Станки с ЧПУ — виды, преимущества, сферы применения

• Основные характеристики станков с ЧПУ
• Виды оборудования с числовым программным управлением
• Степень автоматизации ЧПУ станков
• Сферы применения ЧПУ станков
• Преимущества использования оборудования с ЧПУ
• Типы станков
•       Лазерные станки
•       Сверлильные устройства
•       Токарные станки
•       Фрезерные станки
•       Плазменные станки
•       Станки с ЧПУ для домашнего пользования
•       Многоцелевые обрабатывающие центры с ЧПУ
• Принцип программирования
• Порядок действий наладчика и оператора
• Вывод

Основные характеристики станков с ЧПУ

Числовое программное управление - это выполнение обработки материалов автоматизировано, без необходимости присутствия и контроля персонала. Производственный процесс, в котором высокоточная компьютерная программа управляет движением различных инструментов и машин на заводе. Таким образом, компьютеры могут с предельной точностью управлять сложными движениями станка. Примеры станков, которыми можно управлять с помощью станков с ЧПУ, включают фрезерные, токарные, сверлильные, лазерные и другие. Полноценный процесс обработки ЧПУ зависит от CAD и CAM. CAD - это автоматизированное проектирование, а CAM - это автоматизированное производство. Отличительная черта этого механизма, в том, что он создает деталь отделением лишнего материала от заготовки, а не прибавлением нового. Станки с ручным управлением не способны работать с многими материалами и сложными изделиями, а станки с ЧПУ способны производить объекты любой сложности и обрабатывать любое сырье: дерево, сталь, алюминий, латунь, медь, титан, стекловолокно, полипропилен и др.

Виды оборудования с числовым программным управлением

Классификация станочного оборудования на технологические группы по виду операций, которые они проводят: 

• Фрезерное и сверлильно-расточное оборудование;
• Лазерные резаки; 
• Плазмотроны;
• Токарные станки;
• Шлифовальные станки;
• Зубообрабатывающие станки;
• Многоцелевые станки или обрабатывающие центры.

Степень автоматизации ЧПУ станков

Станки ЧПУ с программным обеспечением классифицируют по степени автоматизации управляющей системы. Классификация происходит по следующим параметрам:

• Назначение. Позиционные, прямоугольные, непрерывные, комбинированные станочные системы управления. 
• Загрузка программного обеспечения. Загрузка в систему осуществляется через диск, флеш-карту, магнитную или перфорированную ленту.
• Тип привода: шаговый, ступенчатый, регулируемый. 
• Число одновременно управляемых координат и погрешности их задания.

Степень автоматизации ЧПУ станков обозначается буквой Ф. На маркировке станка эта буква находится на последнем месте.

• Ф1 — Оснащение цифровой индикацией. Координаты перемещения вводятся один раз на один кадр.
• Ф2 —Станки с позиционной (сверлильные и координатно-расточные) и прямоугольной (фрезерные, токарные группы) схемой управления.
• Ф3 — ЧПУ станки с контурным или непрерывным управлением для обработки сложных поверхностей. 
• Ф4 — многооперационная комбинированная система управления. Выполняет функции контурного и позиционного управления.
• Ц — циклическая система управления. Простая система для изготовления однотипных изделий. Применяется для оборудования с 2-3 точками позиционирования.

Маркировка оборудования также имеет индекс АСИ - Автоматическая смена инструмента.

Обозначения наличия у станка автоматической смены:

• Р – посредством поворота головки револьверного типа; 
• М – из «магазина» – специально предназначенного барабана. 

Данное буквенное значение находится перед видом системы программного управления Ф.

Рис. 1. Маркировка металлорежущего ЧПУ станка

Сфера применения ЧПУ станков

Станки с ЧПУ обширно используются практически во всех секторах промышленной индустрии и хозяйственном производстве.

