Сначала рассмотрим принципы управления перемещениями по осям исходя из требований геометрии детали, а затем – пути их реализации.
В случае, когда боковая поверхность детали имеет форму обобщенного цилиндра, т.е. получается при перемещении прямолинейной образующей параллельно самой себе, в процессе резания достаточно движения проволоки относительно заготовки только по двум осям XY. В большинстве случаев заготовка имеет параллельные плоские грани сверху и снизу, которые устанавливаются параллельно плоскости XY; при перемещении по осям X и Y контуры, описываемые направляющими проволоки, а также точками пересечения проволоки с верхней и нижней гранями заготовки одинаковы. Контур представляет собой последовательность участков (кадров), причем конец текущего кадра совпадает с началом следующего. Описание геометрии требуемого контура, ограничивающего деталь, а также другая необходимая информация содержится в стандартной форме в виде ISO-программы, которая интерпретируется станком в процессе резания. Любой станок с ЧПУ может выполнять перемещения по контуру, элементами которого являются отрезки прямых и дуги окружности. В настоящее время многие ЧПУ способны обрабатывать и более сложные кривые 3 порядка, но эти операции не стандартны, поэтому применение таких геометрических команд приводит к несовместимости программ для станков разных изготовителей. Поскольку отрезками прямых (даже без использования дуг) можно в принципе с необходимой точностью аппроксимировать заданный контур за счет уменьшения длины отрезков и увеличения их числа, насущной потребности в реализации более сложных кривых нет; однако, программа при этом становится очень громоздкой и необозримой, и ее ручная коррекция невозможна. Поскольку ISO-программа представляет собой некоторый текст, но написанный по строгим правилам, ее можно для деталей простой формы составить вручную; однако, более типичным является применение различных программ автоматизированного проектирования, которые в наглядном интерактивном режиме позволяют строить геометрические элементы и сопрягать их, т.е. получать контуры, которые автоматически переводятся в последовательность геометрических ISO-команд, а также добавлять необходимые технологические команды управления генератором, перемоткой, промывом, задавать необходимые системы координат и эквидистантные смещения, скорость подачи и др.
Геометрия детали, боковая поверхность которой не является цилиндрической, задается парой связанных контуров, располагающихся в параллельных плоскостях, нижняя из которых называется базовой, а верхняя – вторичной; обычно эти плоскости совпадают с гранями заготовки, но это не обязательно. Необходимым условием является равное количество кадров в обоих контурах, при этом любой точке нижнего контура соответствует одна точка верхнего в том же номере кадра; в частности, связанными точками являются границы соответствующих кадров; в принципе возможны кадры нулевой длины. Таким образом, для любой точки базового контура однозначно задается положение проволоки в пространстве, поскольку известны координаты второй точки, определяющей прямую. Однако, в отличие от цилиндрического резания, эти координаты нельзя непосредственно использовать для управления движением, поскольку система управления станка по осям X,Y,U,V контролирует станочные координаты направляющих проволоки, не совпадающие с координатами точек в базовой и вторичной плоскостях; более того, система координат UV, задающая наклон проволоки, в отличие от плоскости XY, вообще не совпадает с системой координат детали, в которой задан верхний контур: координаты UV являются разностными. Для управления движением координаты направляющих по осям XY и UV рассчитываются по координатам точек в базовой и вторичной плоскостях с помощью простых тригонометрических соотношений; конечно, при этом необходимо знать координаты по оси Z нижней и верхней направляющих проволоки и обеих плоскостей.
При больших (> 15 градусов) углах наклона проволока сильно изгибается в направляющих, что увеличивает трение и заметно ухудшает точность, т.к. желательно по возможности увеличивать радиус изгиба, при этом расчетные точки положения концов рабочего участка проволоки будут смещаться по вертикали в зависимости от угла наклона, и эти смещения определяются формой продольного сечения направляющих (фильер) и жесткостью проволоки. Даже при максимально близком расположении фильер к срезам сопел промыва диаметр отверстия сопла при большом наклоне проволоки приходится увеличивать (путем смены колпачка). Кроме того, направление струй промыва отклоняется от оси проволоки, что дополнительно ухудшает условия резания. Эти недостатки практически полностью отсутствуют в старых станках AGIE–100,200,300, т.к. в них применена уникальная система наклона направляющих и сопел при перемещении по осям UV: верхняя и нижняя камеры закреплены на телескопически связанных пантографах. Система сложна, требует очень точного изготовления и регулировки и весьма уязвима, т.к. чувствительна к люфтам и деформациям, поэтому в новых станках не применяется. Вместо этого используются дополнительные тороидальные опоры для проволоки при больших углах наклона, значительные смещения высоты концов рабочего участка проволоки учитываются при управлении.
