Устройство и принципы работы станков с ЧПУ

Дата публикации: 15/04/2022

Использование ЧПУ станков в современном производстве – это не дань моде, а закономерный процесс автоматизации с применением эффективных типовых решений. Автоматизация дает технологический и экономический эффект в виде сокращения времени на процессы, снижения зависимости от человеческого фактора и затрат, связанных с организацией рутинных операций. Обработка на станке ЧПУ позволяет производить детали высокого уровня точности и повторяемости в значительно более короткие сроки, чем это делает даже опытный оператор на обычном оборудовании. В этой статье мы рассказываем об основных принципах работы и общих моментах устройства станков, даем представление о том, что такое станок с ЧПУ. 


Содержание


  1. Принцип работы и общее понятие станков с ЧПУ
  2. Устройство токарного и фрезерного станка с ЧПУ
  3. Функциональная схема станка ЧПУ с программной и исполнительной частью
  4. Принципы программирования и взаимодействия со станками ЧПУ
  5. Эксплуатационные особенности станков с ЧПУ
  6. Возможности и особенности работы на станках ЧПУ на крупном производстве



Принцип работы и общее понятие станков с ЧПУ 


Представление о том, как работает станок с ЧПУ, строится на базовых принципах обработки материала и управления оборудованием. Любое оборудование с числовым программным управлением можно рассматривать как комплекс из нескольких составляющих ЧПУ станка:

  • функциональная часть включает инструмент и оснастку, основные части непосредственно обрабатывающей базы, рабочие поверхности и приводы;
  • исполнительная часть представляет собой приводы, обеспечивающие взаимодействие программной части и функциональной – шаговые и серводвигатели, гидравлические компоненты для управления поверхностями, узлы смены инструмента и позиционирования;
  • программная часть обеспечивает непосредственное управление ЧПУ станком через подачу заранее сформированных команд исполнительным механизмам и узлам;
  • система обратной связи представляет собой комплекс датчиков и узлов, выполняющих функции контроля процесса и измерения параметров.

В программной части станка с ЧПУ имеется аналитическая составляющая, которая принимает информацию от системы обратной связи и корректирует работу комплекса при обнаружении отклонений. 

Загруженный в программную часть станка алгоритм выполнения операций и циклов обрабатывается для формирования сигналов. Исполнительные механизмы позиционируют заготовку и инструмент. Функциональная часть выполняет непосредственно процесс механической обработки – точит, фрезерует, долбит, сверлит, зенкерует материал. Система контроля и обратной связи измеряет заготовку и снимает информацию о параметрах работы, чтобы передать ее в программную область. Таким образом создается и исполняется замкнутый цикл, позволяющий выполнить заданные операции с определенной точностью и последовательностью. 

Принцип работы станка с ЧПУ по металлу, дереву или иному материалу всегда общий, разница состоит в применении инструмента и оснастки. Область применения систем ЧПУ распространяется не только на операции с телами вращения – выпускаются прессы, штампы, разрезные станки, устройства намотки и размотки.   


Устройство токарного и фрезерного станка с ЧПУ


Как работает ЧПУ станок по металлу становится понятно, если разделить процесс на описанные выше составляющие. В металлообработке наиболее распространенные операции с заготовками – точение, фрезерование, сверление, зенковка, долбление. Устройство токарного и фрезерного станка с ЧПУ по металлу или дереву имеет существенное различие в том, что в первом случае тело вращения – это обрабатываемая деталь, а во втором телом вращения является фреза, инструмент и оснастка. По принципу взаимодействия с заготовкой к фрезерному станку близок сверлильный, в котором вращается инструмент, а заготовка может подаваться в определенной позиции. 

Общие принципы конструкции схожи – у станка имеется массивная станина, источник вращения и передачи крутящего момента (двигатель с приводом), точка (узел) фиксации тела вращения в виде шпинделя с патроном или другим узлом для установки инструмента/заготовки. Конструктивные особенности станков с ЧПУ выражаются в том, что ряд узлов и агрегатов предусмотрен для взаимодействия программной части с функциональной:

  • серводвигатели и шаговые двигатели перемещают заготовку, узел со шпинделем и суппорт токарного станка для подачи детали на обработку;
  • исполнительные приводы (гидравлические, шаговые) управляют положением поворотного или наклонно-поворотного стола для позиционирования заготовки;
  • в многоосевых станках ЧПУ и обрабатывающих центрах предусмотрены механизмы передачи заготовки на другую точку обработки;
  • в многофункциональных обрабатывающих центрах отдельная группа механизмов управляет сменой инструмента и шпинделя. 

