Устройство станка с ЧПУ

  Статья рассказывает об устройстве станка с ЧПУ и будет интересна тем, кто хочет приобрести станок с ЧПУ и студентам изучающих работу станков с ЧПУ. Для счастливых обладателей станков и тех, кто работает с ними статья может быть полезна для обобщения знаний о станках с ЧПУ. Статья ориентирована именно на объяснение особенностей устройства станков с ЧПУ и базовый принцип их работы. Если Вам интересны станки с ЧПУ, устройство и программирование их, то это статья для Вас.

В этой статье речь пойдёт о том:

Процессор стойки с ЧПУ FANUC

Рисунок 1. Процессор стойки с ЧПУ FANUC

Что такое станок с ЧПУ?

Человечество всегда любило создавать средства производства. С развитием человеческого общества средства производства становились всё более совершенными. Каждая эпоха оставляет свои отпечатки, так и одно из самых значимых достижений ХХ-го века – транзистор совершил революцию в металлообработке. В первые за всю историю человечества появилась возможность серийно производить детали, практически* без участия человека.

*Неискушённому читателю может показаться, что станки с ЧПУ делают всё сами. На самом деле это не так. За уже налаженной программой кроется огромный и скрупулёзный труд высоко квалифицированных специалистов.

Итак, начнём с основного. Аббревиатура ЧПУ расшифровывается, как числовое программное управление, или по английский — computer numerical control (CNC). Станок оборудованный стойкой ЧПУ можно рассматривать, как классический станок, у которого перемещением режущего инструмента управляет компьютер по заранее написанной программе. Кроме того, станок имеет вспомогательные устройства, позволяющие автоматизировать процесс обработки деталей.         

Основные плюсы станков с ЧПУ:

  — Высокоточная обработка деталей – большинство станков с ЧПУ могут выполнять обработку детали с точностью 0,01мм.

   — Повышение степень автоматизации производства – станок может обрабатывать заготовки без участия человека. Необходимо только менять заготовки, и контролировать износ режущего инструмента. Ну и написать и наладить программу.

   — Высокая скорость обработки деталей – благодаря электрическим приводам осей рабочая скорость перемещений на станке с ЧПУ может достигать 3000 мм/мин.

Основные недостатки станков с ЧПУ:

   — Большая стоимость станка – за удобство нужно платить. Стоимость заурядного станка с ЧПУ может начинаться от 1-го миллиона рублей (на 2019 год).

    — Сложное устройство станка с ЧПУ – для обеспечения исправности станка необходимо проводить своевременное техническое обслуживание.

   — Длительное время переналадки – изготавливать только несколько единиц продукции на станках с ЧПУ обычно не выгодно. Время переналадки на новую деталь может занять около 1-го часа.

Основные узлы станка с ЧПУ:

Прежде чем разбирать конкретный станок мы рассмотрим общее устройство станка ЧПУ. Основные узлы станка с ЧПУ представлены на упрощённой схеме:

Структурная схема станка ЧПУ

Рисунок 2. Структурная схема станка ЧПУ.

1.Основной элемент этой системы – компьютер. Компьютер на станке с ЧПУ может выглядеть абсолютно различно. Бывает, что делают ЧПУ станок под управлением обычного персонального компьютера с операционной системой Windows. Или станок может управляться специализированным компьютером со своей ОС. Обычно устройство системы ЧПУ очень непривычно рядовому пользователю, поэтому обучится с нуля получится не у многих.

Компьютер станка осуществляет 3 самые главные задачи:

-Принимает команды оператора и сигналы с датчиков;

-Управляет приводами станка;

-Анализирует состояние станка;

2.Панель оператора необходима для управления человеком станка с ЧПУ. На ней находится экран компьютера, отображающий нужную оператору информацию, а также кнопки управления станком (запуск программы, экстренный останов и пр.).

Стойка с ЧПУ FANUC

Рисунок 3.  Красным цветом выделена стойка с ЧПУ (компьютер). Синим цветом выделены функциональные кнопки панели оператора. Так выглядит среднестатистическая стойка с ЧПУ FANUC.

