Токарный станок с ЧПУ по металлу – характеристики и модели

Огромные технологические возможности по производству качественных деталей из металла, отличающихся высокой точностью своих геометрических параметров, предоставляет современный токарный станок с ЧПУ. Такие станки, выпускаемые отечественными, а также зарубежными производителями, характеризуются высокой эффективностью и исключительной надежностью.

Токарный станок с ЧПУ с револьверной головкой на 12 позиций

Конструктивные особенности станков

Токарные станки с ЧПУ, используемые в наше время на многих производственных предприятиях, — это современное оборудование, позволяющее выполнять обработку деталей из металла, характеризующуюся высокой точностью. Это обеспечивается следующими конструктивными особенностями такого оборудования:

в передаточных устройствах привода подобных станков практически полностью отсутствуют зазоры;
все несущие элементы, узлы и механизмы, входящие в конструкцию токарного станка с ЧПУ обладают высокой жесткостью;
кинематические цепи оборудования специально разработаны таким образом, чтобы их длина была минимальной, а также чтобы минимальным было количество механических передач, которые их составляют;
в конструкции токарных агрегатов предусмотрены специальные сигнализаторы, отвечающие за обратную связь;
такие устройства отличаются повышенной устойчивостью против вибрационных нагрузок, обязательно возникающих в процессе их работы;
гидравлические, а также другие узлы токарного оборудования перед началом работы предварительно разогреваются при помощи специальных систем, что минимизирует риск возникновения тепловых деформаций в процессе выполнения обработки.

На токарные станки с ЧПУ устанавливаются направляющие, характеризующиеся повышенной износостойкостью и пониженным коэффициентом трения, что очень важно для обеспечения высокой точности выполнения токарных работ по металлу. Благодаря таким характеристикам направляющих агрегата снижается уровень рассогласования в его контролирующей системе, и все подвижные механизмы перемещаются по заданным параметрам с максимальной точностью.

Направляющие узлы токарного станка, где предусмотрены элементы качения, в качестве которых преимущественно используются ролики, разработаны и изготовлены так, чтобы при работе на высоких скоростях и при их интенсивном нагреве коэффициент трения в них оставался неизменным.

Закаленные направляющие станины станка TRENS-SE-520

Естественно, направляющие токарных станков, на которых обработка деталей из металла выполняется на высоких скоростях, должны отличаться повышенной жесткостью. Обеспечивается это требование благодаря тому, что направляющие подвергаются предварительному натягу, который выполняют с помощью специальных регулирующих механизмов. Для снижения сил трения в направляющих узлах суппорта агрегата и его станины, работающих по принципу скольжения, их изготавливают на основе пар материалов: качественный износостойкий пластик (как правило, фторопласт) плюс чугун или сталь.

Направляющие токарных станков, оснащенных системами ЧПУ, могут располагаться в горизонтальной, вертикальной или наклонной плоскостях. В зависимости от этого модели агрегатов причисляют к определенной категории.

Чтобы обеспечить высокую жесткость несущим элементам токарного оборудования с ЧПУ, их выполняют в коробчатой форме с обязательными поперечными и продольными внутренними ребрами. Для изготовления данных элементов используют технологии литья и сварки. Если раньше для выполнения несущих элементов токарных станков по металлу использовали только чугун или сталь, то сейчас многие зарубежные производители выполняют колонны, станины, а также салазки таких агрегатов из бетона с добавлением полимеров или искусственного гранита, что придает им высокую жесткость и повышенную устойчивость к вибрационным нагрузкам.

Важнейшим элементом любого металлорежущего оборудования, в том числе и токарной группы, является шпиндельный узел, испытывающий значительные нагрузки в процессе работы. Именно поэтому все базовые и посадочные поверхности такого узла, а также его шейки, должны отличаться повышенной износоустойчивостью. Подшипники, которые устанавливаются в опоры узла, обеспечивают точность его вращения, к ним предъявляют повышенные требования по степени их износоустойчивости.

Передняя бабка с патроном станка SN-500

На токарных станках, оснащенных системой ЧПУ, шпиндельный узел характеризуется более сложной конструкцией.

