Развитие числового программного управления (ЧПУ) имеет примерно тридцатилетнюю историю. Этот процесс протекает столь стремительно, что в технике не так просто найти другой аналогичный в этом смысле пример.
Сменялись поколения электронных устройств ЧПУ, принципиально изменялись их возможности, что накладывало отпечаток на конструкцию и связь с самим объектом управления. Основное свойство станков с ЧПУ https://grizlicnc.com.ua/stanki-chpu — это их гибкость, т. е. скорость переналадки, которая на порядок выше гибкости станков автоматов на основе копирования, путевых выключателей и т.д..
В результате развития устройств ЧПУ, построенных по структуре ЭВМ, созданы высокопроизводительные технологические модули, в состав которых входят:многооперационный станок с автоматической сменой инструмента, транспортно накопительная система, позволяющая производить замену детали на заготовку, система контроля и регенерации отходов.
Такие модули могут работать в автономном режиме или встраиваться в автоматические линии. Станки с ЧПУ позволяют производить обработку деталей с большой концентрацией инструментальных переходов, что повышает точность деталей (обработка с одной технологической базы), снижает Тшт. на операцию и уменьшает длину транспортных потоков. Все эти качества позволяют предположить увеличение объема обработки на станках с ЧПУ в условиях перехода к рыночной экономике.
Тенденции развития станков с ЧПУ: создание ЧПУ с применением микро-ЭВМ на микропроцессорах, применение в электроавтоматики станка с ЧПУ микроэлектроники, введение в систему станка диагностических устройств; широкое внедрение автоматизированных адаптивных устройств, обеспечивающих оптимизацию управления и обработки деталей; создание ЧПУ, управляющих как отдельными станками, так и группой станков.
Внедрение новых технологий и модернизации в машиностроении
Технический процесс не стоит на месте, все больше происходит внедрение в жизнь машиностроения и производства ЧПУ постоянно совершенствуясь. Станки с ЧПУ, как новое умное оборудование позволяет производству перейти на следующий уровень развитых технологий. В современном промышленном и экспериментальном производстве используются станки, в которых устройства числового программного управления (ЧПУ) выполнены на базе микропроцессорных платформ, совместимых с персональными компьютерами (ПК), как носители информации используются дискеты, или же файлы с управляющими программами (КП) которая считывается станком програмую его на выполнение заданных операций. Таким образом в области технологий машиностроения производство становиться более крупным.
Современное производство, как правило, предполагает наличие и эффективное использование различного оборудования с числовым программным управлением(ЧПУ). Это могут быть самые разнообразные фрезерные, токарные, электроэрозионные как проволочные, так и прошивальні станки, фрезерные и токарные обрабатывающие центры, прессы для листовой штамповки, лазерное оборудование, координатно-измерительные машины и т.п. Для эффективного использования всего спектра оборудования необходима современная компьютерная система разработки управляющих программ.
Состав и основной принцип работы ЧПУ
В общем виде структуру комплекса «Станок с числовым программным управлением» можно представить в виде трех блоков, каждый из которых выполняет свою задачу: управляющая программа (КП), устройство ЧПУ (ПЧПУ) и собственно станок.
Все блоки комплекса работают взаимосвязано в единой структуре.
Управляющая программа содержит увеличенное кодированное описание всех стадий геометрического и технологического образования изделия.
В ПЧПУ управляющая информация в соответствии с КП транслируется, а затем используется в вычислительном цикле, результатом которого является формирование оперативных команд в реальном масштабе машинного времени станка. Станок является основным потребителем информации, управляющей, исполнительной частью, объектом управления, а в конструктивном отношении — несущей конструкцией, на которой смонтированы механизмы с автоматическим управлением, приспособленные к приему оперативных команд от ПЧПУ, которое является основным элементом в общей системе управления оборудованием. Функциональность реальной системы ЧПУ (СЧПУ) определяется степенью реализации целого ряда функций при управлении:
1. Ввод и хранение системного программного обеспечения (СПО);
2. Ввод, хранение КП и реализацию выходной информации;
3. Интерпретация кадра;
4. Интерполяция;
5. Управление приводами подач;
6. Управление приводом главного движения;
7. Логическое управление;
8. Коррекция на размеры;
9. Реализация циклов;
10. Смена инструмента;
11. Коррекция погрешностей механических и измерительных устройств;
12. Адаптивное управление обработкой;
13. Накопление статистической информации;
14. Автоматический встроенный контроль.