Обработка металла и многие виды машиностроения. На сегодняшний день большая часть деталей сложной формы, выпускается на станках с ЧПУ. Например:

• морские контейнеры;
• рекламные установки;
• механизмы строительного назначения;
• разные элементы бытовой техники;
• торговая и холодильная техника;

В машиностроительной сфере применяются при производстве:

• Панелей кузова;
• Пусковых двигателей;
• Моторных отсеков и головки цилиндров;
• Коробок передач;
• Специальных запчастей.   

Рис. 2. Производство на станках ЧПУ

Изготовление электроприборов. Оборудование применяется для создания печатных плат, на производстве цифровых считывающих устройств и систем числового контроля, для изготовления лицевых панелей и корпусов, утеплителей, радиаторов и розеток. Прецизионные станки часто применяются при производстве оборудования и обработки электронных компонентов, а также независимых машинных систем, полупроводников и электронной промышленности.

Производство мебели. Производство мебели на станке с ЧПУ, это процесс обработки, в котором используются компьютеризированные системы управления и вращающиеся многоточечные режущие инструменты для постепенного удаления материала с заготовки и производства детали или изделия. Этот процесс подходит для обработки широкого спектра материалов, таких как металл, пластик, стекло и дерево. Станки с ЧПУ выпускают  сложные и простые мебельные фасады, производят раскройку. С помощью него можно обрабатывать различные древесные породы. Например изготовление деревянного стула и все последующие детали проектируются с помощью программного обеспечения CAD  для автоматизированного проектирования. Эта компьютерная программа позволяет дизайнерам деревянной мебели создавать виртуальные 3D-модели мебели, которая должна быть изготовлена.  В мебельном производстве оборудование с ЧПУ включает в себя раскроечный станок ЧПУ с многоголовочным сверлом, станок для бокового сверления и станок для шестистороннего сверления.

 

Рис. 3. Фрезерный станок с ЧПУ для работы с деревом

 

Рис. 4. Токарный станок ЧПУ

 

 

Аэрокосмическая отрасль. Станки с ЧПУ используют для аэрокосмического производства самолетов, вертолетов и космических аппаратов при обработке крупноформатных алюминиевых и композитных панелей. Чрезвычайно высокий уровень точности, необходимый в аэрокосмической промышленности, делает обработку с ЧПУ подходящим производственным процессом для этого сектора. Детали самолетов, начиная от втулок, петель, зажимов и других нестандартных деталей, должны изготавливаться из высококачественных материалов. Это делается для того, чтобы эти компоненты самолета функционировали должным образом, не создавая какой-либо опасности. Вот почему титан наиболее часто используется для аэрокосмических элементов. Могут использоваться и другие материалы: алюминий, нержавеющая сталь, медь, бронза и некоторые виды пластика. Детали, которые можно изготовить на ЧПУ-станках для аэрокосмической отрасли:

• Элементы шасси;
• Титановые обшивки;
• Втулки;
• Многослойные и сотовые панели;
• Крылья самолета;
• Коллекторные трубы.

 

Рис. 5. Производство деталей для аэрокосмической промышленности

 

Рис. 6. ЧПУ станок

Медицинская сфера. В сфере здравоохранения оборудованием с ЧПУ делают обработку мелких деталей. Изготавливают различное техническое оснащение и механизмы для поддержания жизни человека. С помощью станков с ЧПУ прецизионные медицинские детали также могут подвергаться комплексной чистовой обработке поверхности, чтобы гарантировать отсутствие дефектов поверхности. Применение ЧПУ-обработки в медицине включает производство:

• Хирургические медицинские инструменты (хирургические ножницы, биопсийные трубки, рукоятки лезвий, резцы, пилы, щипцы, держатели имплантатов, зажимы);
• Рентгеновские аппараты;
• МРТ-сканеры; 
• Создание телесных имплантов;
• Титановых протезов суставов и костей;
• Части кардиостимулятора.