Объясняется это тем, что в данный элемент устанавливают ряд дополнительных: зажимные механизмы для рабочих приспособлений, работающие в автоматическом режиме, индикаторы, отвечающие за автодиагностику оборудования и за адаптивный контроль над процессом выполнения обработки. На токарных станках данной категории шпиндельный узел (по оси его вращения) может быть расположен в горизонтальной, а также в вертикальной плоскости.

Зарубежные разработки систем ЧПУ

FANUC — Мировой лидер в области систем ЧПУ

FANUC Series 30i/31i/32i Model α

Фирма FANUC представила тридцатую серию своих систем ЧПУ (Series30i/31i/32i-Model α), управляющих 10 каналами, 32 осями и 8 шпинделями. Максимальное количество интерполируемых осей — 24. Интерес представляют заложенные функции искусственного интеллекта:

Система управления с функциями искусственного интеллекта. Сочетание новейшей технологии в области систем цифрового управления сервоприводом шпинделя HRV и функции виртуального предварительного прогона цикла обработки позволяет снизить ошибку запаздывания сервопривода и обеспечивает максимально точное управление траекторией режущего инструмента.
Modeler Control II («Умная» система контурного и наноконтурного управления). Управление разгоном и торможением происходит посредством предварительного считывания 40 блоков данных в режиме контурного управления и 180 блоков в режиме наноконтурного управления, что обеспечивает высокоскоростную прецизионную обработку.
Система компенсации ударных и вибрационных возмущений. Автоматическое управление подачей при обработке углов с целью компенсации ударных возмущений.
«Умная» прецизионная система контурного и наноконтурного управления. При управлении разгоном и торможением с использованием RISC-карты предварительно считывается до 600 блоков программных данных. Этим обеспечивается высокоскоростная прецизионная обработка за счет высокостабильной скорости подачи даже для программ обработки, состоящих из сверхмелких линейных сегментов. Для получения деталей с высокой степенью чистоты обработки, при которой финишная обработка практически не требуется, программу контурной обработки можно дополнить функцией наноинтерполяции.
«Умная» система компенсации температурной деформации по оси Z. Поправка на температурную деформацию шпинделя и оси Z осуществляется посредством контроля этого параметра и оценки величины изменения по оси Z (уровень точности поправки зависит от конкретных рабочих условий).
Система автоматического учета износа инструментов (контроля состояния инструментов) с использованием элементов искусственного интеллекта. Система регулирования жизненного цикла инструментов следит за длительностью и частотой эксплуатации и автоматически заменяет их в случае превышения эксплуатационных параметров. Встроенная система учета износа инструментов определяет фактическую нагрузку на сверло через нагрузку сервопривода шпинделя, что позволяет оптимизировать срок службы инструментов.

Система ЧПУ FANUC имеет широчайший ассортимент прикладных функций и определяет вектор развития для многих производителей.

Siemens — Лидер в области промышленной автоматизации

SINUMERIK 840D/Di sl

Фирма Siemens представила новые модификации своей флагманской системы SINUMERIK 840D/DI sl (Solution Line), в которой добавленные функциональности:

утилита пуско-наладки для начального этапа работы;
Motion Control Information System — для оптимальной интеграции станков в систему электронной обработки данных — предназначена для координации планирования, размещения, исполнения, сокращения подготовительно-заключительного времени, сокращения простоев, упрощения анализа неполадок;
сплайн-интерполяция, компрессия кадров;
расширение открытой архитектуры;
ShopMill, ShopTurn — системы поддержки цехового программирования;
симуляция процесса обработки на станке.

В системах ЧПУ 840D/Di sl количество управляемых осей достигает 64. Архитектура системы и политика открытости породили на рынке множество независимых поставщиков прикладных приложении для систем ЧПУ Siemens, продукция которых систематизируется в каталогах.