Дополнительные функции:
1. Обмен информацией с ПК верхнего уровня, оптимизацию отдельных режимов и циклов технологического процесса;
2. Согласованное управление оборудованием технологического модуля;
3. Управление элементами автоматической транспортно-складской системы;
4. Управление внешними устройствами, связь с оператором;
5. Техническая диагностика технологического оборудования и самой системы ЧПУ и др .
К ПЧПУ сходятся все нити управления автоматическими механизмами станка. Конструктивно ПЧПУ выполнено как автономный электронный агрегат, имеющий устройство ввода УП, вычислительную часть, электрический канал связи с автоматическими механизмами станка.
Согласно международной классификации все ЧПУ по уровню технических возможностей делятся на следующие основные классы:
• NC (Numerical Control); SNC (Stored Numerical Control); CNC (Computer Numerical Control); DNC (Direct Numerical Control); HNC (Handled Numerical Con trol);
• VNC (Voise Numerical Control), NEURO-Fuzzy (Нейро-нечеткая) системиуправління.
Все современные ПЧПУ имеют класс не ниже CNC, то есть в основе устройства — мощный ПК со всеми его возможностями.
ЧПУ классов CNC, DNC, HNC относятся к устройствам с переменной структурой. Основные алгоритмы работы этих устройств задаются программно (или аппаратно-программно) и могут варьироваться для различных условий, что позволяет уменьшить число модификаций ЧПУ, ускорить их освоение, в том числе с ЧПУ самонастроюваними алгоритмами. ПЧПУ этих классов имеют структуру ПК и обладающие характерными признаками вычислительной машины.
Для работы ПЧПУ должен быть соответствующим образом запрограммирован. Для этого подобные системы имеют специальное ПМЗ, представляющая собой комплекс алгоритмов переработки информации, поступающей в виде КП. Математическое обеспечение может вводиться в систему через устройство ввода, как и основная КП. Тогда система ЧПУ относится к классу свободно программируемых. В других случаях математическое обеспечение закладывается в постоянную память системы на стадии ее изготовления. Однако, в всех случаях существуют возможности для изменения, дополнения, обогащения этого математического обеспечения, в силу чего подобные ЧПУ имеют большую гибкость и способность к функциональному наращиванию. ЧПУ могут быть как составной частью поставляемого оборудования, так и устройством, используемым при модернизации уже имеющихся в эксплуатации станков. Моделей ЧПУ достаточно много, эти устройства производятся как отечественными, так и зарубежными фирмами. От уровня модели, от ряда ее характеристик зависят многие технологические характеристики управляемого данной ЧПУ оборудования.
В общем случае выделяют в ЧПУ следующие данные:
• количество одновременно управляемых осей;
• количество цифровых входов / выходов;
• обеспечиваемая дискретность приводов подач;
• объемы оперативной памяти и памяти жесткого диска базового компьютера ЧПУ;
• интерфейс обмена;
• характер и схемы компенсаций погрешностей;
• виды и схемы коррекций;
• функции интерполяции;
• графический интерфейс;
• функции «Просмотр кадров вперед» / «Управление разгоном-торможением»;
• дополнительные технологические программы и подпрограммы;
измерительные циклита др..
Выбор ЧПУ и оценка его характеристик определяется рядом факторов — типом и назначением станка, характером и видом выполняемых работ, точностными характеристиками принятого станка, видом производства, возможностями предприятия и т.д. и т.п. Но в настоящее время в характеристиках ЧПУ часто выделяют два момента: возможности использовать УЧПУ для управления высокоскоростной обработкой (ВСО) и соответственно высокоскоростным оборудованием, и принятая схема подготовки управляющих программ.
Основной принцип ВСО: малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, и соответственно высокие частоты вращения шпинделя и высокая минутная подача.
Для достижения необходимой точности обработки, особенно финишной, нужны частые проходы инструмента с небольшим шагом. Указанное приводит к тому, что программируемые траектории инструмента являются сложными многоточечными и представляются в управляющих программах большим количеством кадров. Особенно это заметно при программировании обработки сложно контурных трехмерных изделий, когда управляющая программа должна неразрывно связывать согласованные перемещения элементов станка по 3-м, 4-м и даже по 5-ти координатам при шаге в 0, 01 … 0,02 мм. Требования неразрывности в подаче управляющих сигналов от системы ЧПУ к приводам, которые обеспечивают к тому же большие скорости рабочих подач, приводит к тому, что данные от ЧПУ у высокоскоростных станков к приводам должны передаваться с большими скоростями и в значительно больших объемах, чем при обычной обработке на обычных станках с ЧПУ.
