Станки с ЧПУ для металлообработки: обзор, характеристики, виды и отзывы

Автоматизация производства в значительной степени расширила возможности промышленности. Автоматические устройства и система ЧПУ не только позволяют выполнять рутинную и циклическую работу без участия человека, но и значительно повышать скорость, точность и возможности исполняемых действий.

Основой любого производственного процесса является устройство ЧПУ. В промышленности большую часть функций выполняют станки. Устройство ЧПУ в них – основа производства. Наряду с автоматическими конвейерными лентами и промышленными лентами современные системы ЧПУ для станков вывели производство на качественно новый уровень.

Немного истории

Однако современный этап истории станков с ЧПУ начался лишь спустя полтора столетия после изобретения Жаккара, в Соединенных Штатах Америки. После окончания второй мировой войны, в конце 40-х годов, Джон Пэрсонс — сын владельца компании Parsons Incorporated, попытался управлять станком при помощи специальной программы, которая вводилась с перфокарт. Какого-либо положительного результата Пэрсонс не достиг, поэтому обратился за помощью к специалистам в Массачусетский технологический институт.

Улучшать представленную их вниманию конструкцию сотрудники институтской лаборатории сервомеханики не стали, и про Пэрсонса быстро забыли. А про его идеи – нет. Создав собственную конструкцию, они инициировали покупку институтом компании, которая выпускала фрезерные станки. После чего руководство Массачусетского технологического института заключило контракт с Военно-воздушными силами США. В контракте шла речь о создании высокопроизводительных станков нового типа для обработки пропеллеров фрезерованием.

Управление работой фрезерного станка, который собрали сотрудники лаборатории в 1952 году, производилось по программе, считываемой с перфоленты. Эта конструкция оказалась слишком сложной, и желаемый результат достигнут не был. Однако история получила огласку, сведения о новой разработке попали в печать и вызвали большой интерес конкурентов. Свои разработки в данном направлении одновременно начали несколько известных фирм.

Наибольшего успеха добились конструкторы компании BendixCorporation. Выпущенное компанией Bendix NC-устройство c 1955 года пошло в серию и уже реально применялось для управления работой фрезерных станков. Новинка приживалась трудно, но благодаря заинтересованности и финансовой помощи военного ведомства, за два года было выпущено более 120 станков ЧПУ, которые существенно повысили производительность труда и точность выполнения станочных работ.

Уже тогда были отмечены бесспорные преимущества NC-системы числового управления станками: существенный прирост производительности труда и значительно более высокая точность обработки поверхностей. Но по-настоящему революционные изменения в области станков с ЧПУ состоялись, когда в качестве «умного» модуля, управляющего работой станков, были использованы специально разработанные микропроцессоры и микроконтроллеры. Технический термин «CNC», которым стали обозначать эти системы за рубежом, является аббревиатурой английских слов ComputerNumericalControl.

Устройство станка ЧПУ по металлу

Станки с ЧПУ для обработки металлов состоят из нескольких ключевых элементов.

К ним относятся:

• Станина, которая служит основанием устройства. Изготавливается с помощью литья, что позволяет погасить вибрации, которые возникают в процессе работы. На станине устанавливаются все прочие узлы станка.
• Направляющие. Служат для перемещения рабочей головки станка относительно детали, закрепленной на столе.
• Система числового программного управления.
• Двигатели.
• Дисплей и управляющая панель.
• Электрический двигатель со шпинделем.

3D фрезерный станок ЧПУ Advercut K6090T

• Электропитание AC220V/50-60Hz
• Размеры, мм 1400 x 1100 x 1200
• Программное обеспечение DSP A11 (Digital Signal Processor), Type3 Software/France (в комплекте), ArtCAM, PowerMILL, MasterCAM

• Вес, кг 200

• X-Z структура Немецкие ШВП, круглые прецизионные направляющие
• Y-структура Немецкие ШВП (шарико-винтовые пары), квадратные рельсовые направляющие
• Количество оборотов шпинделя 11000 об./мин
• Мощность шпинделя 2,2 кВт
• Осей 3
• Охлаждение шпинделя Водяное
• Рабочая скорость, мм/мин 6,000 мм/мин
• Рабочее поле 600 x 900 x 150 мм
• Разрешение/Точность 0.003125 мм /0.025 мм
• Формат файла G code
• Цанговый патрон ER20
• Максимальная скорость перемещения, мм/мин 10,000
• Интерфейсы USB 2.2

• Цена 395 000 руб.