Heidenhain

iTNC-530 Heidenhain

За рубеж, в том числе и в Россию, фирма Heidenhain поставляет только экспортный вариант систем ЧПУ с ограниченным набором функциональных возможностей. Системы ЧПУ имеют ориентацию на поддержку технологического процесса своим мощным набором станочных циклов, что делает ее особенно привлекательной для квалифицированных операторов и технологов-программистов. Представленная Hi-End модель ЧПУ серии iTNC-530, ориентированная на обработку поверхностей свободной формы, позволяет управлять 13 осями при времени обработки кадра до 0,5 мс. Предоставляется опция использования системы ЧПУ с двумя процессорами и операционной системой WindowsXP. Система обладает следующими возможностями:

Expanded look-ahead — функция предосмотра с буфером до 1024 кадров -своевременно распознает изменения в направлении движения инструмента для последующей коррекции разгона и торможения;
AFC (Advanced Feed Control) — адаптивное управление подачей — регулирует контурную скорость перемещения по траектории в зависимости от используемого процента мощности шпинделя;
DriveDiag, TNCopt — утилиты для диагностики составных элементов приводов и инициализации цифровых контуров регулирования;
PLCdecignNT, PhytonOEM — инструментарий разработки и функция высокоуровневого объектно-ориентированного языка управляющих программ электроавтоматики;
CicleDecign — инструментарий разработки станочных циклов;
TeleService — инструментарий для удаленный диагностики, контроля и управления системой ЧПУ;
TNCremoPlus — утилита передачи данных между ЧПУ и ПК, реализующая в том числе и режим LiveScreen — передачу содержимого экрана;
RemoToolSDK — комплект средств разработки, содержащий СОМ-компоненты и ActiveX управляющие элементы для доступа к ядру системы ЧПУ Heidenhain;
VirtualTNC — компонент управления виртуальными станками, используемыми для моделирования работы станков;
инструментарий измерения и анализа сигналов, в который входят: 6-канальный осциллограф, логический анализатор, тест окружности;
DCM (Dynamic Collision Monitoring) — ЗD-функция мониторинга столкновения и выявления коллизий при отработке управляющей программы на станке.

Bosch Rexroth

MTX Advanced Bosh Rexroth

Германская фирма Bosch Rexroth представила свою систему МТХ advanced которая имеет 64 оси и 12 каналов управления и до 8 интерполируемых осей в канале. Система создана на базе систем ЧПУ ТурЗ osa (Bosch) и МТС (Indramat), имеет двухкомпьютерную архитектуру и современный пользовательский интерфейс. МТС использует SERCOSIII интерфейс для управления приводами и электроавтоматикой .

Следует отметить продвинутый стиль экрана и информативность пользовательского интерфейса, что обусловлено использованием технологии NET и новейших разработок последних лет, в отличие от остальных европейских систем, сформировавшихся в 90-х годах. Система оснащена следующими функциональными возможностями:

NC-Analyzer — инструментарий разработки и отладки управляющих программ на языке высокого уровня CPL (Custom Program Language),
Logic Analyzer и Drive Oscilloscope — инструментарий для диагностики входов/выходов автоматики и цифровых приводов;
Cycle time analyzer — интеллигентный инструмент анализа временных циклов в системе управления, осуществляет запись потока команд ЧПУ, событии с ПЛС, сигналов с приводов и сигналов с периферии станка. Результаты представляются в графическую временную диаграмму;
IndraWorks view 3D — трехмерная визуализация процесса обработки управляющей программы и выявления коллизий.
IndraWorks machine simulator — симулирует периферию станка, подключенную по шине PROFIBUS.
Nanometer resolution — вычисления и интерполяция с нанометрической точностью;
CPL (Custom Programming Language) — Паскаль-образный язык программирования высокого уровня;
Remote diagnostics I-Remote — инструментарий для удаленного доступа, диагностики и поддержки систем управления;
SCP (Scaleble Communication Platform) -масштабируемая коммуникационная платформа, осуществляющая доступ к открытой архитектуре системы.