Всё управление станком происходит непосредственно с панели оператора. Стойки операторов разных производителей станка могут сильно отличатся, но выполняют одни и те же функции. Все кнопки снабжены стандартными пиктограммами.

3.Программа – это последовательный набор инструкций действий станка. Программа может быть создана по готовой 3D модели детали или по чертежу детали непосредственно на стойке с ЧПУ. Стоит отметить важную деталь – программа должна быть написана на языке программирования поддерживаемым стойкой ЧПУ. Самый распространённый язык программирования – это G-код.

Пример программы для токарного станка в G-коде:

   T0101;                                   выбор инструмента

   S1500 M3;                             включение шпинделя

   M8;                                        включение СОЖ

   G0 X54 Z0;                            подвод на ускоренном ходу

   G1 X0 F0.1;                           подрезка торца на рабочей подаче

   G0 Z5;                                    отход от торца детали

   G28 U0 W0;                           отвод в точку смены инструмента

   M5;                                        выключение шпинделя

   M9;                                        выключение СОЖ

   M30;                                      конец программы

Написать программу обработки можно в CAM-системе. CAM-система – это компьютерная программа позволяющая генерировать траектории перемещения осей станка по компьютерной модели детали. Современные CAM-системы способны создавать готовые программы (со сменой инструмента и подобранными режимами резания) которые могут сразу же выполнятся на станке. Как самостоятельно подобрать режимы резания Вы можете узнать в этой статье.

На современных станках управляющая программа может загружаться в стойку ЧПУ при помощи USB-флэшки, или даже с компьютера по сети Ethernet. Запоминающее устройство ЧПУ станка может хранить программу в самой стойки ЧПУ.

4.Драйвер двигателя получает сигналы от компьютера, усиливает и преобразовывает их до величин необходимых для вращения двигателя. Когда станок включен и не осуществляет перемещений, драйвер посылает на двигатель «ток удержания», который позволяет зафиксировать текущее положение станка и не дать его изменить. Так же драйвер следит за тем, чтобы нагрузка на двигателе была приемлемой, и при превышении тока потребления двигателем допустимых параметров, драйвер его обесточивает двигатель и посылает компьютеру сигнал об ошибки.

сервоусилитель FANUC

Рисунок 4. Внешний вид драйвера двигателя (сервоусилителя FANUC) двух шпиндельного токарного станка. На фотографии слева направо: сервоусилитель оси Z, сервоусилитель осей X и Y и два драйвера управления шпинделями станка.

5.Двигатели станка вращают вал оси станка. Типов двигателей, которые могут быть установлены на станке с ЧПУ, очень много. Основные требования к ним – это возможность точного позиционирования угла поворота ротора. Двигатель станка может оснащаться дополнительным электрическим тормозом, для того что бы предотвратить нежелательное перемещение оси станка.
6.Механика оси. Сюда входят направляющие оси и ходовые винты. На современных станках с ЧПУ устанавливают направляющие качения и шарико-винтовые передачи. Это позволяет снизить трение и износ механических частей станка, а также повысить точность обработки. Принцип действия направляющих качения очень схож с принципом действия подшипника – между кареткой и направляющей вращаются шарики, благодаря которым снижается трение движущихся узлов

гайка ШВП и направляющие качения

Рисунок 5. Устройство шарико-винтовой передачи (вверху) и направляющей качения (внизу).

7.Датчиком положения может быть: энкодер, оптическая линейка или резольвер. Датчика вообще может не быть в станке с ЧПУ, если станок очень дешёвый и собран на шаговых двигателях. Но в теме ЧПУ станков это едва ли не самый главный элемент. Именно благодаря датчику положения компьютер понимает – выполнилась ли команда перемещения на заданное расстояние или нет. По-научному это называется отрицательная обратная связь. А если по-простому, то компьютер не просто отдаёт приказы о перемещении инструмента, но и строго следит за их точнейшим выполнением, благодаря датчикам положения. Датчики имеют жёсткую связь с механикой станка, что позволяет точнее контролировать положение осей станка.