Лазерное раскройное оборудование по устройству и принципу отлично от того, как работает токарный или фрезерный станок ЧПУ. В роли инструмента и оснастки выступает лазерный излучатель, который выставляется в определенную точку и перемещается приводами, включается по команде программного модуля. 


Функциональная схема станка ЧПУ с программной и исполнительной частью 


С точки зрения функциональности любой станок с ЧПУ представляет собой комплекс из программной, исполнительной и механической частей. Если с механической составляющей все понятно, то принцип и состав модулей программирования, формирования команд и исполнения стоит рассмотреть отдельно. 


Любая программа выполняется при условии ее ввода в цифровую часть оборудования и запуска. Для ввода самой программы и связанных с ней данных можно использовать перфоленту (устарело), магнитные носители (устарело), флэш-носитель, программируемый логический контроллер (ПЛК) и ПК через порт RS-232-C. В современных станках для оператора предусмотрен сенсорный дисплей, на котором отображаются заранее прописанные G-кодом команды на выполнение операций. 

Введенные данные после запуска направляются в БУС – блок управления с функциями:

  • чтение и расшифровка введенных в виде кода инструкций;
  • интерполяция команд – формирование команд, которые передаются на исполнительные механизмы для движения оси инструмента и заготовки;
  • отправка команд на исполнительные механизмы и усилители;
  • прием, расшифровка и идентификация сведений от датчиков обратной связи, регистрирующих положение и движение (изменение положения) осей приводов. 

Программная часть станка с ЧПУ условно "не видит" заготовку и инструмент, она имеет дело с осями и точками, которые отражают положение и размеры детали, положение и смещение рабочего стола и инструмента. Для обозначения осей детали применяются символы X и Y, для шпинделя символ Z. 


Сформированные в БУС команды передаются на усилитель и оттуда непосредственно на приводы – шаговые, серводвигатели, гидравлические клапаны. Таким образом настраивается положение рабочего стола, шпинделя, суппорта токарного станка с ЧПУ или лазерной головки раскройного оборудования. Датчики измерительной системы определяют фактическое положение осей и передают данные в БУС, где происходит сопоставление с шаблонными значениями. Таким образом станок с ЧПУ проверяет исполнение команд и фактическое соответствие заданным параметрам. 

Исходные данные о заготовке представляются в виде двухмерной или трехмерной модели, которая в процессе цифровой обработки преобразуется в облако точек с определенными координатами и привязкой к осям. Это современный подход, позволяющий работать с графическим представлением процесса без считывания станком бумажного чертежа. 


Принципы программирования и взаимодействия со станками ЧПУ 


Как и любая компьютерная система, ЧПУ для станка имеет платформу с исходным кодом, чаще всего закрытую для пользователя на уровне оператора, и функциональную надстройку для непосредственного программирования во время настройки и работы станка. Это по сути собственная операционная система, которая может быть совместима с распространенными модификациями ОС для компьютеров на производстве. Программист ЧПУ пишет программу – сценарий для выполнения технологического процесса обработки заготовки на языке G-code. 

В зависимости от сложности платформы, станка и процесса обработки оператор вводит с помощью кнопок и иконок на дисплее G-коды определенных циклов и операций. Часть процесса обработки иногда называют кадром программы, который может состоять из нескольких действий. G-коды принято относить к одному из процессов обработки, типовых циклов, которые можно применять к любой заготовке, вводя данные осей и координат точек. Различают коды (кадры, операции) фрезерования, точения, сверления, зенкования, резки, штамповки и др. 

Каждый цикл процесса – это завешенный кадр программы, составленной из набора последовательно выполняемых команд, прописанных в виде G-кода. Например, если рассмотреть, как работает токарный или фрезерный станок с ЧПУ FANUC, то коды по шагам будут разделены на подготовительные (настроечные) и исполнительные. Операции G00 - G04 позиционируют инструмент, G53 - G59 переключают системы координат. Коды G80 - G84 – циклические команды для сверления и нарезания резьбы на станке с ЧПУ. 


В основе каждого кода и цикла лежит несколько обязательных элементов – задание начальной и конечной точки движения, траектория движения инструмента и заготовки, запуск и остановка шпинделя и пр. Некоторые циклы выполняются с обязательным возвращением в исходную позицию, более сложные программы ЧПУ позволяют считать начальной точкой каждую из пройденных в зависимости от вида процесса (кадра). 