FAGOR

FAGOR CNC 8070

Фирма FAGOR Automation представила свои модели, работающие с приводами через SERCOS или CAN интерфейс. Система реализует интерполяцию с нанометрической точностью, применяется, в том числе, и для высокоскоростной обработки. FAGOR CNC 8070 — Hi-End модель системы ЧПУ для токарных и фрезерных станков, а также система универсального применения — обладает открытой архитектурой, совместимой с персональным компьютером и интерфейсом оператора на базе WindowsXP. Обеспечивает управление до 28 интерполируемых осей, до 4 шпинделей, до 4 инструментальных магазинов и до 4 каналов выполнения. Позволяет объединять несколько систем ЧПУ 8070 в сложные комплексы на базе Ethernet. Обеспечивает работу с нанометрической точностью, высокую скорость обработки кадра и команд PLC; применение постинтерполяционных фильтров позволяет получать поверхности любой геометрии, чистоты поверхности и точности. Она обладает следующими функциональными возможностями:

теледиагностика — функция удаленной диагностики, выполняется с помощью прикладных приложений для профилактического обслуживания оборудования;
открытость — позволяет полностью настраивать и адаптировать пользовательский интерфейс под технологический процесс;
сплайн-интерполятор, в том числе Акима (Spline, ASPLINE);
язык программирования высокого уровня;
специальные алгоритмы для высокоскоростной обработки — оптимизируют обработку для получения максимальной скорости, обеспечивают гладкий контур и наилучшую чистоту обработки;
Solid graphics simulation — система трехмерной симуляции управляющей программы;
Execution time estimation — оценка времени обработки для оптимизации;
Full customizable interface — функциональность, позволяющая настраивать пользовательский интерфейс под конкретные технологические задачи;
Cycle Editor редактор стандартных циклов;

Инструментарий настройки и запуска в эксплуатацию: функции осциллоскопа, body-программы, тест окружности, логический анализатор.

Mitsubishi Electric

Mitsubishi M750

Двухкомпьютерная модель Mitsubishi M750, создана на базе компьютера с RISC-процессором (для задач реального времени) и интерфейсного компьютера с операционной системой Windows ХР, связанных по Ethernet. Система ЧПУ Mitsubishi М750 поддерживает технологию наноуправления и обеспечивает высокоскоростную обработку. В зависимости от конкретной модификации она реализует до 4 каналов управления и использует до 16 управляемых осей, восемь из которых одновременно интерполируемые. Сервоприводы управляются по высокоскоростной оптической сети. Система обеспечивает обработку до 151000 кадров в минуту при чистовых технологических операциях. Платформа iQ Platform, основанная на гигабитном Ethernet, позволяет объединять в единую систему управления отдельные контроллеры, выступая в качестве интегрирующей внутренней шины [19]. Система реализует функции:

Complete Nano Control — дискретность выполняемых интерполяционных расчетов составляет 1 нм;
SSS-control (Super Smooth Surface) — управление качеством и обеспечение постоянства обработки, независимо от геометрии формы и скорости резания. Применяются алгоритмы: оптимизации разгона и торможения, компенсации люфта и неравномерности ходового винта, сплайновой интерполяции (кубический сплайн и NURBS), автоматическое распознавание углов;
OMR-control (Optimum Machine Response) — на основе модели функция осуществляет: коррекцию ошибок, связанных с деформацией координаты; синхронизацию движения сервопривода и шпинделя за счет учета сетевой задержки команд; минимизацию влияния вибраций;
5 Axis Machining Control — функция предотвращения столкновений в процессе обработки — учитывает модель станка, относительное положение детали и траекторию движения инструмента. В случае выявления опасности столкновения привод останавливается, а в трехмерной модели подсвечивается место коллизии;
Machining time calculation — расчет времени цикла без запуска станка;
MS Configurator — программный продукт для настройки приводов ЧПУ, позволяющий настраивать сервоприводы в автоматическом режиме. Он строит body-диаграмму, делает настройку петли замыкания по скорости и ускорению, настройку фильтра резонансных частот, строит тест окружности и осциллограмму сигналов сервоприводов;
А/С Configurator — инструментарий настройки машинных параметров системы ЧПУ, параметров инструментов и глобальных переменных;
NC-Designer — пакет для создания экранов пользовательского интерфейса;
NC Monitor — удаленный терминал на PC, позволяющий управлять системой ЧПУ через Ethernet;
NC-Explorer — для соединения системы ЧПУ через Ethernet и передачи технологических программ;
Factory Automation Solution — решение для интеграции в сетях и в сетях цехового уровня, а также в MES (Manufacturing Execution System — Система планирования производства) и ERP (Enterprise Resource Planning System — Система планирования ресурсов предприятия) системах;
NAVI MILL, NAVI LATHE — инструментарий создания фрезерных и токарных управляющих программ на программной РС-станции;
GX Developer — инструментарий создания и отладки PLC-программ, позволяющий работать как с реальной системой, так и с эмулятором;

