Дата публикации: 22/12/2022

Фрезерные станки с ЧПУ с высокой точностью обрабатывают сложные рельефные и объемные поверхности из дерева и пластика: элементы декора, сувенирную и рекламную продукцию, детали для мебели и интерьера. Современное оборудование легко интегрируется в гибкие производственные линии под управлением MES. Эта статья о том, как работают такие станки и что дает автоматизация деревообрабатывающего производства.

Содержание

1. Назначение и возможности фрезеров по дереву

2. Устройство

3. Принцип работы

4. Двигатели

5. Передачи

6. Расширенные возможности

7. Программа ЧПУ

8. Автоматизация деревообрабатывающего производства

Назначение и возможности фрезеров по дереву

Фрезерование – это механическая обработка поверхности, при которой рабочий инструмент – фреза вращается вокруг своей оси и одновременно совершает линейное движение относительно заготовки по заданной траектории. В фрезерных станках с ЧПУ параметры движения фрезы и/или заготовки задаются управляющей программой в G- и M-кодах.

Станки для работы с деревом и композитными материалами отличаются от металлообрабатывающих относительной простотой конструкции и более мягкими требованиями к мощности приводов. Охлаждение инструмента воздушное, поэтому система подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) не предусмотрена. Станки для раскроя и фрезерования элементов корпусной мебели должны иметь большую рабочую поверхность.

В отличие от оборудования с ручным управлением, станки с ЧПУ позволяют создавать сложные пространственные конструкции, а также с большой точностью тиражировать декоративные элементы, например:

• вытачивать фигурные ножки, багеты, сувенирную продукцию, резные элементы для мебели;
• гравировать на пластиковых и мягких металлических поверхностях;
• вырезать буквы для рекламы или декоративную упаковку из фанеры/МДФ;
• подготавливать детали макетов для архитектурных проектов,
• вырезать заготовки для печатных плат.

Устройство

Станки с ЧПУ различаются размером рабочей зоны, компоновкой, количеством осей, наличием дополнительных шпинделей или магазина сменного инструмента. Вот основные узлы станка.

Станина – это неподвижное основание станка, на котором располагаются остальные функциональные узлы.

Стол – горизонтальная рабочая поверхность, на которой фиксируется заготовка. Стол может быть неподвижным или механическим – с возможностью поворота, наклона или перемещения по взаимно перпендикулярным осям координат. Столы с Т-образными пазами и вакуумные столы используют разные способы фиксации заготовки. На столе с пазами заготовка закрепляется с помощью специальной оснастки, на вакуумном – с помощью вакуумного насоса. От габаритов стола зависит размер рабочей зоны и, соответственно, заготовок, которые можно обрабатывать на этом станке.

Шпиндель фрезерного станка – это привод и вращающийся вал, в котором с помощью цанги или трехкулачкового патрона закрепляется хвостовик фрезы.

Чтобы обеспечить движение подачи – перемещение заготовки относительно вращающейся фрезы – делают подвижным или шпиндельный узел, или заготовку. Заготовка может перемещаться за счет подвижной консоли, в которой она закрепляется, или за счет движения стола. Движение подачи инструмента чаще всего обеспечивают с помощью портальной конструкции.

• Ось Х: портал перемещается по направляющим, установленным вдоль стола.
• Ось Y: шпиндельный узел перемещается вдоль портала.
• Движение по оси Z реализован конструкцией шпиндельного узла.

В станке может использоваться несколько шпинделей, ориентированных в разных плоскостях. Эта конструктивная особенность позволяет обрабатывать сложные поверхности без переустановки заготовки. Иногда дополнительная шпиндельная головка выполняется съемной.

Блок управления ЧПУ включает контроллер управления и блок памяти для хранения драйверов и управляющих программ, а также дисплей, клавиатуру, источник питания.

Магазин инструмента дает возможность автоматически менять инструмент в шпинделе в соответствии с программой ЧПУ, в зависимости от особенностей обрабатываемой поверхности. Емкость магазина может составлять более десятка фрез различных видов.

Система пылеудаления представляет собой промышленный пылесос, который при помощи гофрированного шланга подводится к инструменту и удаляет стружку и пыль из зоны реза.

Принцип работы 

Фрезерный станок снимает с заготовки слой материала, перемещая фрезу по определенной траектории. При этом рабочий инструмент и заготовка совершают два вида движений:

1. Движение резания: закрепленная в шпинделе фреза вращается с высокой скоростью, и ее режущие поверхности снимают слой материала с заготовки.
2. Движение подачи: заготовка и фреза перемещаются друг относительно друга по серии траекторий (точек), заданных программой ЧПУ. Так формируется рельеф поверхности заготовки. При этом двигаться и поворачиваться относительно осей координат может стол / консоль с закрепленной заготовкой, шпиндельный узел с закрепленной фрезой или оба эти функциональных узла.