У каждого производителя и каждой платформы ЧПУ имеется своя таблица кодов. В большинстве случаев это унифицированные команды, которые можно рассматривать как функциональную надстройку – например, система ЧПУ HAAS может быть установлена как исполнительная надстройка на систему Fanuc со своими G-code для операций и циклов. Производитель токарных и фрезерных станков ЧПУ Siemens применяет собственную систему SINUMERIK с аналогичными кодами на языке G-code. 



Подробно писать об устройстве и программировании станков ЧПУ в ознакомительной статье нет смысла, каждый производитель выпускает документацию и присылает свои руководства по эксплуатации. В большинстве случаев оператор станка ЧПУ использует ввод кодов операций (действий) непосредственно с панели управления станка. Программист ЧПУ пишет процессы на ПК или ПЛК, готовые программы загружаются в БУС системы. В основном это нужно для крупных производств. Для небольших предприятий и относительно простых станков с ЧПУ достаточно базового набора кодов. 


Эксплуатационные особенности станков с ЧПУ 


Не стоит воспринимать станок с ЧПУ как сверхсложное устройство, пригодное только для больших производств. Система числового программного управления может использоваться на уровне мастерской и небольшого цеха, где процесс станочной обработки состоит из повторяющихся рутинных операций. Не менее важна возможность обработки деталей с высокой точностью и повторяемостью, что практически невозможно обеспечить при работе даже самых опытных станочников. При наличии и навыках применения конструкторских и проектировочных платформ класса CAD на ЧПУ можно изготавливать самые сложные профильные детали вплоть до прецизионной обработки металла. 


На уровне эксплуатации в конкретных условиях важно правильно определять задачи и соответствие станка сложности процесса. Производители выпускают несколько видов комплексов ЧПУ с разными уровнями автоматизации:

  • станки ЧПУ "Сименс" серии 802 и аналоги других производителей можно настраивать и запускать, пользуясь обычными маховичками или загружая код ЧПУ;
  • относительно простые модели станков ЧПУ могут уверенно выполнять токарные и фрезерные операции в трех осях с неподвижным шпинделем, чего вполне достаточно для мелкосерийного производства;
  • многоосевые станки для обработки сложных деталей позволяют сократить количество промежуточных операций за счет изменения оси и выноса шпинделя, подвижности поворотных и наклонно-поворотных столов, револьверных патронов и инструментальных колонн;
  • обрабатывающие центры (ОЦ) ЧПУ применяются на крупных производствах, так как позволяют провести обработку деталей в несколько проходов разными инструментами с выбранным уровнем точности обработки для каждой операции


В платформах ЧПУ крупных производителей заложена возможность обращения к справочным материалам, выполнения цикла чистовой и черновой обработки, запуска последовательности программных кадров для заранее записанного и сохраненного процесса. Оператору следует с максимальной ответственностью относиться к сообщениям об ошибках, которые выдает информационная система станка при загрузке программы. 

Особенности конструкции создают ряд требований к наладке, запуску и обслуживанию станков с ЧПУ:

  • особое внимание следует уделять состоянию исполнительных узлов – приводов, направляющих и прочих элементов, от износа которых зависит точность обработки;
  • функциональная часть станка обслуживается по отдельному регламенту, разработанному для определенного типа оборудования;
  • программное обеспечение станка ЧПУ должно обновляться по мере выхода новых версий, от этого зависит возможность использования системы;
  • запчасти и комплектующие для станков ЧПУ должны быть указаны в описании производителя как рекомендованные, особенно важно это для аналогов и реплик от сторонних изготовителей. 

При смене программы на сохраненную или запуске нового процесса необходим пробный прогон полного цикла обработки детали, проверка показаний датчиков и анализ выданных сообщений об ошибках. 


Возможности и особенности работы на станках ЧПУ на крупном производстве


Компьютерная (цифровая) составляющая станка с ЧПУ позволяет существенно расширить возможности среднего и крупного производства, если интегрировать ее в систему управления и контроля. Существует несколько таких платформ, среди которых стоит выделить отечественную разработку DPA – систему организации производства на уровне участка, цеха, предприятия с оборудованием ЧПУ любого уровня. 

Функционал системы DPA позволяет объединить станки и ПК в общую сеть, которая будет собирать данные о работе в реальном времени, формировать отчеты по выбранным периодам и критериям, распределять задания и поддерживать функции доступа специалистов к настройкам оборудования. Объединение DPA со справочной частью станка ЧПУ и устройствами инженеров позволяет вывести производство на уровень системного управления для повышения эффективности и поддержания высокого качества. 

telegram-icon whatsapp-icon