На интеллект-карте [13] стрелками показано соответствие новых возможностей систем ЧПУ, представленных лидирующими производителями, стратегическим направлениям развития систем ЧПУ (рис. 1).

Маркировка токарного оборудования с ЧПУ

Система автоматизированного управления станков токарной группы может быть организована по трем основным схемам.

Контурная

Данная схема предполагает программирование траектории перемещения (криволинейной в том числе) рабочего инструмента и контроль над правильностью осуществления данной процедуры.

Позиционная

При реализации такой схемы программируются координаты точек, в которых должен оказаться рабочий инструмент после выполнения определенной технологической операции.

Адаптивная

Данная схема предполагает совмещение принципов работы двух предыдущих.

По маркировке отечественного токарного оборудования, оснащенного ЧПУ, достаточно просто определить категорию такого устройства.

Буквенно-цифровое обозначение, стоящее в конце маркировки, как раз и указывает на то, по какой системе в данном станке организовано числовое программное управление:

Ф1 — станки, в которых рабочий инструмент перемещается по предварительно заданным координатам, при этом в них предусмотрена цифровая индикация;
Ф2 — модели, где перемещение инструмента реализовано по позиционной схеме;
Ф3 — токарное оборудование, в котором реализована контурная схема управления движением инструмента;
Ф4 — модели токарных станков с ЧПУ с адаптивной (универсальной) системой управления.

Маркировка токарных станков с ЧПУ

В маркировке некоторых моделей токарных станков с ЧПУ можно встретить буквенно-цифровое обозначение С1-С5, которое говорит о том, что такое оборудование отличается особыми технологическими возможностями. В частности, модели, в маркировке которых присутствуют обозначения С1 и С2, обладают невысоким пределом подач и небольшим диапазоном их регулировки. А вот агрегаты, в маркировке которых есть символы С3, С4 и С5Т, наоборот, имеют увеличенный диапазон подач и отличаются широкими возможностями по их регулировке.

Благодаря своим расширенным возможностям модели станков, в чьей маркировке присутствуют символы С4 и С5, можно использовать для эффективного выполнения многих технологических операций, например, нарезания наружной и внутренней резьбы, обработки заготовок, имеющих цилиндрическую, коническую и фасонную форму, в том числе и ступенчатую. Стоит отметить, что обрабатывать на таких станах можно как наружные, так и внутренние поверхности, отличающиеся сложностью своей конфигурации.

«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).

Особенности программирования станков

Чтобы использование токарных станков, оснащенных системой ЧПУ, было максимально эффективным, необходимо тщательно разработать технологический процесс обработки, а также составить программу, которая будет управлять работой оборудования. При решении этих вопросов надо учитывать ряд важных параметров: необходимость увязки систем координат оборудования, расположения на нем обрабатываемой заготовки и исходного положения рабочего инструмента с его дальнейшими перемещениями, которые он должен автоматически совершать в процессе работы.

Принцип числового программного управления токарным станком

При составлении программы для такого станка принимают во внимание, что рабочий инструмент перемещается по координатным осям обрабатываемой детали, которая находится в неподвижном состоянии. Что важно, он перемещается в прямолинейном направлении по осям, параллельным осям обрабатываемой заготовки.

Суть программирования отдельной технологической операции, выполняемой на таком станке, заключается в том, что компьютерной программой описывается маршрут, который должен пройти режущий инструмент, чтобы сформировать деталь с заданными геометрическими параметрами.

При составлении такой программы придерживаются следующего алгоритма.

