Операции механической обработки деталей заключаются в воздействии некоторого рабочего органа (инструмента) на обрабатываемый объект с целью изменения его формы и размеров. Для выполнения этих операций рабочие органы должны совершать по отношению к обрабатываемым объектам определенные перемещения. Реализация этих перемещений осуществляется станками с ЧПУ, в состав которых включаются необходимые рабочие органы. Технологические процессы, реализуемые на станках с ЧПУ, относятся к классу машинных технологических процессов.

Методы расчета управляющих программ для станков с ЧПУ базируются на математических моделях машинных технологических процессов, самих технологических машин - станков и их оснастки, а также обрабатываемых объектов.

Фундаментом для построения любой математической модели является то или иное пространство, в котором строится эта модель. При рассмотрении произвольного процесса принято использовать фазовое пространство, которое представляет собой множество всевозможных состояний этого процесса.

Рассмотрим фазовые пространства машинных технологических процессов

Одной из основных характеристик любого пространства является его размерность, которая для фазовых пространств определяется числом параметров, необходимых для описания соответствующих процессов. В число основных параметров, необходимых для описания машинного технологического процесса входят, прежде всего, координаты, определяющие расположение рабочего органа в процессе его перемещения относительно обрабатываемого объекта. Вторую группу основных параметров составляют скорости перемещения по этим координатам.

Для описания машинных технологических процессов могут быть использованы методы классической механики систем, состоящих из конечного числа твердых тел, в качестве которых можно рассматривать рабочие органы. Как известно, максимальная размерность фазового пространства системы из k твердых тел равна 12k. Отсюда следует, что максимальная размерность фазового пространства процесса, выполняемого одним рабочим органом, равняется 12. Однако практически закономерности, лежащие в основе конкретных рабочих процессов, накладывают связи на отдельные параметры, что в большинстве случаев приводит к уменьшению размерности фазовых пространств реальных технологических процессов, представленных в табл.9.1.

Перемещения рабочих органов, необходимые для выполнения заданных воздействий на обрабатываемый объект, осуществляются путем геометрического сложения перемещений рабочего органа и обрабатываемого объекта. В свою очередь, их абсолютные движения складываются из элементарных движений отдельных исполнительных органов, на которых закреплены соответственно рабочий орган и обрабатываемый объект.

Чтобы осуществить заданные движения к исполнительному органу должно быть подведено определенное количество механической энергии, для чего он включается в состав устройства, именуемого исполнительным агрегатом или приводом исполнительного органа.

Привод исполнительного органа является одним из основных структурных элементов любой современной технологической машины и первичным управляемым объектом. В этой связи станки с ЧПУ можно рассматривать как комплекс ее исполнительных агрегатов, объединенных системой управления.

При анализе структуры какой-либо технологической машины с ЧПУ необходимо прежде всего установить вид приводов исполнительных органов, количество их и порядок совместной работы, реализуемый системой управления.

Различные виды приводов исполнительных органов можно классифицировать по геометрической форме движения и типу управления. По геометрической форме движения приводы делят на линейные или поступательные и круговые или вращательные. С точки зрения управления обе эти разновидности могут иметь управление скоростью движения, управление по конечному положению и управление траекторией.

В случае управления первого типа программируется лишь скорость движения, а величины перемещений не задаются. При этом возможны два подтипа: ступенчатое управление скоростью и непрерывное. Управление второго типа, при котором не программируется скорость движения, принято называть позиционным или координатным. В третьем типе управления обычно выделяют два подтипа: упрощенный линейный, позволяющий реализовать лишь простейшие траектории, например в декартовых координатах, траектории, состоящие только из отрезков прямых, и контурный, позволяющий реализовать практически любую траекторию рабочего органа относительно изделия. Помимо этого существуют приводы исполнительных органов комбинированного типа, способные работать как в режиме позиционирования, так и в качестве приводов контурного типа.

На основании изложенного можно составить следующую таблицу (см. табл.9.2) классификации приводов исполнительных органов технологических машин с ЧПУ, введя для каждого из типов специальные обозначения.

Таблица 9.1 Фазовые пространства технологических процессов

Приводы с управлением скоростью движения используются в металлорежущих станках в качестве приводов главных движений, формирующих номинальную скорость резания.

Приводы исполнительных органов с управлением по конечному положению используют для установочных перемещений в процессе вспомогательных ходов, в течение которых рабочие органы не воздействуют на обрабатываемый объект.

Приводы с управлением движением используются в основном для реализации рабочих ходов, выполняемых исполнительными органами станков с ЧПУ в процессе непосредственного воздействия рабочего органа на обрабатываемый объект.

Для выполнения рабочего процесса система ЧПУ технологической машиной должна управлять совместной работой исполнительных агрегатов различных типов в определенном порядке.

Простейший порядок определяет последовательный характер работы исполнительных агрегатов, когда работа одного агрегата может начаться лишь по завершении работы другого.

Наиболее распространенный порядок определяет совместную одновременную работу нескольких агрегатов, в результате чего появляется возможность формирования различных траекторий движения рабочего органа относительно обрабатываемого объекта.

Наконец, возможно независимое управление работой какого-либо агрегата или комплекса агрегатов от других.

Таблица 9.2 Классификация приводов исполнительных органов

Если для каждого из перечисленных порядков управления ввести условные обозначения наподобие знаков алгебраических операций, то, объединяя с их помощью символ, определяющие типаж приводов исполнительных органов данной технологической машины с ЧПУ, можно построить структурную формулу этой машины. Закон совместной работы представляется в виде алгебраического сложения с допущением правила приведения подобных членов, последовательный закон - в виде умножения отдельных символов или многочленов, заключенных в круглые скобки, а выражения, определяющие структуру независимых комплексов исполнительных агрегатов, отделять друг от друга символом "точка с запятой".

Станки с ЧПУ делятся на следующие основные классы:

- сверлильные и расточные;

- токарные;

- фрезерные;

- токарно-фрезерные;

- сверлильно-фрезерные;

- шлифовальные;

- электроэрозионные.

Типичные структурные формулы для станков перечисленных классов:

VSr(2Ps)Ls - координатно-сверлильный или расточной станок с крестовым столом, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, позиционирование по двум координатам, управление рабочим ходом;

VSr(2Cs) - токарный станок, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по двум координатам (рис.1);

VSr(3Cs) – фрезерный станок, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по трем координатам (рис.3);

VCr(2Cs);(3Cs) – токарно-фрезерный станок, непрерывное управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по двум координатам при точении и по трем – при фрезеровании (рис.2);

VCr(3Us)Pr – сверлильно-фрезерный станок, непрерывное управление скоростью вращения привода главного движения, комбинированное управление по трем координатам и позиционное поворотным столом;

VSr(2Cs) – шлифовальный станок, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по двум координатам;

2Ps – электроэрозионный станок позиционное управление по двум координатам.