Перейти к товару

NC – это не Norton Commander

Изучая историю совершенствования «умных» ЧПУ станков, которые за рубежом когда-то обозначались аббревиатурой латинских букв «NC», студенты прошлых лет часто путали это понятие с популярной в те годы компьютерной программой-оболочкой. На самом деле сокращение NC произошло от английских слов NumericControl. Числовое управление было тогда весьма примитивным, и программа действий станка могла выглядеть как множество специальных штекеров, расположенных на контактном наборном поле.

Кстати, одна из первых советских транзисторных вычислительных машин для инженерных расчетов «Проминь», появившаяся в начале 60-х годов прошлого века, программировалась подобным образом. В то время управляющий модуль ЧПУ станка не мог должным образом реагировать на отклонения процесса обработки от расчетного, если такая ситуация происходила. Управляющие адаптивные микропроцессорные системы появились значительно позднее.

Со временем, по мере того, как совершенствовались электроника и вычислительная техника, в помощь новому поколению станков были приданы «думающие» управляющие модули на микропроцессорах и микроконтроллерах. Вот они-то и смогли обеспечить гибкое многовариантное управление процессом резания. И не только это. Такие системы получили более звучный титул «CNC», что по-английски звучит как ComputerNumericalControl. Наш термин ЧПУ оказался более универсальным, и его менять не пришлось.

Классификация современных систем ЧПУ

Системы управления и станки с числовым программным обеспечением настолько сложны, что их невозможно классифицировать по какому-то одному признаку. Основные характеристики систем ЧПУ позволяют систематизировать их следующим образом:

1.В зависимости от способа управления исполнительными механизмами станка:

● Позиционные. Здесь инструмент в соответствии с программой ЧПУ движется от одной точки, в которой производится необходимая операция с заготовкой, к другой, где также выполняется обработка, Во время перемещения инструмента никакие другие операции не выполняются.

● Контурные, в которых обработка может производиться по всей траектории движения инструмента.

● Универсальные – системы ЧПУ, в которых могут применяться оба принципа управления.

2.По возможностям и способу позиционирования:

● Абсолютный отсчет – местоположение подвижного механизма станка ЧПУ всегда определяется по расстоянию от начала координат.

● Относительный отсчет при позиционировании осуществляется приращением дополнительного пути к координатам предыдущей точки, которая временно принимается за начало координат. Затем началом координат считается следующая достигнутая точка.

3. По наличию или отсутствию обратной связи в контуре управления ЧПУ:

● Разомкнутые – («открытого» типа). Перемещение исполнительных элементов производится по командам, содержащимся в программе. Информация о фактически достигнутых координатах отсутствует.

● Замкнутого типа (закрытые). В системах ЧПУ этого типа координаты положения исполнительных механизмов постоянно контролируется.

● Самонастраивающиеся («закрытые» повышенной точности). Более совершенная система, которая запоминает поступающие сведения о расхождении заданных и фактических координат исполнительного элемента, отрабатывает их, и корректирует новые команды с учетом изменившихся условий.

4.Поколение. В зависимости от технического уровня используемых микропроцессоров, микроконтроллеров или управляющих ПК, различают системы ЧПУ 1-го, 2-го и 3-го поколения.

5. Количество координатных осей. Различные станки, оборудованные ЧПУ, могут поддерживать режимы работы с различным количеством координатных осей – от двух до пяти. Например, если при движении заготовки на фрезерном станке (3 координаты – X,Y,Z), она одновременно может поворачиваться вокруг своей оси, такой станок называют 4-координатным. Простейшие сверлильные и односуппортные токарные станки имеют две координатные оси.

Виды

Токарная обработка производится различными видами аппаратов. Классификация станочных приборов различается по конструкции, предназначению, типу выполняемых задач, а также показателю автоматизации.

По конструкции агрегаты могут отличаться расположением:

• шпиндельной оси (горизонтальное и вертикальное);
• комплектующих рабочего механизма;
• направляющих (горизонтальным, вертикальным и наклонным).

По типу выполняемых задач устройства могут быть:

• центровыми;
• патронно-центровыми;
• патронными;
• карусельными;
• прутковыми.

По показателю автоматизации станки бывают:

• полуавтоматическими;
• автоматическими.

Приборы центрового типа используются при обработке заготовок, имеющих прямолинейную и криволинейную форму. Для нарезки резьбы разрабатывается программа. Данные станки могут быть оснащены как вертикальными, так и горизонтальными направляющими.