Поскольку в существующих СЧПУ есть ограничения по скорости обработки (передачи) кадра управляющей программы и передачи сигнала управления к приводу, то при ВСО возможны ограничения по подаче, то есть ПЧПУ может непрерывно управлять приводами лишь до определенной скорости их перемещения. Максимальную подачу, которую способна обеспечить конкретная система ЧПУ, можно определить по формуле:
Fmax = (Длина перемещения в кадре) / (Время обработки кадра) * 60.
Из приведенного следует отметить, что при перемещениях 0,01 мм и времени обработки кадра 2 мс максимальная подача ограничена значением 0,3 м / мин.
Таким образом, при организации ВСО, при определении ПЧПУ выбираемого станка должны учитываться три фактора, связанные с системой управления станком:
• для обеспечения непрерывного движения инструмента требуются у УЧПУ высокие скорости обработки данных (не менее 200 блоков в минуту);
• система ЧПУ должна просматривать данные как минимум на 150.200 блоков вперед с тем, чтобы вычислять изменения величины подачи при подходе инструмента к острым углам (или другим подобным препятствиям) и отходе от них;
• для повышения качества поверхности и снижения нагрузок на инструмент необходимо, чтобы закон изменения величины подачи имел плавный колоколообразний вид, так как причиной снижения качественных характеристик процесса являются слишком резкие ускорения при движениях по траекториям с углами.
Так, если рассмотреть характер обычной линейной интерполяции, то видно, что привода по осям подач после каждого шага интерполяции попеременно прекращают движение рабочего элемента. В связи с этим обязательным условием программирования ВСО является использование NURBS интерполяций как в процессе создания КП, так и в реализации NURBS конкретной системой ЧПУ.
Использование 3D электронных моделей обрабатываемых деталей -Наиболее современный метод подготовки КП, где 3D модели является программный продукт CAD / CAM систем. Здесь можно выделить две основные схемы. В первой из них, которая стала уже традиционной, созданная на ПК электронная модель детали обрабатывается САМ модулем. Этот модуль позволяет выбрать инструмент (инструменты), задать схемы удаления припуска, установить по заданному инструменту траектории движения этого инструмента, задать режимы обработки, выполнить массу расчетов координат различных точек по траектории движения инструмента и т.д. Созданную таким образом компьютерную КП можно визуализировать, то есть посмотреть запрограммированную обработку на мониторе ПК в виде своеобразного технического мультфильма. Естественно, по результатам просмотра программу можно отредактировать. Но созданную САМ программу не можно сразу отправить на станок в его систему ЧПУ. Поэтому обязательно применение узгоджуючої программы (постпроцессора), которая переводит САМ компьютерную программу в машинные коды, то есть в КП данного станка (данной ЧПУ). К любой САМ системе обычно прикладывается несколько десятков постпроцессоров (для разных моделей ПЧПУ), которые и обеспечивают перекладзагальної САМ программы (для заданной детали) по мере надобности в КП для станков с различными моделями ЧПУ.
Применение постпроцессоров, как этапа в производственном процессе, естественно увеличивает стоимость и время разработки станочных КП, в какой-то мере влияет на качество программы управления станком и, как следствие, приводит к ухудшению качества изготовляемых деталей.
Электронная 3D модель обрабатываемой детали как программа для станка — новейшая схема САМ программирование. Она позволяет исключить этап использование постпроцессоров при подготовке КП для станков, устанавливая тем самым определенный новый стандарт для станкостроения. Однако, новая схема требует применения для управления станками и новых моделей ЧПУ, позволяющие вести такое программирование.
Компьютерные ЧПУ этих станков содержащие ПО, включающий в себя 3D CAD / CAM систему, систему автопрограммірованія и систему автотехнологам. Комбинация технологии и программного обеспечения позволяет ПЧПУ непосредственно использовать геометрическое определение детали как программу и исключает этап постпроцессора в цикле работ по подготовке станочных КП.
