Что такое станки с ЧПУ, и какие технологические операции они выполняют

Что такое ЧПУ и как расшифровать эту аббревиатуру? Это сокращенное обозначение Числового Программного Управления — компьютеризованной системы, которая контролирует работу исполнительных органов (суппорта, шпинделя, поворотного стола) на производственных станках.

Приводы, получив команду от системы ЧПУ, начинают перемещать рабочий орган по траектории описанной в управляющей программе (УП) станочного оборудования. УП это, по сути, набор команд в виде G и М-кодов — языке программирования ЧПУ. УП остается в памяти системы, и оператор (обученный токарь или механик) всегда может ее отредактировать, скопировать, или составить новую из блоков.

Станки с числовым программным управлением используются практически в каждой отрасли народного хозяйства. С их помощью делают изысканные деревянные панно и мебель, изготавливают рекламные сувениры и макеты, вытачивают игрушки. Но их основное назначение — это, конечно же, металлообработка.

У этого оборудования много плюсов. Высокая производительность — один станок с ЧПУ заменяет собой 5-6 обычных машин. Управление ЧПУ станками сводится к наладке и контролю по заданной схеме, поэтому потребность в грамотных токарях и квалифицированных фрезеровщиках сразу падает. Но за преимущества приходится платить, а в случае как со станком ЧПУ сэкономить не удастся.

Целесообразность применения

Когда, в условиях производства, выгодно приобретать оборудование с программным управлением?

• Деталь стоит очень дорого (вал или лопатки турбин, авиационные запчасти, детали медицинского оборудования), а значит, нужно исключить саму вероятность ошибки.
• Изделия выпускаются серийными партиями.

• Деталь имеет сложную поверхность. Для ее механической обработки потребуется выполнить множество технологических операций.
• В процессе изготовления детали возможны небольшие изменения в ее конструкции. На станке ЧПУ изменения в управляющую программу можно внести сразу с пульта оператора агрегата.
• У детали маленький квалитет по допуску (первые 6 из 19). Если на станках установлено числовое программное управление, то допустимые отклонения в размерах изготавливаемой детали определяются дискретным шагом привода, который не превышает 3 мкм.

Классификация станков ЧПУ, их характеристика и обозначения

Для расшифровки обозначений моделей станков используются буквенно-цифровые обозначения, поэтому вы должны знать, какую букву (цифру) используют для определения степени автоматизации, класса точности, назначения станка.

Технологические группы

Если проводить классификацию станочного оборудования по виду основных операций, то их можно разделить на следующие технологические группы:

• Фрезерная группа и сверлильно-расточная. Так как современное фрезерное оборудование довольно универсально, и может растачивать, сверлить, зенкеровать, то грань между фрезерной, сверлильной и расточной группой довольно условна.
• Токарная.
• Шлифовальная.
• Зубообрабатывающая.
• Многоцелевые станки или обрабатывающие центры.

Этой же классификацией каждой из групп присвоен свой номер. У токарных станков — 1-й номер, фрезерных — 6-й, сверлильных и расточных — 2-й, у разных станков — 9-й. Когда приходится расшифровывать маркировку, обращайте внимание на первую цифру. Именно она означает технологическую группу оборудования.

Степень автоматизации

В управляющих системах СЧПУ, которыми оборудуются станки с программным обеспечением, тоже есть свои схемы классификации. Здесь разделение идет по следующим параметрам:

1. Назначение. Выпускаются позиционные, прямоугольные, непрерывные, комбинированные станочные системы управления.
2. Способ загрузки. Программное обеспечение в систему может устанавливаться через диск, флеш-носитель, магнитную или перфорированную ленту.
3. Тип привода: шаговый, ступенчатый, регулируемый.
4. Число управляемых (одновременно) координат и погрешности их задания.

Степень автоматизации оборудования обозначается Ф «N», и в его маркировке стоит на последнем месте.