Агрегаты патронного типа применяются в точении деталей сложных форм. Они способны выполнять широкий спектр возможностей, начиная обточкой, сверлением и развертыванием, и заканчивая зенкерованием, нарезкой резьбы и цекованием.

Аппараты патронно-центрового типа применяются для наружной и внутренней обработки наиболее сложных заготовок. Данное оборудование наилучшим способом подходит для токарных целей.

Приборы карусельного типа имеют схожий принцип функционирования, но чаще используются для изготовления на станке деталей больших размеров.

Его величество компьютер нуждается в программе

В отличие от стандартного персонального компьютера, который является универсальным устройством для обработки информации и способен работать с любыми данными, представленными в цифровом виде, микропроцессор, используемый в конструкции многих станков с ЧПУ, — устройство специализированное. Он не содержит ничего лишнего, и весь набор его функций предназначен для выполнения главной задачи – контроля состояния всех исполнительных органов станка и управления их работой по специальной программе. Чтобы управлять особо сложными современными станками, применяют более производительные и многозадачные устройства – промышленные компьютеры.

Одной из самых важных характеристик, которая позволяет судить о производительности и технических возможностях станка и управляющей его работой системы, является количество «осей». Иначе говоря, — каналов взаимодействия с объектом, управляемых параметров. Однако в любом случает, независимо от того, микропроцессор какого уровня сложности и архитектуры установлен в данном управляющем контроллере, для его работы нужна предварительно подготовленная программа. В которой должны быть точно и последовательно описаны все действия механизмов станка ЧПУ, необходимые для изготовления или обработки требуемой детали.

При работе станков с ЧПУ используется два вида программ:

● Системные (служебные) программы, которые хранятся в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве системы). Они обеспечивают начальный этап работы контроллера после включения, отвечают за настройку станка и всей системы ЧПУ, ее способность понимать команды оператора и взаимодействовать с внешними устройствами.

● Управляющие – внешние программы. Содержат набор команд и инструкций для исполнительных органов станка. Управляющие программы (УП) в контроллер может пошагово вводить оператор, возможен ввод с внешних носителей информации, а в современных системах программы могут поступать прямо с компьютеров разработчиков ПО через компьютерную сеть предприятия.

Заменив человека, который до наступления эры станков с ЧПУ сам успешно справлялся с изготовлением нужных деталей, программируемый блок управления, он же – контроллер, должен обеспечить требуемый результат, пошагово включая и выключая механизмы передвижения стола, заготовки и инструментального магазина, меняя режимы вращения или скорость поступательного движения заготовки. В результате выполнения программы должна быть получена деталь, полностью соответствующая заданию по размерам и чистоте обработки поверхностей.

Компании, которые стояли у истоков разработки и производства систем CNC, на первом этапе программировали свои станки при помощи собственных, специально разработанных команд. Если бы при таком подходе на производство попали станки с ЧПУ от разных производителей, подготовка программ для их работы была бы трудно выполнимой задачей. Чтобы попытаться обеспечить программную и техническую совместимость оборудования различных брендов, язык создания программ для станков с ЧПУ был унифицирован.

Базовым управляющим кодом для подготовки программ стал набор команд, разработанный специалистами компании Electronic Industries Alliance в 60-е годы прошлого столетия. Это так называемый язык «G» и «M» кодов, который чаще называют просто G-кодом (G-code). Принятые в этом языке обозначения подготовительных и основных функций начинаются с латинской буквы «G», а обозначение дополнительных – технологических команд – с буквы «M».

Подсистема обратной связи

Эта часть станка с ЧПУ представляет собой группу датчиков. Основными из них являются датчики:

• температуры;
• давления;
• положения.

Эта структурная особенность отличает станок с ЧПУ от оборудования с циклическим управлением. Большую роль в составлении программы имеет операционная система и ее принцип работы. Наличие обратной связи повысила надежность и точность оборудования. Без него невозможно выполнение функции самоочистки рабочих механизмов и работа, исполняемая приводом серводвигателя. Качественная и разветвленная функциональная система обратной связи отличает дорогостоящий токарный станок с большими возможностями менее дорогого и более простого оборудования.

«G»« и «M» коды в программах для станков с ЧПУ

По стандарту все команды, код которых начинается с буквы «G», предназначены для линейного или кругового передвижения рабочих органов станка ЧПУ, выполнения определенных последовательностей действий, функций управления инструментами, сменой параметров координат и базовой плоскости. Синтаксис команды обычно состоит из наименования G-кода, координат или адресов перемещений (X, Y, Z) и заданной скорости движения рабочего органа, обозначаемой буквой «F».