Двигатели

Все степени подвижности приводятся в движение шаговыми двигателями или сервоприводами, соединенными с поступательными или вращательными кинематическими парами.

Шаговые двигатели используются обычно в относительно простых станках малой и средней производительности. Сервоприводы дают более точное позиционирование на больших скоростях, более быстрый разгон – например, до значения 1000 оборотов в минуту за 0,2 сек. Ими оснащают промышленные станки на крупных мебельных и деревообрабатывающих производствах.

Передачи

Чтобы обеспечить поступательное движение стола, портала или шпиндельного узла, в конструкции станка используются следующие типы передач:

• зубчатая рейка;
• червячная передача;
• шарико-винтовая передача;
• линейные шариковые направляющие с гибким сепаратором.

Такие передачи преобразуют вращательное движение вала двигателя в линейное движение портала, каретки или шпиндельной головки на заданную в программе величину.

Расширенные возможности

Количество осей

Сложность поверхности, которую можно обработать на станке, зависит от количества осей, то есть управляемых координат.

• Двухосевой станок может перемещать заготовку в плоскости. Его используют для распила листового материла или вырезания плоских фигурных деталей, обработки торцов и фасок, нанесения плоских узоров.
• Трехосевой станок за счет дополнительной координаты может изменять глубину реза и формирует довольно сложные объемные рисунки.
• Дополнительная четвертая ось позволяет, например, поворачивать заготовку относительно фрезы. Объемные детали, в том числе и на основе фигур вращения, можно обрабатывать за один установ заготовки. Это упрощает технологический процесс и сокращает время обработки.
• Пятиосевые станки универсальны и могут обрабатывать детали любой сложности.

Многошпиндельные станки

Производительность фрезерных центров с несколькими шпинделями кратно выше, чем у одношпиндельного станка. Такое оборудование может обрабатывать одновременно несколько однотипных деталей и используется в серийном производстве. Важная особенность многошпиндельного станка – система измерения инструмента, которая калибрует фрезы по высоте.  

Автоматическая смена инструмента

Система смены инструмента позволяет последовательно обрабатывать заготовку фрезами разных типов за один установ заготовки. Это актуально, когда заготовка обрабатывается в несколько этапов: сначала снимается верхний слой материала, а затем более тонким инструментом наносится мелкий рельеф.

Станки с автозаменой инструмента позволяют полностью автоматизировать изготовление сложных деталей, исключив человека-оператора из рабочего цикла. Магазин инструментов находится над шпинделем. После завершения очередной операции шпиндель паркуется рядом с магазином, после чего манипулятор вынимает инструмент из шпинделя, ставит в магазин и закрепляет в шпинделе следующую фрезу. Очередность смены и место инструмента в магазине задается программой ЧПУ.

Программа ЧПУ

Станок обрабатывает поверхность по программе для ЧПУ в G- и М-кодах. Это текстовый файл, в строках которого прописано перемещение инструмента от точки к точке и другие параметры движения:

• способ интерполяции кривой (круговая, линейная) между двумя соседними точками;
• выбор рабочей плоскости;
• холостой ход;
• задержка выполнения программы;
• скорость подачи между двумя точками;
• скорость вращения шпинделя;
• номер инструмента в магазине
• и т.д.

Программа для ЧПУ формируется двумя способами:

1. Вручную: на компьютере, с пульта или клавиатуры блока управления.
2. Автоматически, на основе трехмерной модели детали. Предварительно 3D-модель создается в системе автоматизированного проектирования CAD, а затем система автоматизации производства CAM на основе этой модели формирует последовательность кодов для ЧПУ.

Существуют также фрезерно-копировальные станки с ЧПУ, которые задают траекторию движения инструмента, повторяя движение копира по шаблону.

Автоматизация деревообрабатывающего производства

Современные станки с ЧПУ встраиваются в автоматизированные производственные линии под управлением систем уровня MES (Manufacturing Execution System, система управления производственными процессами). Автоматизация производства позволяет добиться высокой производительности, снижения затрат, безопасности за счет минимизации человеческого фактора.

Обрабатывающие центры с ЧПУ не только имеют повышенную производительность, но и быстро перенастраиваются на другой вид продукции. Для этого достаточно загрузить из памяти другую программу или скорректировать имеющуюся. Например, многоосевые станки с автоматической сменой инструмента делают возможной такую перенастройку для обработки самых сложных деталей.  Это одно из главных преимуществ, которое дает использование станков с ЧПУ в составе гибкого производства под управлением MES.

В качестве переходного этапа на пути внедрения MES можно рассматривать систему мониторинга производственного оборудования DPA. Это аналитическая платформа, которая позволяет в режиме реального времени контролировать параметры оборудования и заготовки, анализирует временные и материальные ресурсы, ведет справочную информацию, интегрируется с системами техобслуживания и ОТК, а также при необходимости с MES и другими системами автоматизации.