Любое цифровое управление, в т.ч. и управление движением по заданной траектории предполагает дискретизацию по времени. Управляющие воздействия по каждой оси вычисляются и вводятся через постоянные интервалы дискретизации T. Величина T должна быть достаточно мала, чтобы даже при максимальных скоростях ошибки из-за запаздывания управления не превышали заданного предела, но достаточно велика, чтобы управляющий компьютер успел провести за это время все необходимые вычисления; обычно T=0.1..10 мсек. Координаты точки траектории в следующем периоде регулирования рассчитываются по уравнению, описывающему текущий элемент контура, и заданной скорости; разность между рассчитанными и текущими координатами пропорциональна необходимой мгновенной скорости и определяет величину управляющего воздействия в данном периоде регулирования по данной оси.
Описанная выше система координат станка (оси XY – перемещение нижней направляющей проволоки относительно заготовки в горизонтальной плоскости, оси UV – перемещение верхней направляющей относительно нижней тоже в горизонтальной плоскости, ось Z – перемещение верхней направляющей по нормали к плоскости XY) может быть реализована в различных вариантах. В частности, по осям X и Y может перемещаться как проволока, так и заготовка – с точки зрения управления это не имеет значения. При задании положительных направлений принято считать, что движется инструмент, т.е. проволока. В станках с небольшими полями обработки обычно по обеим осям перемещается заготовка, а все элементы тракта проволоки неподвижны относительно станины; часто применяется вариант, когда по одной из осей (обычно более длинной) перемещается заготовка, а по другой – проволока. Наконец, есть примеры, где по обеим осям перемещается проволока. У каждого из вариантов есть достоинства и недостатки. Изготовители станков, в которых заготовка неподвижна, аргументируют такой выбор тем, что при этом легче обеспечить жесткость конструкции при массивных заготовках, а также тем, что масса движущихся частей, а значит и динамические параметры системы практически постоянны и не зависят ни от массы заготовки, ни от массы воды в рабочей ванне. Но при этом обычно получается, что опорные точки движущихся кареток расположены дальше от направляющих проволоки, чем в распространенной конструкции, где каретки X и Y расположены друг над другом и образуют стол, на котором крепится заготовка и рабочая ванна; это приводит к тому, что отклонения от прямолинейности движения в направляющих X или Y приводят к ошибкам в положении проволоки, умноженным в несколько раз.
Применяются две компоновки осей UV и Z: суппорт UV перемещается по оси Z или каретка оси Z перемещается в горизонтальной плоскости по осям UV. Поскольку поля перемещений по осям UV обычно невелики, первая компоновка более компактна и дешева, но порождает некоторые проблемы в погружных станках (подробнее в описании системы диэлектрика).
Поступательное движение по всем осям практически всегда получается из вращательного движения электромоторов с помощью ходовых винтов; в последних моделях станков SODICK используются линейные двигатели осей XY. В каретках UV с небольшими полями обычно используются винты с малым шагом (0.5..1мм) и разрезные гайки для уменьшения люфтов, на остальных осях – безлюфтовые шаровинтовые пары с шагом 2..5 мм.
Применяются два основных способа определения текущих координат: разомкнутая система с шаговыми моторами и система с обратной связью, где координаты задаются специальными датчиками положения – угловыми или линейными, а моторы могут быть любого типа. Угловой датчик устанавливается на валу мотора, а линейный – на движущейся каретке. Поскольку практически используемые датчики положения являются инкрементными, т.е. выдают не саму координату, а лишь ее приращение, равное 0, +1 или -1 дискрет, в любом случае требуются реверсивные координатные счетчики, которые в разомкнутой системе считают импульсы управления, а в системе с обратной связью – импульсы от инкрементных датчиков. Начальные значения счетчиков обеспечивают привязку к станочной системе координат и записываются, когда положение соответствующей оси соответствует референсной точке. В разомкнутой системе это момент срабатывания ограничителя перемещений (или специального высокостабильного выключателя), а в замкнутой – момент достижения специальной индексной метки, которая выдается инкрементным датчиком по отдельному каналу; в угловом датчике, очевидно, такая метка повторяется на каждом обороте вала, поэтому для однозначности обычно используется ближайшая к концу оси, задаваемому ограничителем перемещений. Таким образом, ограничители перемещений или концевые выключатели, которые обычно устанавливаются на обоих концах каждой оси, являются не только устройствами защиты, но и элементами системы счисления координат.
Обычно ограничители представляют собой механические выключатели, которые, как и другие устройства защиты, нормально замкнуты – обрыв цепи или ее отсутствие означает состояние блокировки; применяются и электронные устройства – оптические, индуктивные и на эффекте Холла, которые чаще используются для разомкнутых систем из-за повышенных требований к стабильности точки срабатывания – порядка нескольких микрон.
