУ и произошел переход к универсальным устройствам. 
Увеличилось число управляемых координат станка, причем 
взаимосвязь их в работе станка может быть одновременной и 
последовательной в любых комбинациях. Большинство современных контурных и универсальных устройств ЧПУ позволяет осуществить линейно-круговую интерполяцию при двухкоординатной обработке в любой плоскости и линейную при 
большом числе координат.

Общая тенденция современных устройств ЧПУ – повы
шение скорости переработки в них информации, вследствие 
чего уменьшилась дискретность систем при одновременном 
увеличении скоростей подач и холостых перемещений. В новых устройствах ЧПУ обеспечена возможность ввода информации в абсолютных координатах и перемещениях.

1.2. Определения программного управления

В современных устройствах ЧПУ целесообразно приме
нять специальные блоки для обработки стандартных программ (циклов). Стандартные программы содержат информацию, часто повторяющуюся в общих программах. Они могут 
либо записываться на программоносителе и затем в нужный 
момент неоднократно вызываться по команде, либо храниться 
в памяти устройств. Широкое применение получила цифровая 
индикация положения рабочих узлов, номера кадра, номера 
инструмента с применением одного цифрового табло (дисплея), на которое с помощью адресного переключателя вводится требуемый параметр.

1.2. ОПРеделениЯ ПРОгРаммнОгО уПРаВлениЯ

Числовое программное управление является одним из 

классов программного управления (см. табл. 2.1, с. 36–37).

Числовым программным управлением (ЧПУ) станком, робо
том или другим объектом будем называть способ управления на 
основе экспериментально составленной управляющей программы, основные показатели которой заданы в цифровой форме. 

Управляющая программа – совокупность команд на проб
лемно ориентированном языке программирования, которые 
соответствуют заданному алгоритму функционирования станка, робота или другого объекта по выполнению технологических, транспортных или вспомогательных операций.

Устройства ЧПУ условно можно разделить на аппаратные 

и микропроцессорные.

В аппаратном устройстве ЧПУ алгоритмы обработки ре
ализованы с помощью специальных электронных схем и не 
могут быть изменены, в микропроцессорном – алгоритмы обработки организованы программно, а значит, существует возможность их изменения или замены. 

Система ЧПУ – совокупность функционально взаимосвя
занных и взаимодействующих технических и программных 
средств, обеспечивающих числовое программное управление 
объектами. 

К информационной структуре системы ЧПУ относят сред
ства, участвующие в выработке по заданной программе управляющих воздействий на исполнительные органы станка и дру

1. Основные понятия

гие механизмы, средства внесения и управляющее воздействие 
внешних и адаптивных поправок, а также средства диагностики и контроля работоспособности системы ЧПУ и станка при 
изготовлении детали. 

Система ЧПУ станком должна включать технические 

средства, программное обеспечение, эксплуатационную документацию.

К техническим средствам системы ЧПУ относятся: 

вычислительно-логическая часть (включая запоминаю•

щие устройства различного типа для программируемых систем); 

средства формирования воздействий на исполнительные 
•

органы станка (приводы подачи и главного движения, исполнительные аппараты электроавтоматики и др.); 

средства связи с источниками информации о состоянии 
•

управляемого объекта (измерительными преобразователями 
различных видов, устройствами контроля, адаптации, диагностики и др.); 

средства, обеспечивающие взаимодействие с внешними 
•

системами и периферийными устройствами (каналы связи с 
ЭВМ высшего ранга и др.). 

Технические средства, входящие в состав системы ЧПУ, 

обычно конструктивно оформляются в виде автономного устройства – устройства ЧПУ.

Основными классификационными признаками системы 

ЧПУ являются уровень сложности управляемого оборудования 
и число осей, связанных решением единой интерполяционной 
задачи во времени. По этому признаку системы ЧПУ станками 
подразделяют на следующие группы:

с прямоугольным формообразованием по одной оси ко•

ординат;

контурным формообразованием при ограниченном со•

ставе функций по двум или трем осям координат (информационным каналам);

расширенными функциональными возможностями для 
•

оснащения многоцелевых станков и станков со сложным объемным формообразованием по четырем-пяти осям координат 
(информационным каналам);

расширенными 
функциональными 
возможностями, 
•

включая специальные задачи управления, для оснащения тя

1.2. Определения программного управления

желых и уникальных станков и станочных модулей по 10–
12 осям координат (информационным каналам).

Сложность структуры системы ЧПУ определяется по ин
формационным признакам и оценивается числом и характером 
информационных каналов, используемых при работе системы. 
В связи с тем, что информационное назначение устройств и их 
элементов, входящих в систему ЧПУ, неодинаково, их относят к 
различным иерархическим рангам. Обычно система ЧПУ станками имеет двух- или трехранговую структуру, обеспечивая при 
этом выходы на более высокие ранги для работы в качестве компонентов гибких производственных систем (ГПС), автоматизированных линий, участков и других производственных комплексов.

При структурно-информационном анализе системы ЧПУ 

принято определенное распределение уровней и информационных каналов.

Уровень нулевого ранга – это совокупность таких факторов, 

как температура, качество материалов, данные контрольно-измерительной аппаратуры и др.

Уровень первого ранга – это преобразователи, формирую
щие информацию каналов:

по положению исполнительных органов станка; 
•

технологическим и размерным параметрам, характери•

зующим состояние технологической системы;

параметрам возмущений, вносимых в технологическую 
•

систему;

точности детали, обрабатываемой на станке;
•

замене приспособлений, инструмента и готовности 
•

станка;

наблюдению за правильным ходом процесса резания и 
•

регистрации возникающих неполадок, а также выработке способов их устранения.

Уровень второго ранга – это совокупность исполнительных 

регулируемых приводов и исполнительных механизмов станка:

основных, осуществляющих программное перемещение 
•

исполнительных органов;

вспомогательных
•
, выполняющих различного рода тех
нологические команды, в том числе при помощи робота;

дополнительных
•
, предназначенных для подналадочных 

и корректирующих перемещений.

1. Основные понятия

Уровень третьего ранга – уровень технических средств 

системы ЧПУ.

Уровни четвертого и более высоких рангов выходят за пределы 

системы ЧПУ и станка. К уровню четвертого ранга относится, 
например, внешняя ЭВМ.

В наиболее общем случае системы ЧПУ металлорежущими 

станками имеют трехранговую структуру.

1.3. задачи уПРаВлениЯ СиСТем чиСлОВОгО 

ПРОгРаммнОгО уПРаВлениЯ

Для станка с ЧПУ характерны следующие задачи: 
1) взаимодействие устройства ЧПУ с объектом, станком – 

состоит в управление формообразования детали – геометрическая задача; 

2) управление дискретной автоматикой станка – логическая задача; 

3) управление рабочим процессом станка – технологическая задача; 

4) осуществление диагностики станка – диагностическая

задача; 

5) взаимодействие с окружающей производственной сре
дой – терминальная задача. Последняя проявляется через диалог с оператором и информационным обменом с управляющей 
ЭВМ более высокого уровня. 

Исторически геометрическая задача ЧПУ возникла пер
вой и у ранних устройств была по сути единственной. Логическая задача ЧПУ явилась следствием автоматизации на станке 
большого числа вспомогательных простых или циклических 
операций. Технологическая задача ЧПУ присутствует лишь в 
тех случаях, когда основной рабочий процесс сам становится 
объектом управления. Терминальная задача поддерживается 
устройством ЧПУ как персональным компьютером.

1.3.1. геометрическая задача управления

Цель геометрической задачи – отобразить геометрическую 

информацию чертежа в конечном изделии. Формообразующее