Токарный Станок ЧПУ: Принцип Работы и Устройство

Увеличение объемов производства требует автоматизации процессов, ведь с помощью этого экономится немало времени и ресурсов. Сегодня подробно разберем устройство и принцип работы станков с ЧПУ - одной из главных составляющих автоматизированного производства.

Станки с ЧПУ - это станки с компьютерным управлением. До ЧПУ станки управлялись вручную механиками. ЧПУ - это аббревиатура для термина “числовое программное управление”. В основе этого понятия - управление станком с помощью компьютера. ЧПУ обработка - это производственный процесс, в котором изготовление деталей происходит под управлением компьютерных программ.

Ранее станки работали на основе гидравлической системы, которая обеспечивала производство одинаковых деталей по шаблону. Сейчас же программы могут контролировать все, от движений обрабатывающего центра до скорости шпинделя, включения/выключения охладителя и прочих функций.

Существуют различные виды устройств с ЧПУ, включая 3D-принтеры, фрезерные и лазерные станки, машины для водоструйной и электроэрозионной обработки, электронные разрядные станки, маршрутизаторы с ЧПУ и т. д. Программисты ЧПУ пишут программы обработки деталей, используя специальный язык программирования G-Code.

В течение длительного времени станки с ЧПУ использовались только в промышленности, из-за их высокой стоимости. Использование ЧПУ станков в современном производстве - это не дань моде, а закономерный процесс автоматизации с применением эффективных типовых решений. Автоматизация дает технологический и экономический эффект в виде сокращения времени на процессы, снижения зависимости от человеческого фактора и затрат, связанных с организацией рутинных операций.

Обработка на станке ЧПУ позволяет производить детали высокого уровня точности и повторяемости в значительно более короткие сроки, чем это делает даже опытный оператор на обычном оборудовании.

Основные Компоненты Станка с ЧПУ

Устройство токарного станка, размеры и функционал зависят от того, к какому классу принадлежит модель. При всем разнообразии оборудования общая схема токарных станков любых типов принципиально не отличается.

Основные компоненты станка с ЧПУ:

• Устройства ввода данных: используются для ввода программы обработки детали на станке.
• Блок управления станком (БУС) - это сердце станка с ЧПУ. Он выполняет все управление станка.
• Исполнительный механизм: станок с ЧПУ зачастую имеет подвижный стол и шпиндель, для контроля положения и скорости.
• Система привода: состоит из схем усилителя, приводных двигателей и ШВП (шарико-винтового подшипника). Блок управления станком подает сигналы схемам усилителя о положении и скорости движения каждой оси.
• Система обратной связи: состоит из преобразователей, или датчиков. Ее также называют измерительной системой. Датчики непрерывно контролируют положение и скорость режущего инструмента.
• Пульт управления: на дисплее отображаются программы, команды и другие необходимые данные станка с ЧПУ.

С помощью программного обеспечения CAD создается 2D или 3D модель детали, которую вы хотите сделать.

Как работает токарный станок с ЧПУ: от проектирования до готовой детали

Принцип Работы Станка с ЧПУ

Представление о том, как работает станок с ЧПУ, строится на базовых принципах обработки материала и управления оборудованием. Загруженный в программную часть станка алгоритм выполнения операций и циклов обрабатывается для формирования сигналов. Исполнительные механизмы позиционируют заготовку и инструмент. Функциональная часть выполняет непосредственно процесс механической обработки - точит, фрезерует, долбит, сверлит, зенкерует материал. Система контроля и обратной связи измеряет заготовку и снимает информацию о параметрах работы, чтобы передать ее в программную область.

Принцип работы станка с ЧПУ по металлу, дереву или иному материалу всегда общий, разница состоит в применении инструмента и оснастки. Как работает ЧПУ станок по металлу становится понятно, если разделить процесс на описанные выше составляющие. В металлообработке наиболее распространенные операции с заготовками - точение, фрезерование, сверление, зенковка, долбление.

Устройство токарного и фрезерного станка с ЧПУ по металлу или дереву имеет существенное различие в том, что в первом случае тело вращения - это обрабатываемая деталь, а во втором телом вращения является фреза, инструмент и оснастка. Общие принципы конструкции схожи - у станка имеется массивная станина, источник вращения и передачи крутящего момента (двигатель с приводом), точка (узел) фиксации тела вращения в виде шпинделя с патроном или другим узлом для установки инструмента/заготовки.

Любая программа выполняется при условии ее ввода в цифровую часть оборудования и запуска. Для ввода самой программы и связанных с ней данных можно использовать перфоленту (устарело), магнитные носители (устарело), флэш-носитель, программируемый логический контроллер (ПЛК) и ПК через порт RS-232-C.