Модель в 3D формате может быть создана непосредственно в ПЧПУ, или введенная извне практически из любой CAD / CAM системы. Для работы станка в автоматическом режиме после ввода 3D модели нужно ввести (в режиме диалога) лишь некоторые исходные данные по материалу заготовки и инструмента по требуемой шероховатости и т.п. Система может интерполировать реально заданный профиль детали, управлять ускорением, точно управлять скоростью обработки, толщиной материала, что снимается, стабилизировать усилия на инструмент при обработке и др. Адаптация к режимам резания позволяет увеличить точность и сократить износ инструмента, улучшить качество обрабатываемой поверхности, при этом уменьшается стоимость обслуживания оборудования и процессов подготовки КП. Резко сокращается объем КП, оптимизируется сама КП, сокращается время обработки.
Большое количество моделей ЧПУ в представлении разных фирм требует внимательного изучения при их выборе для конкретного использования. При этом, естественно, важнейшим фактором является фактор цены при равных характеристиках, среди которых гарантии стабильности работы могут быть определяющими.
Классификация и виды ЧПУ
Станки с ЧПУ подразделяются на:
• токарные с ЧПУ (токарные, токарно-револьверные, токарно-карусельные, токарные полуавтоматы с горизонтальной осью шпинделя, токарные с вертикальной осью шпинделя, токарные — универсальные);
• сверільние, расточные с ЧПУ (вертикально-сверлильные, координатно-сверлильные, станки сверлильные специальные, горизонтально-расточные, координатно-расточные);
• шлифовальные, полеровальние с ЧПУ (круглошлифовальные, круглошлифовальные, плоскошлифовальные полуавтоматы, станки заточные вертикальный контурно-шлифовальный полуавтомат);
• зубо-и резьбообробативающіе с ЧПУ (зубодовбальні, зубофрезерные);
• фрезерные с ЧПУ (вертикально-фрезерные, продольные фрезерно-расточные, горизонтально-фрезерные для объемной обработки, фрезерный широкоуниверсальні);
• и др (строгальные, долбежные, протяжные и отрезные, также оснащенные системой ЧПУ).
Область применения
Из всех станков нового поколения оснащенных ЧПУ наиболее востребованы в машиностроении и сфере металлообработки (изготовление различных деталей типа тел вращения высокой точности, монтажных единиц для сборки в узлы) именно токарные автоматы и полуавтоматы. Токарные станки с числовым программным управлением предназначены для наружной и внутренней обработки сложных заготовок деталей типа тел вращения. Они составляют самую значительную группу по номенклатуре в парке станков с ЧПУ. На токарных станках с ЧПУ выполняют традиционный комплекс технологических операций: точение, отрезку, сверление, нарезание резьбы и др
Большой путь модернизаций прошли станки. ЧПУ и Интернет — последние вехи его развития к совершенству. Если посетить музеи посвященные прогресса индустрии, то невольно вызывает улыбку информация о том, какими были первые станки. ЧПУ и тем более Интернет, дополнили сегодня эти механизмы, просто захватывают. Объединение в один механизм станок — ЧПУ способны творить чудеса. Без вмешательства человека тандем станок — ЧПУ способны выдать любой деталь с невероятной сложностью исполнения.
Станок ЧПУ это оборудование, которое имеет компьютерную оснастку и способное по предварительно заданной программе выполнить необходимые операции без непосредственного участия человека. Используемые станки с ЧПУ в промышленном производстве резко повышают производительность труда, благодаря тому, что один оператор может обслуживать сразу несколько машин. Так же используемые станки с ЧПУ значительно повышают эргономические показатели, сокращая число травм на производстве.
Доля оборудования станков — ЧПУ в производстве всех направлений растет из года в год. Сегодня уже никому не нужны простые станки. ЧПУ — неотъемлемая часть любого станка. Обусловлено это большими экономическими показателями: значительным сокращением обслуживающего персонала и улучшением качества продукции, что выпускается. Кроме того на крупных промышленных предприятиях, где используются станки с ЧПУ в больших количествах возможно объединенное управление всеми машинами с одного диспетчерского пульта с помощью гибкой автоматизации производственной системы — ГИС.
Практически на любом предприятии необходимы обрабатывающие станки. ЧПУ, если данные станки оборудованы этим обеспечением, способны считывать инструкцию процесса работы со специальной языки программирования и управлять приводами станка и всей оснасткой.