Двигатель с датчиком положения и блоком его управления называется серводвигателем (сервоприводом).

8.Ось станка. Пункты 4, 5, 6 и 7 вместе образуют линейную ось станка. Линейных осей у станка может быть несколько. Двигатель вращает винт через муфту. Муфта снижает нагрузку на двигатель в момент начала движения и устраняет возможный перекос осей вращения двигателя и винта. На винте каждой оси установлена гайка, которая при вращении вала линейно перемещается по нему. От направления вращения двигателя зависит направление движения гайки. От того на какой угол повернётся двигатель зависит на сколько миллиметров сдвинется гайка. К гайке, в свою очередь, крепится стол или салазки станка. На задней части двигателя установлен датчик положения.

Схема оси станка с ЧПУ

Рисунок 6. Схема линейной оси станка.

9.Драйвер шпинделя станка. Выполняет те же функции, что и драйвер двигателя линейной оси. На станках попроще это может быть обычный частотный преобразователь. В зависимости от того, какие обороты шпинделя выбрал оператор, драйвер шпинделя питает мотор шпинделя переменным напряжением нужной частоты. Чем больше будет частота переменного напряжения, тем быстрее будет вращаться шпиндель. Зачастую мощность драйвера шпинделя в разы больше, чем мощность драйвера оси.
10.Шпиндель – механический узел который отвечает за крепление и вращение режущего инструмента на фрезерном станке или заготовки на токарном. На ЧПУ станках стоят высокооборотные шпиндели (средняя скорость вращения 3000 об/мин), что снижает нагрузку на остальные элементы станка и повысить производительность. На низких оборотах такие шпиндели имеют маленький крутящий момент. Устройство шпинделя фрезерного или токарного станка с ЧПУ очень сложное. Для большинства людей шпиндель – это не разборный узел. Починить его могут только высококлассные специалисты, и то не всегда.
11.Поворотная ось. Для того, чтобы поворачивать деталь на нужный угол, применяется поворотная ось. Без поворотной оси невозможно сделать токарно-фрезерный станок. Поворотная ось может быть установлена не только на оси вращения шпинделя, но и как дополнительная ось на столе фрезерного станка.
12.Смена инструмента позволяет полностью автоматизировать процесс обработки заготовки. Станки, не оснащённые сменой инструмента пригодны только для изготовления сложных не серийных деталей (например — пресс-формы).
13.СОЖ – это смазывающая охлаждающая жидкость. Применяется для увеличения времени износа инструмента, повышения качества обрабатываемой поверхности и увеличении режимов резания. Кроме того, она хорошо удаляет стружку из зоны резания. Так как станки с ЧПУ имеют полностью закрытый корпус, то подача СОЖ в зону резания осуществляется в больших объёмах. Поэтому средний объём бака для СОЖ 100 литров.
14.Смазка направляющих – ещё один важный элемент автоматизации станка. Станки с ЧПУ могут работать по три смены в день (круглосуточно). Поэтому смазка узлов осуществляется во время работы в фоновом режиме. Смазка заливается в бачок и из него насосом по трубкам доставляется во все узлы станка, которые требуют смазки.
15.Устройство безопасности. Скорость перемещения станка на ускоренной подаче может быть 10000 мм/мин. Это очень быстрое перемещение. Для того, чтобы в процессе выполнения программы обезопасить оператора от несчастного случая на станках устанавливаются электромеханические замки, которые не позволяют эксплуатировать станок с открытой дверью. Большие станки без корпуса имеют оптические датчики движения, при срабатывании которых происходит остановка станка. Иногда блокирующее устройство ЧПУ станка демонтируют, что является нарушением техники безопасности.

Для предотвращения поломки деталей осей на пути их движения установлены концевые выключатели, сообщающие станку о невозможности дальнейшего перемещения оси.

К устройствам безопасности относится и кнопка экстренного останова. Она позволяет полностью остановить станок при возникновении чрезвычайной ситуации.

Какие бывают станки с ЧПУ?