Программная часть станка с ЧПУ условно "не видит" заготовку и инструмент, она имеет дело с осями и точками, которые отражают положение и размеры детали, положение и смещение рабочего стола и инструмента. Сформированные в БУС команды передаются на усилитель и оттуда непосредственно на приводы - шаговые, серводвигатели, гидравлические клапаны. Таким образом настраивается положение рабочего стола, шпинделя, суппорта токарного станка с ЧПУ или лазерной головки раскройного оборудования.

Датчики измерительной системы определяют фактическое положение осей и передают данные в БУС, где происходит сопоставление с шаблонными значениями. Исходные данные о заготовке представляются в виде двухмерной или трехмерной модели, которая в процессе цифровой обработки преобразуется в облако точек с определенными координатами и привязкой к осям.

Как и любая компьютерная система, ЧПУ для станка имеет платформу с исходным кодом, чаще всего закрытую для пользователя на уровне оператора, и функциональную надстройку для непосредственного программирования во время настройки и работы станка. Это по сути собственная операционная система, которая может быть совместима с распространенными модификациями ОС для компьютеров на производстве. В зависимости от сложности платформы, станка и процесса обработки оператор вводит с помощью кнопок и иконок на дисплее G-коды определенных циклов и операций.

Часть процесса обработки иногда называют кадром программы, который может состоять из нескольких действий. G-коды принято относить к одному из процессов обработки, типовых циклов, которые можно применять к любой заготовке, вводя данные осей и координат точек. Каждый цикл процесса - это завешенный кадр программы, составленной из набора последовательно выполняемых команд, прописанных в виде G-кода.

Например, если рассмотреть, как работает токарный или фрезерный станок с ЧПУ FANUC, то коды по шагам будут разделены на подготовительные (настроечные) и исполнительные. Операции G00 - G04 позиционируют инструмент, G53 - G59 переключают системы координат. В основе каждого кода и цикла лежит несколько обязательных элементов - задание начальной и конечной точки движения, траектория движения инструмента и заготовки, запуск и остановка шпинделя и пр.

У каждого производителя и каждой платформы ЧПУ имеется своя таблица кодов. В большинстве случаев это унифицированные команды, которые можно рассматривать как функциональную надстройку - например, система ЧПУ HAAS может быть установлена как исполнительная надстройка на систему Fanuc со своими G-code для операций и циклов.

В большинстве случаев оператор станка ЧПУ использует ввод кодов операций (действий) непосредственно с панели управления станка. Программист ЧПУ пишет процессы на ПК или ПЛК, готовые программы загружаются в БУС системы. В основном это нужно для крупных производств.

Не стоит воспринимать станок с ЧПУ как сверхсложное устройство, пригодное только для больших производств. Система числового программного управления может использоваться на уровне мастерской и небольшого цеха, где процесс станочной обработки состоит из повторяющихся рутинных операций. Не менее важна возможность обработки деталей с высокой точностью и повторяемостью, что практически невозможно обеспечить при работе даже самых опытных станочников.

На уровне эксплуатации в конкретных условиях важно правильно определять задачи и соответствие станка сложности процесса. В платформах ЧПУ крупных производителей заложена возможность обращения к справочным материалам, выполнения цикла чистовой и черновой обработки, запуска последовательности программных кадров для заранее записанного и сохраненного процесса.

Компьютерная (цифровая) составляющая станка с ЧПУ позволяет существенно расширить возможности среднего и крупного производства, если интегрировать ее в систему управления и контроля. Функционал системы DPA позволяет объединить станки и ПК в общую сеть, которая будет собирать данные о работе в реальном времени, формировать отчеты по выбранным периодам и критериям, распределять задания и поддерживать функции доступа специалистов к настройкам оборудования.

Конструкция Токарного Станка с ЧПУ

Самый распространенный способ обработки металлических изделий - токарная обработка. Она проста и понятна даже неподготовленному обывателю, но на деле скрывает большое разнообразие станков и форм используемого инструмента. А на некоторых моделях станков можно выполнять и фрезерную обработку

Вращение заготовки, которая обрабатывается неподвижно или плавно перемещающимся инструментом, - и есть суть и отличительная особенность этого вида станков. Обработка ведется путем снятия слоя металла. Наибольшую популярность имеют токарные станки с ЧПУ и горизонтальным расположением шпинделя. Эта универсальная конструкция подойдет для большинства операций.