Станки с ЧПУ основаны на микропроцессорах с оперативной памятью, операционной системой и микроконтроллерах. Работы, где необходима точность до микрона, не способен выполнить ни один простой станок. ЧПУ позволяет выполнять работу с невероятной точностью, притом, что его работа практически не связана с человеческим фактором.
Современный станок с ЧПУ предусматривает использование жестко заданной схемы управления процессом работы. Хранение программы технологического процесса может осуществляться на разных носителях — от перфорированной бумажной ленты к флэш-памяти. По назначению и по заданию выполняемых процессов бывают разные станки. ЧПУ объединяет их своей электронной начинкой, которая универсальна для программирования любых технологических процессов. В металлообработке применяется токарный станок. ЧПУ для этих механизмов является неотъемлемой частью для любых видов выполняемых работ. Комбинированное название токарный станок — ЧПУ означает, что технологический процесс выполняется с помощью числового программного обеспечения.
По классификации токарный станок с ЧПУ имеет несколько позиций. В сфере металлообработки абсолютно незаменим такое изобретение как токарный станок. ЧПУ — полезное дополнение к этому механизму. Токарный станок с ЧПУ — это компьютеризированная система для управления процессами изготовления деталей из металлов. Механическую обработку производит непосредственно сам токарный станок. ЧПУ управляет процессом изготовления деталей, исключая малейшие ошибки, которые может сделать человек. Токарные станки с ЧПУ в эксплуатации несложные, и обучения для работы на них не требует много времени. На сегодняшнем этапе такое объединение как токарный станок — ЧПУ — имеет очень прогрессивный характер. Токарный станок с ЧПУ сегодня может программироваться даже с помощью Интернета. Токарные станки с ЧПУ являются наиболее востребованными для применения в сфере металлообработки.
В основе классификации токарных станков с ЧПУ лежат следующие признаки:
• расположение оси шпинделя (горизонтальные и вертикальные станки);
• число используемых в работе инструментов (одно — и многоинструментальные станки);
• способы их закрепления (на суппорте, в револьверной головке, в магазине инструментов);
• вид выполняемых работ (центровые, патронные, патроно-центровые, карусельные, прутковые станки);
• степень автоматизации (полуавтоматы и автоматы).
Центровые станки с ЧПУ служат для обработки заготовок деталей типа валов с прямолинейным и криволинейным контурами. На этих станках можно нарезать резьбу резцом по программе.
Патронные станки с ЧПУ (например, револьверный станок) предназначены для обточки, сверления, развертывания, зенкования, цекованія, нарезания резьбы метчиками в осевых отверстиях деталей типа фланцев, зубчатых колес, крышек, шкивов и тому подобное; возможно нарезание резцом внутренней и наружной резьбы по программе.
Современные станки с ЧПУ прошли огромный путь модернизаций — от первых, приведенных в работу паровой машиной, до механизмов, которыми можно управлять через интернет без непосредственного участия человека.
Токарные станки с ЧПУ стали важнейшим оборудованием по обработке металлов. Следует обратить внимание, что токарные станки с ЧПУ призваны для работы с металлами лишь условно. Токарный станок с ЧПУ может обрабатывать практически всіматеріали, такие как пластмасса, эбонит и другие.
Продукция, что в наше время различными компаниями станки с ЧПУ имеют множество наименований и предназначены для выполнения различных работ на предприятиях по производству определенного вида продукции.
Целесообразность и преимущество использования ЧПУ в производстве
Опираясь на пройденную историю развития станков в машиностроении их модернизации и усовершенствования до автоматов и полуавтоматов, станков нового разумного поколения оснащенных системами ЧПУ, что работают по заданной управляющей программе безупречно выполняя необходимые операции для изготовления деталей различного типа и точности из материалов различной прочности, при этом используется управляющая программа сохраняется в памяти станка и при необходимости обработки аналогичных деталей корректируется под них и запускается снова. Особенно наиболее целесообразным является использование станков с ЧПУ для выпуска продукции массового производства (то есть станок выполняет огромное количество деталей по одной уже заданной УП). Точность и соблюдение необходимых размеров гарантированно, что приводит к улучшению качества изготовляемой продукции и повышению ценные и спроса, а также соответственно снижению затрат на себестоимость единицы изделия, т.к нет необходимости в персональном операторе с высоким уровнем квалификации для каждого станка одним оператором может обслуживаться до 3х и более станков с ЧПУ.