• Ф1 — механизм оснащен устройством цифровой индикации. Координаты перемещения вводятся с клавиатуры, каждый раз на один кадр программы.
• Ф2 — в оборудовании используется позиционная (в сверлильных и координатно-расточных группах) или прямоугольная (во фрезерных, токарных и расточных группах) система управления.
• Ф3 — оборудование с контурными или непрерывными СЧПУ. Используя их можно обрабатывать поверхности любой степени сложности.
• Ф4 — ЧПУ станком управляет многооперационная комбинированная СЧПУ, в которой совмещаются возможности контурного и позиционного управления.
• Ц — цикловое программное управление. Самая дешевая и простая система автоматизации. Устанавливается на машины для производства однотипных деталей. Система циклового управления используется на станках с 2-3 точками позиционирования.

В маркировку обязательно вводятся индексы, отражающие наличие устройств автоматической смены инструмента (АСИ). Обозначаются они буквами: «Р» — смена и фиксация инструмента, осуществляются поворотом револьверной головки, «М» — смена инструмента из специального барабана, так называемого, инструментального магазина. В маркировке моделей отечественных станков ЧПУ это буквенное обозначение ставят перед видом системы программного управления Ф «N».

Основные параметры станков ЧПУ

Для сверлильной группы это — самый большой диаметр сверления, для расточной — диаметр шпинделя, для фрезерной — ширина рабочей поверхности стола, оборудование токарной группы характеризует максимально возможный диаметр обрабатываемого отверстия.

Как расшифровывается маркировка модели станка? Например, у нас есть станок 1А616Ф3. Расшифровка будет следующей: станок токарный (1 группа), усовершенствованный (после номера группы добавлена буква А), относится к типу токарных и лобных станков (6 тип), у оборудования 16 типоразмер (выбирается по максимальному диаметру обрабатываемой детали), с установленной контурной системой СЧПУ.

Принцип программирования

Что такое ЧПУ? Если говорить о комплектации, то система состоит из:

• Шкафа с пультом оператора.
• Дисплея.
• Контроллера управления — устройства, обрабатывающего информацию УП и управляющие работой приводов.
• Постоянного и оперативного запоминающего устройства (память).

В первую очередь работа этих устройств направлена на оперативное и корректное выполнение команд управляющей программы (УП). Но кто, и как ее пишет? Если вы хотите знать все о станках с ЧПУ, без этой информации не обойтись.

Для создания управляющей программы можно воспользоваться одним из предложенных методов:

А) Ручное программирование. Программная часть УП пишется технологом, который путем ввода числовых данных задает координаты перемещения рабочего органа вручную. Это трудоемкий и кропотливый процесс, поэтому его применение оправдано только если на производстве всего несколько автоматизированных станков, и они ориентированы на изготовление простых деталей.

Б) Программирование с пульта оперативной системы числового программного управления (shop-floor). УП пишется с использованием сенсорного экрана и джойстика, расположенных на стойке станка. Модели пятого поколения при вводе управляющей программы могут использовать диалоговый режим. Оператор ЧПУ, в любой момент, может протестировать программу или провести ее коррекцию.

В) Метод программирования с помощью систем САПР и CAM. Используется при написании программ для изготовления сложных деталей, с большим количеством задействованных операций. Программные средства управления пишутся в несколько этапов.

• С помощью графических программ САПР (AutoCAD, Solid, Catia, Компас) инженеры создают электронный чертеж детали.
• В программу САМ (SheetCam, Kcam. MeshCam, CorelDraw) загружается полученный графический файл, предварительно преобразованный в формат DXF, Exeilon, HPGL, Gerber. Таким образом импортируется геометрия детали. Задача программиста-технолога описать траекторию движения рабочего органа путем задания чисел, выбрать способ обработки из предложенных вариантов, назначить рабочий инструмент. Параллельно процессу написания программы на экране происходит ее визуализация (функция бэкплот).
• Создается промежуточный Cl-файл на базе информации полученной из предыдущего этапа. Этот файл обрабатывается специальной программой, которая называется постпроцессор или паспорт. На выходе получают управляющую программу в соответствии с форматом конкретного станка. В этой УП команды уже сгенерированы в виде G- и М-кодов.