Основные элементы конструкции токарного станка:

1. Станина: Опора станка, на котором располагается вся остальная конструкция. Она отлита из высокопрочного чугуна, и этим задает жесткость всей конструкции. Для лучшей устойчивости у основания станины есть ножки-тумбы.
2. Передняя бабка: Или шпиндельная бабка - первая и основная опора обрабатываемой детали. Конструкция представляет собой шпиндель на двух подшипниках, шкив и коробку скоростей. Чтобы при обработке детали не разогнаться выше допустимых значений, рядом с рукояткой переключения скоростей находится разметка со значениями.
3. Шпиндель: Это вал, вращающийся в высокоточных подшипниках качения, на переднем конце которого установлен патрон для зажима заготовок. Чем больше размер этих подшипников, тем большее усилие может выдерживать шпиндель, при этом он становится более тихоходным.
4. Задняя бабка: Необходима для крепления длинной детали, являясь для нее второй опорой.
5. Пульт управления с системой ЧПУ: Это мозг станка, благодаря которому обрабатываются команды управления, заложенные инженером-программистом или оператором. Например, обороты шпинделя, скорость перемещения, смена инструмента и расчёт их точного положения на протяжении всего процесса обработки. Сам пульт управления находится на внешней части токарного станка справа от рабочей зоны и включает в себя монитор, на котором показывается программа обработки и все необходимые параметры, и клавиатуру для управления процессом обработки.
6. Кабинет: Место, где находится зона обработки деталей. Он закрыт кожухами, которые защищают оператора от летящей стружки, СОЖ, масляного тумана и от вылета заготовки.
7. Бак СОЖ: Емкость, в которой хранится смазывающе-охлаждающая жидкость. Отсюда она по трубкам поступает к месту использования.
8. Транспортёр для удаления стружки: Предназначен для уборки стружки из черных и цветных металлов в процессе работы станка.
9. Тележка для стружки: Устанавливается под транспортные системы отвода стружки металлообрабатывающих станков.
10. Привод поперечной подачи: Механизмы, с помощью которых перемещаются суппорт и каретка вдоль и попрек обрабатываемой детали.Каретка - нижняя плита суппорта, перемещающаяся по направляющим станины механически или вручную в продольном направлении в зависимости от типа станка и выполняемой операции.
11. Салазки: По станине, а точнее по ее продольным рейкам призматической или плоской формы, передвигаются суппорт и задняя бабка, про которые мы расскажем дальше. Эти продольные направляющие называются салазки. Крайне важно, чтобы они были гладкими и обеспечивали плавное перемещение подвижных модулей. Под ними расположена прочная металлическая конструкция с ребрами и выступами, жесткость которой позволяет обрабатывать на станке крупные детали.
12. Суппорт: Важнейшая конструктивная единица, без которой процесс токарной обработки даже не начался бы. Он передвигается по станине между передней и задней бабкой с закрепленными на нем резцами с помощью резцедержателя, который, в зависимости от конструкции суппорта, может быть одноместным или многоместным. Вдоль станины суппорт двигается по салазкам с помощью ходового винта. А поперек нее - по направляющим, которые служат опорой при повороте суппорта относительно фартука станка.
13. Позиционная револьверная головка с приводным инструментом: Или другими словами - инструментальный магазин - важнейший элемент станка, к которому мы предъявляем повышенные требования к прочности, жесткости и точности позиционирования. В нем может быть расположено от 6 до 20 различных инструментов в зависимости от модели станка. При каждой замене резцы возвращаются в стартовое положение, в котором происходит их выбор для следующего цикла обработки.
14. Привод продольной подачи
15. Система централизованной импульсной смазки: Необходима для принудительной подачи масла в подвижные механизмы станка.
16. Система подачи и сбора СОЖ: Предназначена для подвода смазочно-охлаждающей жидкости в область резания. Благодаря работе системы смазывания станок работает точно, долговечно, экологично и бесшумно.

Для хранения электроаппаратуры на токарном станке предусмотрен шкаф с электроаппаратурой. Он выполнен с защитой от попадания влаги и пыли.

Важная конструкция для работы оборудования - это гидравлическая система, которая с помощью насоса нагнетает масло. А оно подается в нужный исполнительный механизм посредством электромагнитных клапанов. Это необходимо для крепления заготовки в гидропатроне, а также для контроля усилия ее зажатия в нем.

В случае установки тяжелых и больших деталей предусмотрена педаль. При использовании заготовок из мягкого материала оператор может регулировать усилие сжатия с помощью реле давления. Как и задняя бабка, он предназначен для поддержания длинных заготовок во избежание их деформации, а также для уменьшения радиального биения.

С помощью резцов обрабатывают цилиндрические и фасонные поверхности, нарезают резьбу, отрезают готовые детали.

Функциональные Возможности Токарных Станков с ЧПУ

Токарные станки - отдельный класс оборудования, где применен принцип обработки тел вращения при помощи режущей оснастки - резцов. Различные классы токарных станков применяются в металлообработке при производстве изделий, деталей для машин и механизмов.