Технологический процесс делится на три этапа: черновая, чистовая и отделочная обработка. Чтобы повысить производительность выполнения работ и снизить их трудоемкость, черновые и чистовые операции стараются объединить.
Чтобы минимизировать погрешности фиксации и базирования обрабатываемой детали, ее технологические и конструкторские базы совмещают по определенным правилам.
Полную обточку детали желательно выполнить с минимальным количеством ее установок.
Необходимо придерживаться рационального подхода к вопросам обработки заготовок. Это предполагает, к примеру, обточку частей цилиндрических и конических заготовок с небольшой жесткостью только после того, как выполнена обработка их участков, отличающихся достаточной жесткостью.

В технологическом процессе, который предполагает использование для обработки токарных станков, оснащенных ЧПУ, под отдельной операцией понимается обработка, выполняемая на одном станке. При этом такие операции могут разделяться на отдельные переходы, подразделяемые на самостоятельные проходы.

Переходы, которые может выполнять токарный станок, оснащенный ЧПУ, делятся на позиционные, элементарные, инструментальные и вспомогательные.

Существуют определенные правила разработки программ последовательности работы с обрабатываемой заготовкой, придерживаясь которых можно обеспечить высокое качество готового изделия. В соответствии с этими правилами, в компьютерной программе для токарного станка задаются следующие параметры: число переходов и проходов, общее количество установок, вид обработки, которой подвергают заготовку, количество режущих элементов и их типоразмеры. Если технические возможности оборудования позволяют, то желательно все инструменты, участвующие в работе, помещать в один резцедержатель.

Револьверная головка SAUTER для токарного станка с ЧПУ

Но не всегда резцедержатели агрегата позволяют установить в них все элементы, которые участвуют в обработке. В таких случаях, не являющейся большой редкостью, в управляющей программе предусматривают приостановку работы, которая необходима для замены инструмента. Кроме того, при использовании таких станков можно разбить процесс обработки на несколько частей, чтобы не приостанавливать его для замены инструмента. Большая часть моделей токарных станков с системами ЧПУ оснащена резцедержателями, в которых можно зафиксировать ограниченный набор режущих инструментов. В большинстве случаев для работы таких устройств используют инструмент, оснащенный многогранными режущими пластинами. Чтобы быстро привести его в порядок, если режущая грань износилась, достаточно просто повернуть пластину и продолжить работу.

Среди наиболее распространенных инструментов, которыми оснащаются токарные агрегаты с ЧПУ, можно отметить следующие: для растачивания — резцы, режущие пластины которых наплавлены или закреплены механическим способом; для нарезания резьбы — трехгранные сборные резцы; для обработки отверстий и выполнения подрезки — ромбические резцы с твердосплавными пластинами. Все инструменты устанавливаются в резцедержателе в той последовательности, в которой они участвуют в обработке. Точкой отсчета, задаваемой в компьютерной программе управления, является закругление при вершине резца или сама его вершина.

Токарный станок с ЧПУ DMTG модель CKE6150Z

Отличительные возможности современных систем ЧПУ

Анализ современных систем ЧПУ позволяет выделить следующие стратегические направления и технологии, где ведется очень активная разработка:

открытость — предоставление станкостроителю и конечному пользователю возможности реализовывать собственные технологии и встраивать прикладное программное обеспечение в систему ЧПУ. Это дает возможность использовать системы ЧПУ не только для металлорежущих станков, но и в других областях, например, для камер вакуумной сварки тугоплавких материалов [3];
многоканальность — возможность параллельно выполнять несколько управляющих программ на одной системе ЧПУ. Чаще всего эта функциональность используется для многошпиндельной обработки или для совместного управления станком и погрузчиком;
высокоскоростная обработка — для системы ЧПУ это означает короткий такт интерполяции и высокие скорости обработки кадра управляющей программы;
наноинтерполяция — интерполяция с дискретностью вычислений, исчисляемой в нанометрах; практически все современные системы ЧПУ обладают этой функциональностью, но FANUC в качестве маркетингового хода использует ее как зарезервированную марку;
Look-ahead — алгоритм предварительного просмотра кадров (предосмотра), позволяющий обрабатывать контур с максимально возможной подачей и заблаговременно снижать скорость в критических ситуациях для избегания коллизий [4].
сплайновая интерполяция — реализация алгоритмов кубического сплайна, Акима-сплайна, NURBS-сплайна, полиномов и других интерполяций в комбинации с алгоритмом предосмотра кадров (look-ahead) [5];
компрессия кадров — сглаживание контура обработки в управляющих программах путем конвертирования линейных кадров в NURBS-контуры в процессе отработки управляющих программ [6];
удаленное управление — предполагает построение удаленных терминалов и реализацию функций удаленной диагностики и настройки системы ЧПУ [7];
сетевые функции — позволяют интегрировать систему ЧПУ в процесс управления производством и оборудованием. Ведется учет произведенной продукции, контролируется время простоя, отслеживаются плановые ремонты и техобслуживание оборудования [8];
моделирование процесса обработки — ЗD-моделирование процесса резания для предварительного просмотра результатов выполнения управляющих программ, выявления коллизий и сокращения времени обработки;
диагностические функции — логический анализатор (Logic Analyzer) входных/ выходных сигналов для тестирования электроавтоматики, осциллограф для настройки приводов подач, анализатор частотных диаграмм, тест окружности (Circle Test) и др. [9];
язык программирования высокого уровня и инструментарий разработки и отладки управляющих программ на языке высокого уровня. Эту функциональность применяют при разработке стандартных циклов и групповых технологий [10].
приложения цехового программирования — CAD/CAM системы цехового уровня, позволяющие создавать управляющие программы на самой системе ЧПУ, в то время как идет обработка другой детали. Они, как правило, ориентированы на 2,5D обработку;
применение технологии искусственного интеллекта для адаптивного управления [11] и прогнозирования износа инструмента, [12].

Нельзя забывать также об устоявшейся тенденции к унификации оборудования путем реализации все большего числа стандартов и протоколов связи для интеграции в единые системы, как ОРС, TCP/IP, SOAP и д.р. При этом фирмы стремятся выставить на рынок комплексные технологические решения «под ключ», а не разрозненные компоненты.

Приводы и вспомогательные устройства

В токарных станках с ЧПУ невысокой и значительной мощности используют различные типы электродвигателей, которые служат приводом главного движения. В первом случае преимущественно используют электродвигатели постоянного тока, во втором — переменного. Отечественные производители, выпускающие станки данной категории, оснащают их электродвигателями асинхронного типа с четырьмя полюсами, которые способны без сбоев работать даже в самых сложных условиях: при наличии в окружающей атмосфере частичек масла, металлической пыли и мелкой стружки. Не страшны таким электродвигателям и критические перегрузки, которые они успешно переносят.

Приводной механизм настольного токарного станка D250x550 CNC

Для привода механизма подач токарных станков с ЧПУ применяются электродвигатели синхронного и асинхронного типа, но чаще всего используют двигатели первого типа, оснащенные индикаторами обратной связи, тормозными элементами, а также магнитами, изготовленными из редкоземельных химических элементов. Для управления такими двигателями в электрической схеме токарных станков используются цифровые преобразователи.

В том случае, если на оборудовании установлен асинхронный двигатель, для управления им необходим частотный преобразователь, собранный на микропроцессорах. При использовании таких электродвигателей на станках устанавливается специальный программатор, оснащенный экраном графического или цифрового типа.

Панель управления токарного станка Trens

На токарных станках, управляемых компьютерными программами, обязательно устанавливаются вспомогательные устройства, к которым относятся:

загрузочные механизмы;
механизмы, обеспечивающие зажим заготовки;
смазывающие устройства;
устройства, предназначенные для уборки стружки, которая образовывается в процессе обработки;
механизмы, предназначенные для быстрой смены инструментов.

В отличие от подобных приспособлений, использующихся на обычных станках, данные устройства отличаются высокой производительностью и надежностью своей работы.

Подсистема управления ЧПУ

Центральная часть системы ЧПУ — подсистема управления. Она способна читать управляющую программу и отдавать команды разным аппаратам станка на выполнение определенного вида работ. Также она взаимодействует с человеком и позволяет оператору контролировать обработку.