Преимущества использования оборудования с ЧПУ

Растущий спрос на станки с ЧПУ объясняется множеством преимуществ: 

• Автоматизированный процесс работы. Влияние персонала на производственный процесс минимизируется, уменьшаются издержки на заработную плату;
• Автоматическое производство способствует минимальным рискам травм персонала и улучшает безопасность. 
• Высокая точность при изготовлении детали и возможность неоднократного повторения конечного итога технологического процесса. Это необходимая часть массового производства;
• Оперативность перепрофилирования оснащения для выпуска разных элементов. Необходимо изменить программное обеспечение, загруженное в станок. Число вероятных вариантов ограничивается только наличием тех или иных программ;
• Возможность изготовления сложных по конфигурации или больших по объему деталей. Многие из них не могут быть сделаны на оборудовании с ручным управлением;
•  Бесперебойная система необходима для исправной организации работы производства.

Основные элементы станков с ЧПУ

Станки с ЧПУ являются сложным оборудованием по инженерным и конструктивным характеристикам. С помощью них можно осуществлять мониторинг взаимосвязей в режиме реального времени, увеличить эффективность производства и точность обработки материалов. Они состоят из следующих элементов:

• Устройство обработки деталей. Для обработки материала необходимо контролировать вращение, движение и скорость. Устройство обработки деталей с помощью закодированных инструкций осуществляет полный контроль за процессом работы и всеми дополнительными функциями станка;
• Устройство для ввода данных. Этим устройством вводится программа для обработки при управлении ЧПУ; 
• Программа управления станком. Блок управления станком это центральная часть механизма ЧПУ. Он осуществляет ряд важных функций в процессе производства:

• Распознавание и расшифровка заложенной программы управления;
• Организация интерполяций (линейных, круговых и спиральных). Создание команд перемещения по осям;
• Для точного положения станка используется усиление и управление работой приводных двигателей, винтовых передач; 
• Осуществление команд движения оси в схемы усилителя для управления механизмами оси.
• Контроль местонахождения и скорости привода оси обрабатываются с помощью сигналов обратной связи;
• Управление дополнительными функциями управления;
• Система обратной связи. Измерительная система обратной связи следит за положением режущего инструмента за счет датчиков местоположения. 

 

Рис. 7. Программа управления станком

 

Рис. 8. Пульт управления ЧПУ станком

Виды станков с ЧПУ

Станки по виду работы инструмента обработки

• Точечный: При точечной работе инструмента регулируется процесс работы станка в определенном положении. Инструмент движется от одной до другой точки; 
• Контурный: Материал передвигается в процессе обработки относительно режущего инструмента. 

Система управления (разомкнутая и замкнутая)

• Разомкнутая: Заложенная программа идет в блок управления через устройство ввода данных. Затем блок управления преобразует эти инструкции в электрические импульсы (сигналы) и отправляет их в сервоусилитель для пуска сервомоторов, но не обладают обратной связью.
• Замкнутая: с замкнутым контуром оснащены системой обратной связи для контроля фактической производительности и исправления расхождений с запрограммированными данными.

Лазерные станки

Лазерные станки - это профессиональное оборудование, предназначенное для резки, гравировки, маркировки, сварки и очистки различных материалов. Лазерные станки отличаются энергоэффективностью и медленным использованием расходных материалов. 

Два типа лазерных станков с ЧПУ :

• с CO2 излучателем;
• с оптоволоконным твердотельным иттербиевым излучателем. 

Станки CO2  могут обрабатывать: медь, латунь, нержавеющую сталь и их сплавы, а также неметаллы и фанеру. Используется для резки паронита, резины, керамики, бумаги, картона и меха.

 

Рис. 9. Лазерный станок для резки металла

 

Рис. 10. Лазерный станок c ЧПУ 900х1300 мм 100Вт

 

Сверлильные устройства

Сверлильный станок с ЧПУ обычно применяется для массового производства. Многие сверлильные станки часто имеют многофункциональный обрабатывающий центр. Самый быстрый станок состоит из нескольких шпинделей в револьверной головке с предварительно установленными сверлами разных диаметров. Этот тип станка может выполнять развертывание, зенкерование и нарезание резьбы в отверстиях. Они с высокой точностью выполняют весь комплекс сверлильно-фрезерных операций с заготовками различной формы.