В команду ЧПУ может быть включен параметр, описывающий продолжительность паузы, так называемую выдержку – «P», указание о параметрах вращения шпинделя – «S», значение радиуса – «R», функцию коррекции инструмента – «D», а также параметры дуги «I», «J» и «K».

Например: G01 X0 Y0 Z110 F180; G02 X20 Y20 R5 F200; G04 P1000.

В первом примере код G01 обозначает «линейную интерполяцию» — прямолинейное перемещение с указанной скоростью (F) к заданной точке с координатами (X,Y,Z). Во втором примере указан код G02, который описывает дугообразное перемещение (круговая интерполяция). При этом код G02 соответствует перемещению в направлении вращения часовой стрелки, а его антипод G03 — против. В третьем примере содержится код команды, описывающий время задержки в миллисекундах.

Технологические команды, обозначаемые буквой «M», отвечают за включение или отключение определенных систем станка ЧПУ, смену инструмента, начало или окончание какой-либо специальной подпрограммы, другие вспомогательные действия.

Например: M3 S2000; M98 P101; M4 S2000 M8.

Здесь в первом примере указана команда о начале вращения шпинделя со скоростью «S». Во втором – распоряжение о вызове указанной подпрограммы «P». Третий пример описывает команду о включении основного охлаждения (M8) при вращении шпинделя со скоростью (S) в направлении против часовой стрелки (M4).

Принципы программного управления

Принципы работы систем ЧПУ фрезерного станка и токарного идентичны: микроконтроллер выдает управляющие сигналы на приводы шпинделя и инструментального портала, включение периферийных устройств (смазки, подачи СОЖ, аспирации). При этом станок должен знать, где находится инструмент в текущий момент. За эту функцию отвечает обратная связь.

Микропроцессоры, используемые в современных ЧПУ, являются узкоспециализированными устройствами и способны понимать только два вида программ:

1. Системные, или сервисные. Встроенные программы, разработанные производителем, отвечают за самодиагностику и настройку системы. Одна из сервисных функций — переопределение машинного нуля при включении станка или выходе портала на концевые выключатели.
2. Управляющие. Каждая УП — это набор команд для полного цикла обработки детали. В зависимости от поддерживаемых интерфейсов ЧПУ и сложности изготавливаемых деталей их вводят следующими способами:
3. Вручную со стойки. Оператор или наладчик может задавать программы изготовления простых деталей с минимальным количеством операций;

С физических носителей. Большинство систем имеют внутренний накопитель, куда можно скопировать УП с флэшки или компакт-диска;

4. По ЛВС. Современные системы ЧПУ поддерживают сетевую передачу данных, и программа может быть загружена с удаленного компьютера.

Для написания программ используется универсальный язык, который называют G-кодом. Все команды, отвечающие за перемещения рабочих органов, скорость вращения шпинделя, последовательность действий начинаются с буквы G.

Сервисные технологические операции, например, смена инструмента или включение периферийного оборудования, подчиняются кодам, начинающимся с буквы M.

Для написания простых УП можно использовать текстовый редактор на компьютере или стойку станка. Изготовление сложных деталей с большим количеством операций требует создания программ с большим количеством шагов. Для их написания используют CAM-системы — программные среды, куда загружаются чертежи будущих деталей.

Методы создания и структура управляющих программ

Современное оборудование позволяет создавать программы для работы станков с ЧПУ несколькими способами:

● Написание программы вручную или в текстовом редакторе ПК. Необходимый этап в подготовке специалистов для работы на станках с ЧПУ. Подходит также как основной способ программирования на производствах, где в течение длительного времени выпускают несколько простых деталей, не прибегая к перестройке оборудования.

● Составление и ввод программы на стойке ЧПУ. Пульт управления большинства современных систем управления содержит клавиатуру и дисплей, что позволяет программировать и просматривать виртуальную имитацию процесса обработки непосредственно на рабочем месте. Многие системы позволяют производить ввод программ в «фоновом» режиме, когда станок занят обработкой заданной детали.

● Использование возможностей CAD-CAM систем компьютеризированной подготовки производства. Специальное программное обеспечение позволяет создать трехмерную модель детали, рассчитать и подготовить программу для ее производства. А также виртуально «изготовить» требуемую деталь, используя реальные данные о кинематике конкретного станка ЧПУ. Этот метод позволяет создавать управляющие программы быстро и точно, практически исключить ошибки программирования и связанную с этим порчу заготовок. Особенно высока эффективность данного способа при создании УП для изготовления особо сложных деталей.