Станков с ЧПУ очень много и все они имеют разное устройство. Разобьём многообразие станков с ЧПУ на фундаментальные категории:

Полуавтоматы. Это станки, работающие по конкретному алгоритму, обычно настройка их заключается в регулировании механических узлов станка и настройки времени срабатывания исполняющих устройств. Обучится на подобные станки не составляет труда. Обычно они имеют интуитивно понятный интерфейс и подробную инструкцию по работе. Стойки с ЧПУ они не имеют, а оснащаются панелью оператора, на которой осуществляется выбор основных параметров работы станка и запуск цикла обработки. Полуавтоматами обычно бывают:
    1. Шлифовальные станки
    2. Отрезные станки
    3. Гибочные станки
    4. Кузнечнопрессовое оборудование
    5. Гильотинные ножницы
2-D обрабатывающие станки. Это станки, которые обрабатывают плоские детали. В основном движение режущего инструмента осуществляется по двум осям. Возможно добавление оси изменения угла наклона инструмента, что позволяет вырезать детали с коническими поверхностями. Зачастую программирование таких станков сводится к созданию двухмерного контура детали и обработка его в специализированной CAM-системе, которая поставляется вместе со станком. К этим станкам относятся:
  • Гидроабразивные резки
  • Плазменные резки
  • Газовые резки
  • Станки эрозионной обработки
  • Просечные станки
3-D обрабатывающие станки. В эту категорию можно отнести все станки, которые позволяют обработать объёмную деталь. Наладка подобных станков может занять гораздо больше времени. Иногда в наладке и обслуживании подобных станков может участвовать коллектив в несколько человек. Программа для таких станков может быть написана по-разному, как в CAM-системе, так и на стойке ЧПУ.
  • Токарные станки
  • Фрезерные станки
  • 3d принтеры
  • Станки ротационной вытяжки
  • Гравировальные станки

Как видно станков, которые управляются компьютером очень много. Все они имеют собственные особенности. Наиболее распространёнными являются токарные и фрезерные станки. О них мы расскажем поподробней. Их в свою очередь можно разделить на деревообрабатывающие станки и металлообрабатывающие станки. Устройство станка с ЧПУ по металлу гораздо сложнее, и именно о них пойдёт речь.

Устройство фрезерного станка с ЧПУ:

Устройство фрезерного станка с ЧПУ

Рисунок 7. Основные элементы вертикального фрезерного станка с ЧПУ.

Фрезерный станок – это машина, применяемое для обработки заготовок при помощи вращающегося инструмента (фрезы). При этом заготовка, устанавливается на рабочем столе станка, а оси совершают движение подачи. Фреза закрепляется в шпинделе станка. У классический фрезерного станка есть три линейные оси: X-продольная ось Y-поперечная ось Z-вертикальная ось. На рабочем столе фрезера могут быть установлены дополнительные поворотные оси.

Оси фрезерного станка ЧПУ

Рисунок 8. Оси фрезерного станка

Фрезерные станки позволяют обрабатывать цапфы, карманы, плоскости и снимать фаски по контуру детали. На них можно сверлить в заготовках отверстия, нарезать резьбу.

Основой фрезерного станка всегда будет станина. На станине крепится колонна и ось поперечная ось Y. На подвижную ось Y крепятся салазки. На которых, в свою очередь, устанавливается продольная ось X. На направляющих оси Х крепится рабочий стол, на который крепят обрабатываемые заготовки.

На колонне закреплены направляющие оси Z и устройство смены инструмента. Устройство смены инструмента неподвижно закреплено на колонне, поэтому координата Z для смены инструмента будет фиксированной. Ось Z может перемещается вертикально. На оси Z смонтирован шпиндель станка, с помощью которого и происходит фрезеровка заготовки

Устройство токарного станка с ЧПУ:

Устройство токарного станка с ЧПУ

Рисунок 9. Основные узлы токарного станка с наклонной станиной.

Токарный станок – это оборудование, созданное для обработки крутящейся вокруг своей оси заготовки при помощи линейно перемещающегося инструмента (резца). При этом заготовка, закреплённая в шпинделе, совершает вращающееся движение, а резец закреплённый в резцедержателе создаёт движение подачи. Канонический токарный станок имеет две линейные оси: X-продольная ось и Z-поперечная ось. Вокруг оси Z может вращаться поворотная ось С.