 

Рис. 11. Радиально сверлильный станок с ЧПУ

 

Рис. 12. Сверлильное устройство с ЧПУ

 

 

 Система ЧПУ FANUC 0-MC используется для сверлильных станков и обрабатывающих центров.

Токарные станки

Станки обладают высокой производительностью и применяются в серийном производстве. Они имеют меньшее количество осей, чем фрезерные станки с ЧПУ. Обладают упрощенной кинематикой, выдерживают большие нагрузки, точно перемещаются и могут обрабатывать материал многоинструментальным способом. Токарный станок с ЧПУ имеет специальный резец, который закрепляется в держателе. Также в комплекте имеется кассетный резцедержатель. Вместимость кассетного резцедержателя до 12 рабочих инструментов

Разновидности токарных станков с ЧПУ:

• Центровые. Обрабатывают элементы конической и цилиндрической формы способом точения;
• Патронные. Используются для резьбы, сверления, зенкерования, затачивания различных механизмов;
• Комбинированные (патронно-центровые). Эффективное оборудование, совмещающее в себе функции центрового и патронного видов станка;
• Карусельные. Предназначены для работы с материалом большого размера или сложных необычных форм. Есть два вида: одностоечные (для обработки заготовок диаметром до 2 метров) и двухстоечные (обработка больших деталей).

 

Рис. 13. Токарный станок с ЧПУ

 

Рис. 14. Настольный токарный станок с ЧПУ

Система ЧПУ для токарных станков FANUC. Высокопроизводительные PowerMate 0 используются для работы с маленькими двухосевыми токарными станками. Они обладают легким управлением, могут быть оснащены CRT/MDI и китайским дисплеем или DPL/MDI. Имеет хорошее соотношение цена/качество.

Фрезерные станки

Фрезерные станки являются одними из наиболее распространенных типов станков с ЧПУ, которые имеют встроенные инструменты резки. Материалы располагаются внутри фрезерного станка с ЧПУ, после чего компьютер приводит инструменты для их сверления или резки в работу. Используются для фрезерования деталей, удаления материала из заготовки, имеющих как простую плоскую форму, так и сложную пространственную конфигурацию. Может одинаково эффективно фрезеровать прочную древесину, жесткий пластик и даже легкий металл. Основная задача с помощью вращения режущих инструментов фрезеровка деталей, а дополнительно выполняет раскрой листовых материалов, обработку исходной заготовки под разными углами, выбирание пазов.

 

Рис. 15. Фрезерный станок с ЧПУ

 

Рис. 16. Фрезерный станок

Плазменные станки

Плазморежущие станки с ЧПУ используются для резки материалов. Они отличаются от фрезерных тем, что выполняют эту операцию с применением плазменного резака. Станок плазменной резки определяется как способ, который режет электропроводящие материалы с помощью ускоренной струи горячей плазмы. Эти типы станков с ЧПУ оснащены мощным резаком, способным разрезать грубые материалы, такие как металл.

 

Рис. 17. Плазменный станок с ЧПУ

 

Рис. 18. Плазменный ЧПУ станок для резки металла

Станки с ЧПУ для домашнего пользования

Станки для дома отличаются габраритами, небольшой производительностью и мощностью. Малогабаритные станки подойдут для использования в маленьких помещениях и за счет маленькой мощности домашнего станка, шум от его работы будет минимальным. Универсальные домашние станки могут выполнять различные виды обработки всевозможных материалов.