Как правило, каждый раз после включения станка выполняется процедура поиска референсных точек и инициализации координатных счетчиков тех осей, положение которых могло измениться под действием неконтролируемых факторов во время отсутствия питания (обычно это оси XY). Иногда мотор комбинируется со специальной тормозной муфтой, которая в обесточенном состоянии препятствует вращению вала, а при запитывании постоянным током освобождает вал. Такая конструкция позволяет после включения питания восстановить запомненные перед выключением координаты без поиска референсных точек, что очень удобно для автоматического продолжения работы после длительного пропадания питания (так называемый «холодный» рестарт).
Во многих старых станках шаговые моторы и система счисления координат без обратной связи как наиболее простая применялась на всех осях; в настоящее время из-за присущих ей недостатков использование ограничено (в основном в суппорте UV). Недостатки шаговых моторов связаны с тем, что трудно получить равномерные перемещения при большом числе шагов на оборот, а также с тем, что эти моторы очень чувствительны к ускорениям и могут при резком изменении скорости пропускать шаги. Уменьшить шаг по оси и сделать движение более плавным, а также снизить требования к крутящему моменту мотора помогает редуктор, но его применение увеличивает люфт в системе передачи от мотора к каретке.
Основной недостаток системы с угловыми датчиками моторов, в полной мере присущий и разомкнутой системе, связан с тем, что неидеальность ходового винта, его осевой люфт и люфты в редукторе и винтовой паре приводят к ошибкам в положении оси, особенно при реверсировании. В системе с линейными датчиками перечисленные факторы влияют только на динамические свойства, но не на точность позиционирования; однако, это не значит, что качество изготовления винтовых пар, редукторов и затяжка осевых подшипников не имеют значения, когда используются линейные датчики: это в лучшем случае скажется только на равномерности движения, а в худшем приведет к самовозбуждению и потере работоспособности. Недостатком линейных датчиков является их дороговизна, причем, в отличие от угловых, стоимость растет пропорционально длине. Поэтому линейные датчики в основном используются в прецизионных станках, обеспечивающих точность лучше 6 мкм, а в станках обычной точности чаще используются угловые датчики, но принимаются специальные меры коррекции ошибок. Систематические ошибки изготовления винтов и направляющих компенсируются программно, но для этого их надо предварительно определить с помощью внешнего измерителя; к сожалению, из-за износа и загрязнения ошибки меняются, и данные коррекции надо периодически обновлять. Люфты винтовой пары (и редуктора, если он есть) приводят к гистерезисной зависимости координаты оси от угла поворота мотора, так называемому мертвому ходу; для его компенсации при реверсе добавляют перемещение на определенное число дискрет.
Конструкция оси Z имеет свои особенности, связанные с тем, что сила тяжести направлена вдоль нее, а не по нормали, как в других осях, т.е. требуется существенно больший вращающий момент мотора, чем на других осях; это практически означает, что необходим редуктор с довольно большим коэффициентом. Положительный эффект действия силы тяжести здесь заключается в том, что она устраняет мертвый ход, а отрицательный – что для предотвращения дрейфа может понадобиться тормозная муфта, фиксирующая положение вала мотора или ходового винта в обесточенном состоянии; альтернативой является использование самотормозящейся червячной передачи.
Несмотря на небольшие линейные скорости резания (обычно не выше 40 мм/мин, да и то на подчистных проходах при малой толщине заготовки), максимальная скорость перемещения по основным осям должна быть довольно высокой (порядка 600 мм/мин для XY), чтобы обеспечить быстрые холостые перемещения по всему полю при поиске референсных точек, базировании и т.д. Для обеспечения стабильной работы в широком диапазоне скоростей и ускорений в системе позиционирования с обратной связью, как правило, требуются датчики скорости вращения моторов, т.е. тахогенераторы. Тахогенератор можно исключить при наличии на валу мотора углового датчика положения т.к. от него легко получить необходимые данные о скорости, но аналогичное использование данных линейного датчика может быть неэффективным из-за люфтов во всех звеньях передачи движения от мотора к каретке; в результате для получения стабильного управления придется сильно ухудшить основные параметры привода – быстродействие и точность. Поскольку максимальный момент мотора оси X или Y не очень велик из-за отсутствия усилий резания и малого коэффициента трения качения шаро-винтовых пар и направляющих, для улучшения стабильности шестеренчатые редукторы обычно не применяются – валы моторов непосредственно соединяются с ходовыми винтами с помощью специальных муфт, которые не имеют люфтов, но позволяют уменьшить влияние возможных несоосностей. Того же можно добиться использованием передач на базе армированных зубчатых ремней.
В старых станках, где из-за недостаточного уровня электроники отсутствовал графический дисплей, для проверки правильности описания контура резания и текущего визуального контроля положения делался планшет с карандашом, которые связаны с соответствующими осями; при движении по XY карандаш рисовал на листе бумаги траекторию в масштабе 1:1. В современных станках с цветными графическими дисплеями возможности отображения как траектории, так и прочих параметров так велики, что планшеты не применяются.