Станки с ЧПУ первый шаг к автоматизации производства | Что такое ЧПУ и особенности использования

Станки с ЧПУ: первый шаг к автоматизации производства

Дата публикации: 03/05/2022

Станки с ЧПУ и производственные линии на их основе легко перепрограммировать на выпуск новой продукции или изменить ее параметры – например, размер отверстия или шаг резьбы. Они обрабатывают детали с высокой точностью и могут изготавливать изделия сложной формы. При этом их производительность и экономическая эффективность в несколько раз превосходит показатели обычных станков.

Что такое ЧПУ

Станок с ЧПУ (числовое программное управление, англоязычный вариант – CNC, Computer Numerical Control) – это управляемый компьютером станок, который обрабатывает деталь, перемещая заготовку и инструмент в соответствии с программой, без непосредственного участия оператора. Станок с автоматической сменой инструмента, который может выполнять несколько технологических операций без переоснастки, называется обрабатывающим комплексом.

Оборудование с ЧПУ используется для серийного выпуска продукции. Производства на основе ЧПУ поддаются глубокой автоматизации, где мониторинг, планирование и контроль операций и бизнес-процессов выполняют системы MES/MOM, ERP, APS.

Преимущества

Производительность. Станки с ЧПУ в 3-6 раз производительнее аналогичных устройств с ручным управлением.

Стабильность и точность. Станок с ЧПУ, в зависимости от класса точности, обеспечивает допустимое отклонение линейных размеров до 3 мкм.

Безопасность. Оператор контактирует с подвижными частями станка только при наладке и подготовке устройства к работе, когда станок выключен.

Полный цикл обработки. Станки с ручным управлением выполняют отдельные операции, поэтому обработка детали сложной формы подразумевает перенастройку или использование нескольких станков. Многоосевой ЧПУ-станок с автоматической сменой инструмента может обработать деталь за один цикл.

Автоматизация. На основе станков с ЧПУ строят гибкие производственные линии, которые работают под управлением систем MES/MOM или – на начальном этапе – систем мониторинга и управления производством (например, DPA).

Гибкость. Изменяя программу для ЧПУ, можно запускать в производство новые модификации изделий без значительной переоснастки станка.

Функциональные узлы станков с ЧПУ

Современные станки, в зависимости от назначения, имеют разные размеры и конструктивное исполнение: от компактного настольного устройства до тяжелой портальной конструкции. Однако в них можно выделить общие функциональные узлы.

Механизм базирования нужен для позиционирования заготовки относительно системы координат станка и фиксации. Он состоит из одного или нескольких столов и должен обладать жесткостью и виброустойчивостью, чтобы гасить колебания, возникающие в процессе работы.

Механизм позиционирования – рельсовые направляющие и ходовые винты, которые обеспечивают перемещение заготовки и/или суппорта с инструментом по осям координат. Они должны обладать высокой жесткостью, а также точностью и плавностью хода. Эти свойства обеспечиваются исполнением самих направляющих, а также используемым подшипниками и шаговыми или серводвигателями.

Шпиндель – вал со встроенными устройствами для автоматической установки и зажима инструмента. Он должен быть жестким, точным, без люфтов, с износостойкими посадочными поверхностями. Точность вращения инструмента и поворота корпуса шпинделя определяется точностью соответствующего привода.

Магазин инструментов для хранения сменного режущего инструмента и агрегатных головок, как правило, перемещается вместе с суппортом. По команде управляющей программы ЧПУ происходит замена инструмента.

Система обратной связи нужна для мониторинга и коррекции параметров заготовки и скоростей приводов. Она постоянно сравнивает показания датчиков обратной связи с программными значениями и выдает напряжения на приводы до тех пор, пока отклонения не достигнут целевых значений.

Система управления состоит из контроллера, памяти, дисплея, клавиатуры и устройства ввода данных. Она используется для ввода программы с носителя, клавиатуры или компьютера с CAD/CAM-системой; формирования управляющих воздействий на приводы и реализации вспомогательных технологических операций (подача смазочно-охлаждающей жидкости); считывания и интерпретации сигналов обратной связи; формирования сообщений для оператора.

Принципы работы

Работа ЧПУ-оборудования задается программой из G- и M-кодов – последовательных команд для приводов инструмента и подвижных частей станка, удерживающих заготовку – платформы, шпинделя.

При отработке программы процессор выдает соответствующие управляющие воздействия на исполнительные механизмы станка. В зависимости от команды, станок перемещает заготовку или инструмент, запускает основную технологическую операцию, подает смазочно-охлаждающую жидкость, поворачивает магазин инструментов в нужное положение, меняет инструмент.

После завершения программы полученное изделие перемещается на следующий этап обработки, а станок переходит к обработке новой заготовки.

Программы для ЧПУ можно:

написать вручную в виде G- и M-кодов;
ввести с помощью сенсорного экрана, клавиатуры и джойстика на стойке управления;
сформировать автоматически постпроцессором на основе трехмерной модели детали. 3D-модель предварительно создают в системе автоматизированного проектирования CAD, а система автоматизированного производства CAM преобразует 3D-модель в траектории движения инструмента.

Программа для ЧПУ хранится в памяти станка, и при необходимости к ней можно обратиться, чтобы запустить в производство соответствующее изделие или внести в код изменения.

