К СЧПУ относятся средства, участвующие в отработке по заданному закону управляющих воздействий на исполнительные органы станка и другие механизмы, средства внесения и реализации внешних и адаптивных поправок, а также средства диагностики и контроля работоспособности СЧПУ и станка при изготовлении детали. Система ЧПУ станком включает в себя следующие технико-программные средства:

1. Вычислительно-логическая часть (включая запоминающие устройства различного типа для программируемых систем).

2. Средства формирования воздействий на исполнительные органы станка (приводы подач и главного движения, элементы электроавтоматики).

3. Средства, обеспечивающие взаимодействие с внешними системами (ЭВМ высшего ранга) и периферийными устройствами.

4. Средства связи с источниками информации о состоянии управляемого объекта (измерительными преобразователями различных видов, устройствами контроля, адаптации, диагностики).

Сложность структуры СЧПУ определяется по информационным 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, различно, их относят к различным иерархическим рангам. Обычно СЧПУ станками имеет двух- или трехранговую структуру, обеспечивая при этом выходы на более высокие ранги для работы в качестве компонентов ГПС, автоматизированных линий, участков и других производственных комплексов.

В структуре системы уровни различных рангов связаны между собой информационными каналами. В обозначении канала (буква Р) обычно используют двойную индексацию: первая цифра нижнего индекса указывает ранг, на котором канал формируется, вторая цифра нижнего индекса — ранг, на котором канал замыкается; верхний индекс (римские цифры) означает номер канала. Например, обозначение Р^II₁₃ показывает, что информационный поток, соответствующий второму каналу (верхний индекс II), формируется на уровне 1-го ранга (первая цифра нижнего индекса), т.е. датчиками станка, и замыкается на устройстве, соответствующем уровню 3-го ранга (вторая цифра нижнего индекса), – на УЧПУ (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общая схема трехранговой структуры СЧПУ

При структурно-информационном анализе СЧПУ принято следующее распределение уровней и информационных каналов.

Уровень 0-го ранга – это совокупность таких факторов, как температура, качество материалов, данные контрольно-измерительной аппаратуры и др.

Уровень 1-го ранга – это преобразователи, формирующие информацию каналов: Р^II₁ – по положению исполнительных органов станка; Р^III₁ – по технологическим и размерным параметрам, характеризующим состояние технологической системы станок – приспособление – инструмент – деталь; P^IV₁ – по параметрам возмущений, вносимых в систему СПИД; P^VI₁ – по точности детали, обрабатываемой на станке; P^VII₁ – по замене приспособлений, инструмента и готовности станка; P^VIII₁ – по наблюдению за правильным ходом процесса резания и регистрации возникающих неполадок, а также выработке способов их устранения.

Уровень 2-го ранга – это совокупность исполнительных регулируемых приводов и исполнительных механизмов станка: основных (осуществляющих программное перемещение исполнительных органов), вспомогательных (выполняющих различного рода технологические команды, в том числе при помощи робота) и дополнительных (предназначенных для наладочных и корректирующих перемещений).

Уровень 3-го ранга – уровень технических средств СЧПУ.

Уровни 4-го и более высоких рангов выходят за пределы СЧПУ и станка. К уровню 4-го ранга относится, например, внешняя ЭВМ.

В наиболее общем случае СЧПУ металлорежущими станками имеют трехранговую структуру. Функциональное назначение информационных каналов при трехранговой структуре может быть следующим (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Граф трехранговой структуры СЧПУ

Информационный канал Р^I – канал, передающий информацию управляющей программы, которая, будучи введена в УЧПУ на уровне 3-го ранга, приводит в движение исполнительные механизмы и приводы 2-го ранга и всю систему контроля и измерения 1-го ранга. Степень совершенства канала Р^I зависит от достоверности априорных сведений, которыми располагает технолог-программист о будущих свойствах процесса обработки.

Информационный канал Р^II – канал, передающий информацию датчиков обратной связи по положению исполнительных органов станка. Этот канал имеют замкнутые СЧПУ, исполнительной частью которых служит следящий привод, в разомкнутых СЧПУ он отсутствует. Канал Р^II замыкается на уровне 3-го ранга.

Информационный канал Р^III – канал, передающий информацию датчиков, измеряющих силовые параметры резания, температурные и силовые деформации, относительные колебания инструмента и заготовок, текущий износ инструмента. Этот канал характеризует состояние системы СПИД непосредственно в процессе обработки и может быть использован для повышения точности обработки и оптимизации процесса резания. В зависимости от конкретной структуры системы управления канал замыкается на уровнях 3-го или 4-го ранга, там, где вносятся коррекции в управляющую программу.

Информационный канал P^IV – канал передачи информации возмущения, которая воздействует на станок и систему управления на уровне 2-го ранга, оказывая влияние на процесс обработки. Причинами возмущения являются переменные припуск и твердость материала, изменения в температуре окружающей среды и другие факторы. Интенсивность возмущения не зависит от работы системы управления и не может быть изменена в ходе управления. Компенсируя возмущения, можно повысить точность изготовления детали. Возмущения измеряются на уровне 1-го ранга. Информация, собранная на уровне 1-го ранга, используется на уровнях 3-го и 4-го рангов. Колебания припуска и твердости часто оцениваются по отклонениям составляющих силы резания или крутящего момента на шпинделе. Следовательно, датчики силы резания или датчики момента в различных структурных вариантах управления могут входить или в контур канала Р^III или в контур канала P^IV.

Информационный канал P^V – канал передачи информации оптимизации, предназначенной для оптимальной коррекции управляющей программы по одному из критериев эффективности: критерию максимальной производительности, критерию качества какого-либо параметра детали, критерию минимальных приведенных затрат и другим критериям. Источником информации канала P^V являются блоки оптимальной адаптации. Эти блоки могут входить в УЧПУ, моделироваться в ЭВМ или представлять собой внешнее устройство. В зависимости от того или иного структурного решения канал P^V может иметь различную конфигурацию.

Информационный канал P^VI – канал, несущий информацию об истинной точности параметров обрабатываемой детали. Такая информация используется для выполнения заданных требований к точности размеров и формы, а также к качеству поверхности. Получение этой информации прямым способом, непосредственно в процессе резания, представляет значительные трудности. Информация в канале формируется на уровне 1-го ранга и замыкается на уровне 4-го и более высоких рангов.

Информационный канал P^VII – канал передачи сведений о степени готовности станка к обработке следующей детали, включая сведения об освобождении рабочей позиции, наличии заготовки, режущего инструмента, приспособлений. Канал P^VII – это канал, сопрягающий работу станка с промышленным роботом, а также обеспечивающий работу станков при групповом управлении. В зависимости от построения системы управления канал P^VII связывает уровень 1-го ранга с уровнем 3-го или 4-го ранга.

Информационный канал P^VIII – канал, при помощи которого контролируется работоспособность системы, решаются задачи диагностики, вырабатываются рекомендации по устранению неполадок. Информация канала циркулирует между уровнями 1-го и 3-го или 4-го рангов.

Таким образом, граф трехранговой структуры, где изображены описанные выше каналы, можно рассматривать как подграф четырехранговой структуры и других, еще более разветвленных структур. Графы конкретных структур систем можно сравнивать между собой и таким образом характеризовать степень сложности и развитости различных вариантов СЧПУ.