Оси токарного станка ЧПУ

Рисунок 10. Оси токарного станка

Токарные станки позволяют обрабатывать тела вращения, сверлить в заготовках отверстия по центру вращения и нарезать резьбу на них.

Основой токарного станка также является станина. В отличие от универсальных станков станина делается наклонной. Это позволяет сэкономить место, занимаемое станком, и упростить удаления стружки из зоны обработки. На станине расположена передняя бабка и суппорт с поперечной осью Z. На подвижную ось Z крепятся площадка, на неё устанавливается продольная ось X. На направляющих оси Х крепится револьверная голова с резцедержателями, в которые зажимаются резцы и свёрла. Револьверная голова может менять инструмент там, где не случится соударение инструментов с остальными деталями станка.

В передней бабке установлен шпиндель. На отдельных направляющих скольжения перемещается задняя бабка, необходимая для закрепления длинных заготовок. Ось вращения шпинделя и ось задней бабки должны быть соосны.

Как работает станок с ЧПУ?

Рассмотрим то, как осуществляется программирование станков с ЧПУ, в частности по такому же алгоритму осуществляется программирование станков с ЧПУ со стойкой FANUC:

Создание программы:

  1. Всё начинается с детали. Технологи исходя из требований к детали и её формы выбирают нужный станок для её изготовления. Вообще станков может быть несколько. Но в нашем примере мы принимаем то, что деталь делается только на фрезерном станке с ЧПУ. Технолог так же разрабатывает рекомендации по тому, как обрабатывать деталь – на каких режимах резания и каким инструментом.
  2. Затем определяется нулевая точка детали. От этого будет зависеть – как наладчик будет привязывать инструмент к заготовке и от какой точки будет писаться программа.
  3. Программист определяет последовательность обработки детали. Если последовательность была выбрана неправильно, то деталь сделать не получится. Бывают очевидные и не очевидные ошибки. Например, очевидно, что невозможно нарезать резьбу предварительно не просверлив отверстия. А вот не очевидные ошибки вскрываются только в процессе обработки. Это весьма накладно и приходится переписывать программу. Примером не очевидной ошибки является первоначальное выполнение операций, снижающих жёсткость станка, после них будет проблематично доделать деталь.
  4. Затем подбирают подходящую заготовку с необходимыми припусками на обработку и закрепление. Заготовки должны быть достаточно одинаковые, иначе программа будет выполнятся дольше, в связи с необходимостью обрабатывать большие припуски отдельных заготовок.
  5. Программист пишет программу для станка с ЧПУ. Наладчик записывает программу в память станка с ЧПУ.

Наладка программы на станке с ЧПУ:

  1. Наладчик становит необходимый инструмент и привязывает его координаты.
  2. Заготовку закрепляют на станке, и наладчик выставляет нуль заготовки, согласно программе
  3. Наладчик запускает программу в покадровом режиме, на минимальной ускоренной подаче. Особое внимание уделяется местам программы, где используется ускоренный ход и смена инструмента. Нужно следить за тем, чтобы стружка хорошо удалялась из места резания, система подачи СОЖ была настроена правильно.
  4. После отработки программы измеряются геометрические параметры деталей. В случае отклонения от требуемых параметров необходимо ввести корректировки в коррекцию инструмента или текст программы.
  5. После того, как получилось добиться правильных геометрических параметров можно изготавливать детали в автоматическом режиме. Это уже делает оператор.
  6. При запущенной автоматической обработке оператору необходимо постоянно следить за работой станка. Всегда есть вероятность поломки инструмента и скопления стружки.
Как видно из описания наладки и запуска станка в обслуживание станка может участвовать четверо разных людей: технолог, программист, наладчик, оператор. На некоторых крупных производствах это разные люди. А вот на производствах поменьше все хлопоты по запуску станка могут быть возложены на одного человека.

Кем Вы являетесь, можете узнать пройдя наш тест.

 

Text.ru - 100.00%

Оставьте комментарий