Открытая

Открытые системы управления имеют аппаратную начинку, которая почти такая же, как и у домашнего компьютера. Их достоинство заключается в доступности и дешевизне электронных элементов, многие из которых можно купить в простом компьютерном магазине. Но надежность таких систем ниже, чем у закрытых.

Закрытая

Закрытые системы управления имеют свои алгоритмы и цикл работы, а также свою логику. У таких систем есть одно важное достоинство: они обладают высокой надежностью, так как все их элементы прошли тестирование на совместимость. Минус системы в том, что невозможно самостоятельно обновить систему ПО и редактировать ее настройки.

Принцип работы программного обеспечения

Если мозгом ЧПУ принято считать управляющий модуль, то написанная программа – это принцип его работы. Создание программы заключается в задании координат движения рабочего механизма, скорости вращения и времени смены применяемых рабочих инструментов. При этом программист задает координаты в трех осях. Это может делаться по абсолютному или относительному принципу. В первом случае при составлении программы необходимо каждый раз задавать точку, во втором – величину движения и направление. О типе программного обеспечения и связи управляющих узлов со стойкой расскажет функциональная схема устройства.

Исполнение основной программы происходит одним из трех способов в зависимости от устройства системы управления. Классификация систем выглядит следующим образом:

разомкнутым или однопоточным;
замкнутым или двупоточным;
адаптивным.

Классификационным способом определяется, какая система необходима. В первом случае программа считывается полностью перед выполнением, после чего происходит ее отправка на исполнительный механизм. Системы применяются в основном для простых операций и абсолютно не подходят для станков с серводвигателями. Программа разомкнутых контурных систем довольно часто применяется на токарных станках, не требующих высокой точности.

При замкнутой системе, являющейся частым условием в ходе обработки, программа отсылается на исполнительный механизм по ходу прочтения. При этом обратная связь сообщает ошибку перемещения, а СПУ определяет, какие корректирующие воздействия необходимо отправить в реальном времени. Практически все контурные системы ЧПУ отличаются замкнутой системой.

Адаптивные системы оснащаются двойной обратной связью. Она учитывает не только ошибку перемещения, но и температуру, загрязнение, износ инструмента и другие параметры для более эффективного управления станком. Адаптивные системы позволяют устройству получать посредством обратной связи полные условия резанья и составлять максимально точное корректирующее воздействие. Это нашло широкое применение в металлообрабатывающих станках, большом количестве электромеханических и многофункциональных станков.

Принцип работы ЧПУ

Числовое программное управление требует специальную программу, которая составляется для станка один раз на изготовление каждого вида деталей, после чего устройство ЧПУ способно в автоматическом порядке обрабатывать заготовки до необходимого состояния.

Металлообрабатывающий станок с такой системой состоит из следующих частей:

подсистема управления;
исполнительный механизм;
подсистема обратной связи.

Конструкция системы зависит от размеров станины, на которой размещаются все остальные детали.

Технология и особенности обработки

Если правильно настроить программное управление, появляется возможность обрабатывать различные поверхности заготовки с одной установки. На фрезерном станке, оборудованным ЧПУ, можно выполнить несколько технологических металлорежущих операций:

Зенкерование.
Развёртывание.
Сверление.
Фрезерование криволинейной плоскости.
Обработка цилиндрической поверхности.

Для таких работ используются три координатные оси. Для сложной обработки применяется пять осей. Например, обработка на высокой скорости фасонной поверхности.

Большое количество осей даёт возможность вращать деталь в определённом направлении относительно одной оси и одновременно передвигать инструмент, относительно заготовки. Довольно часто ось шпинделя, наклонённая под определённым углом, становится пятой координатой.

Обработка радиусных галтелей, после соответствующей настройки ЧПУ, происходит за одну фиксацию. Для этого используются специальные концевые фрезы с характерным закруглением режущей кромки.

Любой фрезерный станок с ЧПУ можно модернизировать. Достаточно на рабочий стол добавить поворотный механизм. Аппарат сможет проводить обработку в пяти различных координатах. Правда, такая модернизация уменьшает рабочее пространство фрезерного оборудования.