Многоцелевые обрабатывающие центры с ЧПУ

Многоцелевые станки с числовым программным управлением предоставляют возможность всесторонней обработки детали заготовки без ее перемещения. Многоцелевые станки оснащены комбинированными (смешанными) системами программного управления. С помощью данного устройства можно зенкеровать, сверлить, растачивать, резать, фрезеровать и выполнять резьбу на металлозаготовках. При обработке заготовки плоской детали или детали корпуса используются МТ расточно-сверлильной группы. 

В соответствии с расположением, МЦС классифицируются следующим образом: 

Горизонтальные. Они рассчитаны на одностороннюю обработку заготовок крупных размеров, если не используются поворотные устройства. В этом случае при одном зажиме заготовка может быть обработана с нескольких сторон. 

Вертикальные. Предназначены для проведения обработки заготовок с 2-5 сторон. В данных установках шпиндельная головка с использованием специальных поворотных устройств может вращаться вдоль горизонтальной (или вертикальной) оси.

 Рис. 21. Вертикальный и горизонтальный обрабатывающий центр

Принцип программирования

Работа контроллера управления направлена на оперативное и правильное выполнение команд управляющей программы (УП). Создать программу управления станка можно с помощью следующих способов:

1) Ручное программирование. Технолог производства вводит числовые комбинации для координат перемещения рабочего инструмента вручную. Способ трудоемкий и подойдет только для выполнения простых операций на станке.

2) Программирование с пульта оперативной системы числового программного управления. Управляющая программа составляется на сенсорном экране и пульте управления. С помощью данного метода можно провести предварительный тест-драйв оборудования и откорректировать праметры. 

3) Программирование технологиями САПР и CAM. Применяется для создания программ по изготовлению сложных изделий, с большим количеством выполняемых действий. Программа управления создается в несколько этапов.  В графических программах САПР (AutoCAD, Solid, Catia, Компас) создается электронный чертеж изделия.  Преобразованный файл в формате  DXF, Exeilon, HPGL, Gerber импортируется в программу САМ (SheetCam, Kcam. MeshCam, CorelDraw). Технолог создает схему движения рабочего инструмента, задает определенные числа и выбирает способ обработки. Весь процесс написания отображается на экране. Полученный Cl-файл обрабатывается постпроцессором. После обработки создается упавляющая программа с сгенерированными командами в виде G- и М-кодов.

Рис. 22. Программирование станков с ЧПУ 

Порядок действий наладчика и оператора

Порядок действий наладчика

• выбрать инструмент из таблицы, проконтролировать его исправность и заточенность;
• установить нужные размеры;
• зафиксировать рабочий инструмент и патрон, удостовериться, что они прочно закреплены;
• перевести переключатель в положение "от себя";
• провести испытание на холостом ходу;
• убедиться, что лентопротяжный механизм работает в исправном режиме, ввести перфорированную ленту;
• закрепить деталь, перевести в режим "по программе";
• выполнить обработку первого компонента, замерить геометрию, выполнить корректировку;
• повторить обработку, сверить размеры;
• переключить станок в положение "автомат".

Порядок действий оператора

• сменить смазочные материалы и картриджи со смазкой;
• убрать рабочую зону;
• протестировать гидравлику, пневматику, точность заданных значений.
• Запустить тестовую программу, а затем удостовериться, что все крепления надежно зафиксированы и нет никаких нарушений. 

Если все в порядке, можно:

• закрепить деталь;
• ввести программу;
• подать перфорированную ленту;
• нажать старт;
• произвести измерение детали, сравнив ее с образцом.

Вывод

Станок с ЧПУ управляется компьютерами и используется для повышения производительности, сокращения отходов и даже устранения риска человеческой ошибки. Обработка с ЧПУ может применяться для самых разных машин и задач. Благодаря обработке с ЧПУ устройствами можно управлять дистанционно, что повышает безопасность на рабочем месте. По мере развития технологий обработка с ЧПУ становится все более распространенной. Оператор станков с ЧПУ может использовать этот тип программирования для производства высококачественных деталей на заказ быстрее, чем когда-либо прежде.