Структурно программа в G-кодах состоит из кадров. Так называют группы команд, которые предназначены для совершения какого-либо завершенного действия. Кадры могут состоять и из одной команды. Об окончании каждого «кадра» сообщает знак перевода строки (ПС/LF). Каждая программа начинается с пустого «кадра», который состоит их знака «%», а заканчивается кодами М02 или М30, обозначающими соответственно финиш программы ЧПУ или окончание имевшегося в памяти информационного блока.

Указанная структура и язык подготовки программ для оборудования с ЧПУ закреплены в международных стандартах RS2740, ISO-6983-1.82, а также ГОСТ СССР 20999-83. Отечественные профильные специалисты часто используют обозначение «ИСО-7 бит», которое закрепилось за программами в G-кодах еще со времен СССР. Программисты компаний, которые разрабатывают и производят станки с ЧПУ, при подготовке программного обеспечения обязаны придерживаться требований мировых стандартов.

В некоторых случаях, когда разработчики наделяют свои системы дополнительными возможностями и некоторыми специальными функциями, могут иметь место определенные отклонения программного обеспечения от стандарта создания программ в G и M кодах. В таких случаях следует внимательно изучить документацию, которая должна быть предоставлена производителем оборудования.

Подсистема управления

Мозгом станков с ЧПУ является микроконтроллер. Этот вид оборудования выступает основой системы контроля. Основные органы управления получают данные благодаря управляющей программе, после чего передает команды на исполнительные механизмы.

Кроме микроконтроллера или процессора в операционную систему управления входят передаточные устройства и человеко-машинный интерфейс. На схемах эти подсистемы представляются в виде стоек числового управления, иногда они объединяются в группу.

Подсистемы управления делятся на две категории:

• первый вид – открытые;
• второй вид – закрытые.

Открытые

При управлении открытых программных средств используется более интерактивный человеко-машинный интерфейс. Программирование таких систем можно осуществлять непосредственно через компьютер. В них же применяется 3D моделирование. Довольно часто программирование алгоритмов управления стойками можно производить при помощи языков высокоуровневого прикладного программирования, после чего переформатировать код в автоматическом режиме на язык, являющийся понятным контроллеру. Основным признаком таких систем является высокий уровень удобства, а также универсальность начинки и легкость ремонта, взаимозаменяемость многих деталей. Управляющая стойка обеспечивает корректировку программы и описания станка.

Но такая универсальность бывает чревата плохой совместимостью деталей между собой, или программного кода с операционной системой.

Поэтому иногда станки с открытым интерфейсом дают сбои или плохо приспособлены для длительной работы высокой сложности. Когда программируется контурное или другое устройство ЧПУ, важную роль играет именно человеческий фактор.

Закрытые

Системы закрытого типа обычно уже имеют ряд написанных программ. Эти программы иногда бывают заданы аппаратно, и для перепрошивки такого агрегата понадобится полностью разбирать корпус, и заменять детали. Программирование системы ЧПУ замкнутого типа ограничивается комбинированием команд на встроенном языке в человеко-машинном интерфейсе. Некоторые закрытые системы имеют встроенные на аппаратном уровне управляющие воздействия. Такие системы специально разработана для создания одного или нескольких типов деталей. Реже в комплекте к машине поставляется программа для ПК, позволяющая писать управляющий код на встроенном языке для компьютера.

Производители оборудования почти никогда не раскрывают архитектуру закрытых систем. При выходе из строя управляющего механизма придется обращаться в компанию-производитель. Определить поломку можно по характерным признакам. Однако благодаря тому, что все части замкнутой ЧПУ проходят множественные проверки на совместимость агрегатов, описанное оборудование отличается высокой степенью надежности и редко выходит из строя. Неоспоримым преимуществом данного типа управления является высокая надежность.

Недостатками до недавнего времени были некая ограниченность и неудобство управления. Особенностью современных систем замкнутого типа выступает обладание встроенным числовым программным обеспечением и удобным человеко-машинным интерфейсом. Они позволяют непосредственно на станке осуществить разработку программы, а также провести 3D моделирование всего процесса, чтобы исключить ошибки.

Существенными недостатками были и остаются высокая цена приобретения и обслуживания, а также сложность обслуживания в связи с тем, что управляющая часть и структура засекречены.