Основные операции, выполняемые на токарных станках с ЧПУ:

• Нарезание резьбы (метрической, дюймовой, многозаходной и пр.) - выполняется при помощи резьбовых резцов или оправок (державок) с соответствующими сменными пластинами для обработки резьб. Резьба может быть как наружной, так и внутренней, причем обработку ведут не только при помощи резцов, но и метчиками. А на станках с приводным инструментом - резьбовыми фрезами.
• Растачивание - процесс механической обработки внутренних поверхностей отверстия расточными блоками в заданный размер.
• Точение спиральных канавок - данный метод оптимально подходит для нарезания спиральных канавок на торце заготовки. Подача инструмента в процессе обработки производится в радиальном направлении.
• Обработка фасонной поверхности - осуществляется при помощи поступательных движений режущего инструмента (фасонного типа) в противоположном направлении к движущейся детали. Чаще всего используется для взаимодействия со сложными поверхностями: сферическими, бочкообразными и пр.
• Сверление, зенкерование и развертывание.

Подготовка к Работе на Станке с ЧПУ

Перед началом работы на станке с ЧПУ необходимо выполнить несколько важных шагов:

• Предстартовый. Перед запуском станка убедитесь, что масло и охлаждающая жидкость заполнены по максимуму.
• Пуск / Домой. Подключите станок к питанию и запустите.
• Загрузка инструментов. Загрузите все инструменты в карусель в том порядке, который указан в списке программы ЧПУ.
• Установка коррекции. Установите показатель коррекции на длину инструмента. Установите коррекцию осей X и Y.
• Пробный прогон. Запустите программу. Отрегулируйте смещения как требуется.
• Завершение работы. После того, как станок настроен, можно начинать процесс производства.

Примеры Производителей и Моделей Станков с ЧПУ

На рынке представлено множество производителей и моделей станков с ЧПУ, предназначенных для различных задач и бюджетов. Вот некоторые из них:

Производитель	Модель	Описание
Han's Laser	Han's HyRobot-C1000	Лазерный станок с роботизированной системой резки, шестью осями и лазером мощностью в 1000 Вт.
Han's	HL400T/2	Фрезерно-гравировальный станок. Работает с такими материалами, как акрил, стекло, керамика, металл, пластик, достигая уровня повторяемости в ±0.005 мм.
Advercut	K6090T4A	3D-фрезер с четырьмя одновременно работающими осями, со скоростью обработки 6 мм в минуту. Работает с легкими металлами, деревом, пластиком и композитными материалами.
Roland	MODELA MDX-50	Промышленный фрезерный станок, отлично подходит для CAD/CAM образования, прототипирования и моделирования. На нем также можно печатать 3D-детали с точностью до 0.01 мм.
LTT	LTT-Z6040B	Лазерно-гравировальный станок, который считается наиболее доступным на российском рынке, среди профессионального ЧПУ-оборудования. Станок работает с любыми материалами, кроме металла. Время непрерывной работы устройства - до 12 часов.
Dragontech	-	ЧПУ-фрезеры, доступные для малого и среднего бизнеса, благодаря невысокой цене и универсальности. Они работают с такими материалами, как дерево, пластик, оргстекло.
Bodor	-	Специализируется на лазерных граверах. Благодаря волоконным и CO2 лазерам, устройство позволяет производить резку как металлических, так и неметаллических изделий.
GCC	LaserPro	Гравировальные станки серии LaserPro от GCC обеспечивают профессиональное качество гравировки.
Jet	JBG-150, JSG-64, JWBS-9X, JWL-1440VS	Предлагает огромное количество оборудования разного предназначения, такого как заточный станок Jet JBG-150, тарельчато-ленточный шлифовальный станок Jet JSG-64, ленточнопильный станок Jet JWBS-9X, токарный станок по дереву Jet JWL-1440VS и т. д.
Optimum	TU2304 CNC, B17PRO, F4, F410	Токарный станок с ЧПУ Optimum TU2304 CNC, сверлильный станок Optimum B17PRO, фрезерный вертикальный станок с ЧПУ Optimum F4, Фрезерный вертикальный станок с ЧПУ Optimum F410 и др.
Steepline	SL01PEN	Фрезерные станки с ЧПУ. Эта модель отличается возможностью собрать комплектацию в зависимости от требований производства, что позволяет сэкономить средства на ненужном оборудовании станка.
Умные станки	Clever В800	Станок Clever В800 предназначен для работы с алюминиевыми заготовками. Изначально эта модель оснащена тремя осями, но предусмотрена также возможность модификации четвертой осью.