Станки с ЧПУ: полное руководство по основам

Что такое станок с ЧПУ?

Станок с числовым программным управлением (ЧПУ) — это станок с числовым управлением, оснащенный встроенным компьютером. Этот компьютер называется блоком управления станком (MCU). Числовые данные, необходимые для изготовления детали, передаются станку в виде программы. Программа преобразуется в соответствующие электрические сигналы для управления двигателями, приводящими станок в движение.

Рама станка — это механическая конструкция станка с ЧПУ. Она включает главную приводную систему, систему подачи, станину, рабочий стол и вспомогательные устройства движения, гидравлические и пневматические системы, системы смазки, устройства охлаждения, систему удаления опилок, системы защиты и другие компоненты. Однако, чтобы удовлетворить требованиям числового управления и максимально раскрыть возможности станка, его общая компоновка, внешний вид, структура передачи, инструментальная система и эксплуатационные характеристики претерпели значительные изменения. Механические части станков с ЧПУ включают станину, коробку, колонну, направляющие, рабочий стол, шпиндель, механизм подачи, механизм смены инструмента.

Как работает станок с ЧПУ?

Станки с ЧПУ используют компьютеры для реализации технологии цифрового программного управления. Эта технология применяет компьютер для выполнения последовательных логических функций управления траекторией движения устройства и работой периферийных устройств в соответствии с заранее сохраненной управляющей программой. Поскольку компьютер заменяет исходное устройство числового управления, состоявшее из аппаратных логических схем, функции хранения, обработки, вычисления, логического суждения и других функций управления входными инструкциями могут быть реализованы программным обеспечением компьютера, а микрокоманды, созданные при обработке, передаются для привода двигателей или гидравлических исполнительных механизмов в сервоприводное устройство для управления работой станка с ЧПУ.

Порядок запуска станка с ЧПУ:

1. Написание программы. Согласно чертежу и технологическому процессу обрабатываемой детали, с использованием заданных кодов и формата программы, траектория движения инструмента, технологический процесс, технологические параметры и режимы резания записываются в форму инструкций, распознаваемых системой ЧПУ — то есть пишется управляющая программа.
2. Ввод программы. Написанная управляющая программа вводится в устройство ЧПУ.
3. Декодирование и обработка. Устройство ЧПУ декодирует и обрабатывает введенную программу (код) и передает соответствующие управляющие сигналы на сервоприводные устройства и устройства управления вспомогательными функциями каждой координатной оси для управления движением каждой части станка.
4. Мониторинг и коррекция. В процессе движения система ЧПУ должна постоянно отслеживать положение координатных осей станка, состояние концевых выключателей и сравнивать их с требованиями программы для определения следующего действия до получения качественной детали.
5. Наблюдение оператора. Оператор может в любой момент наблюдать и проверять условия обработки и рабочее состояние станка. При необходимости он корректирует действия станка и программу обработки для обеспечения безопасной и надежной работы.

Декартова система координат

Почти всё, что можно изготовить на обычном станке, можно произвести и на станке с ЧПУ, который имеет множество преимуществ. Движения станка, используемые для изготовления изделия, бывают двух основных типов: точечные (прямолинейные движения) и контурные (непрерывные движения по контуру).

Декартова (прямоугольная) система координат была разработана французским математиком и философом Рене Декартом. С помощью этой системы любую конкретную точку можно описать в математических терминах от любой другой точки вдоль трех перпендикулярных осей. Эта идеально подходит для станков, так как их конструкция обычно основана на трех осях движения (X, Y, Z) плюс ось вращения. На вертикально-фрезерном станке ось X — это горизонтальное движение стола (вправо или влево), ось Y — поперечное движение стола (к колонне или от неё), ось Z — вертикальное движение консоли или шпинделя. Системы ЧПУ в значительной степени опираются на прямоугольные координаты, поскольку программист может точно определить каждую точку на детали. При определении точек на заготовке используются две прямые пересекающиеся линии — одна вертикальная, одна горизонтальная. Они должны быть под прямым углом, а точка их пересечения называется началом координат или нулевой точкой (Рис. 1).

Рис. 1. Пересекающиеся линии образуют прямые углы и устанавливают нулевую точку.

Рис. 2. Трехмерные координатные плоскости (оси), используемые в ЧПУ.

Трехмерные координатные плоскости показаны на рис. 2. Плоскости (оси) X и Y горизонтальны и представляют горизонтальные движения стола станка. Плоскость или ось Z представляет вертикальное движение инструмента. Знаки плюс (+) и минус (-) указывают направление от нулевой точки (начала координат) вдоль оси движения. Четыре квадранта, образующиеся при пересечении осей XY, нумеруются против часовой стрелки (Рис. 3). Все положения в квадранте 1 будут положительными (X+) и положительными (Y+). Во втором квадранте — отрицательные X (X-) и положительные (Y+). В третьем — отрицательные X (X-) и отрицательные (Y-). В четвертом — положительные X (X+) и отрицательные Y (Y-).

Рис. 3. Квадранты, образующиеся при пересечении осей X и Y, используются для точного определения точек от нуля X/Y.

На рис. 3 точка А находится на 2 единицы правее оси Y и на 2 единицы выше оси X. Предположим, что каждая единица равна 1.000. Координаты точки А: X + 2.000 и Y + 2.000. Для точки B: X + 1.000 и Y - 2.000. В программировании ЧПУ не обязательно указывать знаки плюс (+), так как они подразумеваются по умолчанию. Однако знаки минус (-) должны указываться обязательно. Например, координаты точек А и B записываются так:

A X2.000 Y2.000
B X1.000 Y-2.000

Компьютерная система подключается к станку, состоящему из датчиков и электроприводов. Программа управляет движениями осей станка.

Каковы самые распространенные типы станков с ЧПУ?

Ранние станки проектировались так, что оператор стоял перед станком, управляя им вручную. В станках с ЧПУ это больше не требуется, так как оператор не управляет движениями режущего инструмента напрямую. На обычных станках только около 20% времени уходило на удаление материала. С внедрением электронного управления фактическое время резания выросло до 80% и выше. Также сократилось время на установку режущего инструмента в каждую рабочую позицию.

Существует 10 самых распространенных типов станков с ЧПУ, применяемых в различных отраслях:

1. Фрезерные станки с ЧПУ (CNC Mills)
2. Копироовочные станки с ЧПУ (CNC Routers)
3. Лазерные станки с ЧПУ (Лазерные резаки, граверы, сварочные аппараты)
4. Токарные станки с ЧПУ (CNC Lathes)
5. Сверлильные станки с ЧПУ (CNC Drills)
6. Расточные станки с ЧПУ
7. Шлифовальные станки с ЧПУ (CNC Grinders)
8. Станки электроэрозионной обработки (EDM)
9. Плазменные резаки с ЧПУ (CNC Plasma Cutters)
10. 3D-принтеры