Использование оборудования с ЧПУ

Станки с ЧПУ дороже станков с ручным управлением. Однако они быстро окупаются за счет сокращения числа ручных операций, исключения человеческого фактора, снижения операционных расходов и экономии времени на перенастройку. Применение оборудования с ЧПУ оправдано в следующих случаях.

Серийный выпуск. Станок автоматически обрабатывает поверхности, в том числе сложные, по заранее заданной программе, без участия оператора. Благодаря сравнительно низкой себестоимости изделий, станок быстро окупается.

Дорогой или редкий материал. Станки с ЧПУ дают более высокую точность обработки. А возможность заранее создать 3D-модель и «отрепетировать» на недорогих материалах исключает порчу ценного сырья.

Высокие требования к точности. Оборудование с ЧПУ обеспечивает точную обработку с допуском в пределах первых шести квалитетов. Величина отклонения определяется шагом привода (до 3 мкм).

Сложные поверхности. Станки с ЧПУ быстро обрабатывают детали со сложными поверхностями, в том числе имитирующими художественные элементы: резьбу по дереву или камню, барельеф. Современные многоосевые станки с автоматической сменой инструмента могут обрабатывать объемные фигуры любой сложности.

Необходимость кастомизации продукции. Чтобы модифицировать изделие под пожелания заказчика, нужно внести изменения в CAD-модель объекта или непосредственно в программу для ЧПУ. Это проще и быстрее, чем перенастраивать станок с ручным управлением.

Станки с ЧПУ применяются в машиностроении, приборостроении, при изготовлении мебели, ювелирных изделий и сувенирной продукции, шлифовке и гравировке камня. На таких станках выпускают элементы декора и отделочные материалы, компоненты телекоммуникационного оборудования, ответственные детали высокотехнологичного оборудования для энергетики, фармацевтики, аэрокосмической отрасли.

Классификация

Станки с ЧПУ делятся на группы по различным признакам. Эта классификация отражена в стандартной маркировке отечественных станков.

По технологическим операциям

Токарные, фрезерные, сверлильные, разрезные, резьбонарезные, многофункциональные. Также существуют станки для лазерной, плазменной, кислородной, водоструйной резки, для электронно-лучевой, фотохимической, ультразвуковой обработки.

По расположению оси шпинделя

Горизонтальные, вертикальные.

По количеству контролируемых координат

2-, 3-осевые станки перемещают инструмент и заготовку по 2 или 3 взаимно перпендикулярным осям. 3-осевые станки могут обрабатывать относительно сложные поверхности.

4-, 5-осевые станки имеют 1 или 2 дополнительные контролируемые координаты и выполняют обработку сложных поверхностей за один установ заготовки, что позволяет сократить время обработки.

По точности обработки

Нормальной, повышенной, высокой, особо высокой точности, особо точные мастер-станки.

По типу системы управления

В маркировке станка с ЧПУ присутствует буква Ф с числовым индексом, который обозначает тип системы управления (см. таблицу).

Классификация

По технологическим операциям

По расположению оси шпинделя

Горизонтальные, вертикальные.

По количеству контролируемых координат

2-, 3-осевые станки перемещают инструмент и заготовку по 2 или 3 взаимно перпендикулярным осям. 3-осевые станки могут обрабатывать относительно сложные поверхности.

4-, 5-осевые станки имеют 1 или 2 дополнительные контролируемые координаты и выполняют обработку сложных поверхностей за один установ заготовки, что позволяет сократить время обработки.

По точности обработки

Нормальной, повышенной, высокой, особо высокой точности, особо точные мастер-станки.

По типу системы управления

Индекс	Система управления	Расшифровка
Ф1	Цифровая индикация и предварительный выбор координат	Координаты задаются с помощью клавиатуры; текущее положение исполнительного органа станка показывается светящимися цифрами на световом табло
Ф2	Позиционная	Рабочий орган перемещается в заданную точку, а затем начинается обработка
Ф3	Контурная	Рабочий орган перемещается по заданной траектории, осуществляя при этом обработку
Ф4	Комбинированная	Управление в позиционном и контурном режиме, в том числе по 4-5 координатам, с автоматической сменой инструмента

По наличию обратной связи

Станки с разомкнутой системой управления выполняют программу без проверки текущих параметров технологической операции. Такой тип управления обычно используются в позиционных станках, где нет повышенных требований к точности позиционирования и скорости рабочего инструмента.

Станки с замкнутым контуром управления оснащены датчиками обратной связи, которые контролируют положение заготовки и рабочего органа, угловую скорость шпинделя, температуру окружающей среды и другие важные параметры. Такие станки в режиме реального времени корректируют параметры технологических операций в зависимости от показаний датчиков.

Автоматизация производства

Современные линии, включенные в контур автоматического управления производством на базе MES/MOM, ERP-систем оснащаются станками с замкнутым контуром. Первым шагом к созданию гибкого автоматизированного производства может стать интеграция одного или нескольких ЧПУ-станков с замкнутым контуром и системы мониторинга и управления производством, например DPA. Это позволит:

контролировать параметры и длительность операций,
соблюдать технологии обработки
планировать производство и соблюдать сроки исполнения заказов,
контролировать качество продукции.

По мере масштабирования производства вы можете нарастить парк станков и внедрить систему MES/MOM, которая возьмет на себя учет ресурсов и планирование работы оборудования в режиме реального времени.

к списку статей