Требования к подобному программному обеспечению, как вы понимаете, довольно высоки. УП стоит тысячи долларов и токарем она не пишется.

Станки фрезерные с ЧПУ

Основное назначение станков этой группы — фрезерование, как простых плоских деталей, так и изделий сложной пространственной формы. Современные фрезерные станки с ЧПУ ориентированы на выполнение большого числа технологических операций. Кроме фрезерования на них можно раскраивать листовой металл, обрабатывать заготовку под разными углами, выбирать пазы. Чтобы расширить спектр работ эти металлорежущие механизмы оснащаются устройствами АСИ — револьверными шпиндельными головками или инструментальным магазином.

Количество хранимых в одном магазине инструментов впечатляет — есть магазины на 300 инструментов!

Промышленностью выпускаются следующие виды фрезерных станков:

• Вертикально-фрезерные. Шпиндель расположен вертикально (перпендикулярно столу). Применяются при обработке заготовки с одной из сторон.
• Горизонтально-фрезерные. Шпиндель устанавливается параллельно плоскости стола. Оборудование используется для многосторонней обработки.

Из-за конструктивного разнообразия классификация фрезерных станков с ЧПУ становится затруднительной. Независимо от того, к какому из видов (вертикальная или горизонтальная компоновка), относится фрезерный станок ЧПУ, он может быть консольным или бесконсольным, иметь один или несколько шпинделей, управлять одновременно движением по трем (и более) координатам.

Согласно установленной на станке СЧПУ выделяют следующие типы фрезерных станков:

• С позиционным управлением. На этих программах работает сверлильно-фрезерное оборудование.
• С контурным управлением. Эти виды станков используются для фрезерования сложных криволинейных поверхностей.
• С комбинированным (смешанным) управлением. Станок, работающий на этой системе, используется для комплексной обработки деталей.

Конструктивные особенности фрезерного станка с ЧПУ

• Мощная станина, корпус, укреплённый ребрами жесткости.
• Высокие показатели жесткости шпинделя.
• Одинаково хорошее качество обрабатываемой поверхности как при встречном, так и при попутном фрезеровании.
• Оборудование оснащено высокоточными винтами и рельсовыми направляющими качения для горизонтального перемещения рабочих органов.

Номенклатура фрезерных металлорежущих станков исчисляется сотнями моделей. Здесь не редкость оборудование длиной 10 м и более. Но есть в этой группе и настоящие «малютки» — мини фрезерные станки с программным управлением, которые помещаются на обычный стол. Таким станком с ЧПУ пользуются в основном владельцы небольших мастерских — для мелкосерийного производства однотипных деталей из металла, дерева, стекла, пластика.  И хотя мощность такого станка не превышает 750 Вт, а габарит — одного метра, его конструкция в целом аналогична крупным заводским станкам.

Мини станки с ЧПУ оборудуются шаговым приводом (сервоприводом) для перемещения каретки, шпинделем, который поворачивается в любом угловом направлении, регулируемым по высоте столом. Управляющая программа, как правило, идет в комплекте с оборудованием и подключается через обычный ПК.

Станки токарные с ЧПУ

На токарном станке обработка производится резцом со сменными пластинами. Он закрепляется в резцедержателе, который вместе с салазками и поворотной плитой входит в узел суппорта. Токарный станок с ЧПУ может быть оборудован кассетным резцедержателем (вмещает до 12 инструментов). Заготовка зажимается в токарном патроне, закрепленном на вращающемся шпинделе. Рабочие органы токарного станка приводятся в движение приводными механизмами, причем скорость вспомогательного хода практически всегда делается выше скорости рабочего.

Классификация токарных станков с ЧПУ по виду выполняемых работ

На сегодняшний день широко используется несколько типов этого оборудования:

• Центровые. Обработка заготовки производится по контуру деталей цилиндрической и конической формы, фасонных поверхностей. Основной способ обработки — точение.
• Патронные. Нарезают резьбу, зенкеруют, сверлят, обтачивают заготовки под фланцы, шестерни, диски, втулки. Токарные станки этого вида могут применяться для обработки как внутренней, так и внешней поверхности деталей.
• Патронно-центровые. Универсальные токарные станки, успешно совмещают технологические возможности по обработке патронных и центровых механизмов.
• Карусельные. Используются для металлообработки крупногабаритных заготовок, деталей неправильной формы. Одностоечные карусельные ЧПУ станки применяют, если диаметр заготовки не превышает 2 м. Для заготовок с диаметром до 12…15 метров потребуются двухстоечные токарные станки ЧПУ.

Конструктивные характеристики

• Для токарных станков с ЧПУ характерна вертикальная или круто наклоненная компоновка. При такой конструкции стружка легче удаляется из рабочей зоны, оборудование с ЧПУ занимает меньшую площадь, можно подключить к станку автоматическое загрузочное устройство любого типа.
• Все несущие конструкции станка выполняются более жесткими, за счет увеличения толщины металла и дополнительных ребер жесткости.
• Токарные станки с ЧПУ оборудуются инструментальными сменными магазинами или автоматическими револьверными головками, которые ставятся на место резцедержателя.

Многоцелевые станки (обрабатывающие центры)

Многоцелевые станки на числовом программном управлении обеспечивают комплексную обработку детали без ее перебазирования. МЦС оборудуются комбинированными (смешанными) системами программного управления. С ЧПУ что устанавливается на этом оборудовании, можно зенкеровать, растачивать, раскраивать, фрезеровать, нарезать резьбу на металлических заготовках, нарезать фаски на торцах труб. Если обрабатывается заготовка плоской детали или детали корпуса, то используют МЦ сверлильно-расточной группы.

Для металлообработки заготовок валов, втулок, фланцев и шестерен потребуется МЦ токарно-шлифовальной группы.

Конструктивные особенности

• Практически всегда в комплектацию оборудования входят сменные инструментальные магазины. Настройка инструмента на размер происходит заранее.
• Обрабатывающие центры оборудованы поворотными столами, которые обеспечивают перемещение заготовки в разных плоскостях. В комплектацию современных обрабатывающих центров могут входить переналаживаемые приспособления-спутники по смене заготовок.
• В конструкции используются малоинерционные высокомоментные электродвигатели, отличающиеся высоким быстродействием и способностью развивать высокий крутящий момент на малых частотах.

По компоновке МЦС подразделяются на:

• Горизонтальные. Предназначаются для односторонней обработки заготовок с большими габаритами, но это только если не использовать поворотных приспособлений. В этом случае при одном закреплении деталь можно обработать сразу с нескольких сторон.
• Вертикальные. Предназначаются для обработки заготовки с 2-5 сторон. В таких станках головка шпинделя, с помощью специальных поворотных приспособлений, может поворачиваться вдоль горизонтальной (или вертикальной) оси.

Проблемы

Хотите узнать все о станках ЧПУ? Что же, тогда промолчать о проблемах будет некорректным. Есть определенные сложности на этапе постпроцессирования СПУ. По идее G и М-коды должны быть универсальны для всех станков, и если программист пишет в УП код M5, то предполагает, что эта команда остановит шпиндель, а не запустит цикл сверления. Но, по факту, зачастую возникает масса нестыковок, и станок не может правильно отработать запрограммированные перемещения. Еще одна проблема — недостаток квалифицированных наладчиков и технологов-операторов.

Для молодых специалистов программное управление станками — открытая книга, но они плохо разбираются в технологии обработки металла или дерева. Опытные токаря и слесаря, напротив, не знают компьютера, и их приходится обучать работе с фрезерным, расточным или токарным станком буквально заново, с нуля. Словом, проблема, о которой говорили уже давно, (в стране не хватает грамотных токарей и программистов) распространяется и на эту сферу производства.

Что же, проблемы есть, но главное — они решаемы. Тот, кто хоть раз видел, что такое ЧПУ, и как работает станок по программному управлению, уверен — за автоматизированным оборудованием будущее, и в этом сомнений нет.