Устройство станка с ЧПУ: узлы, системы, особенности эксплуатации

О чем речь? Устройство станка с ЧПУ везде будет одинаково, несмотря на то что числовое программное управление используется на разных типах оборудования. Им оснащают токарные, фрезерные, шлифовальные, многоцелевые установки.

Как устроен? Станок с ЧПУ состоит из основания, станины, головки автомата, бабки шпинделя, приводов, двигателя, системы управления. Ключевую роль в работе играет координатная система.

Что собой представляют станки с ЧПУ

Это оборудование с компьютерным управлением. До разработки ЧПУ управление станками механики осуществляли вручную. С помощью него компьютер запускает машину за счет регулирования сервоприводами. То есть операторы включают станки, но их работа не требует постоянного участия человека.

ЧПУ-обработкой называется процесс производства, в котором детали изготавливаются под управлением специального ПО. Раньше работа станков была основана на системе гидравлики, за счет которой можно было получать одинаковые изделия по шаблону. Сегодня все контролируется программами, включая скорость шпинделя, движения обрабатывающей системы, включение или выключение охлаждения и так далее. ЧПУ в станках делает процесс массового изготовления деталей намного проще.

Есть множество разных устройств с ЧПУ, включая лазерные станки, фрезерные установки, 3D-принтеры, машины для электроэрозионной и водоструйной обработки, маршрутизаторы, электронное разрядное оборудование и т. д. Рассмотрим более подробно работу станков с ЧПУ.

Программисты создают ПО для обработки изделий на специальном языке программирования G-Code. Оно пишется созданием кода полностью с нуля либо с применением специального программного обеспечения (САМ), переводящего чертежи деталей, выполненные в программах CAD, в G-код.

Фото: usertrmk / Freepik

Станки с ЧПУ очень долго применялись только в промышленном производстве, потому что стоили очень дорого. Сейчас на рынке много устройств по доступной стоимости, поэтому купить станок с программным управлением для личного пользования могут и профессионалы, и любители.

Принцип работы станков с ЧПУ

Понимание их деятельности базируется на основных принципах обработки изделия и управления устройством. Любой аппарат с ЧПУ рассматривается как комплекс определенных элементов:

• функциональный компонент — состоит из инструмента и оснастки, основных частей обрабатывающего узла, рабочих поверхностей и приводов;
• исполнительный элемент — приводы, отвечающие за взаимодействие функциональных и программных частей — шаговые и серводвигатели, компоненты гидравлической системы, механизмы позиционирования и замены инструмента;

• программный компонент необходим для непосредственного управления станком за счет подачи исполнительным агрегатам заранее написанных команд;
• система обратной связи — совокупность узлов и датчиков, которые контролируют процесс и измеряют показатели.

Устройство токарного станка с ЧПУ предполагает наличие в его программной части аналитического компонента, принимающего данные от системы обратной связи и регулирующего работу прибора при выявлении отклонений.

В программную часть оборудования загружается алгоритм осуществления операций и циклов и обрабатывается для генерации сигналов. Заготовка и инструменты позиционируются исполнительными механизмами. Сам процесс обработки (фрезеровка, точение, сверление) осуществляется функциональной частью.

Система контроля и обратной связи проводит измерение деталей, собирает данные о параметрах процесса и передает их в программную часть. Так формируется замкнутый цикл, благодаря которому заданные операции выполняются точно и в определенной последовательности.

Станки с ЧПУ осуществляют обработку дерева, металла и других материалов по одному и тому же принципу. Отличаются только оснастка и используемый инструмент. Системы, оснащенные ЧПУ, применяются не только для манипуляций с телами вращения. Производятся также штампы, устройства намотки/размотки, прессы, разрезные станки.

Общее устройство и основные узлы станка с ЧПУ

Оборудование состоит из узлов, отвечающих за выполнение конкретных функций.

Рассмотрим устройство станка с ЧПУ. Его основные узлы:

• основание — это прямоугольник, обеспечивающий в сочетании со станиной устойчивость оборудования;
• станина — основная деталь станка, объединяющая все механизмы и узлы;

Фото: serhii_bobyk / Freepik

• бабка шпиндельная — в ней находится подшипниковый шпиндельный узел, на котором закрепляется и вращается заготовка;
• головка-автомат позволяет приводить в рабочее положение режущие инструменты;
• приводы подач посредством шарико-винтовых пар преобразуют движения ротора в линейное расположение узлов;
• датчик нарезки металла фиксируется на шпиндельной бабке;
• система управления — станок содержит несколько панелей, осуществляющих контроль за работой и изготовлением деталей.

Если понимать устройство и принцип работы станков с ЧПУ и основных узлов, можно оперативно начать работу, а также разобраться с неполадками или пояснить мастеру суть проблемы.

Оборудование с ЧПУ делится на:

• токарное;
• фрезерное;
• шлифовальное;
• электроэрозионное;
• многоцелевое.

Первые три типа устройств — усовершенствованные модели. Токарные обрабатывают детали в телах вращений, фрезерные формируют сквозные отверстия или канавки, шлифовальные делают поверхность изделий гладкой.

Электроэрозионные станки обладают сложной конструкцией. На них изделия обрабатываются посредством электроэрозии за счет перемещения электродов в жидкости. Устройства используют, когда требуемый эффект невозможно получить путем фрезерной или токарной обработки.

Устройство координатной системы станка с ЧПУ

Для оборудования с программным управлением используется унифицированная система координат, которую рекомендует Международная организация по стандартизации — прямоугольная.

Количество осей координат, их ориентация в пространстве, а также нулевая точка станка (начало отсчета) регламентируется изготовителем и последующему изменению не подлежит. Такая система координат — базовая расчетная для ЧПУ, в которой устанавливаются максимальные перемещения, стартовые и текущие положения исполнительных элементов станка.

Для удобства настройки рабочего процесса и программирования устройств и станков с ЧПУ оси координат всегда ведут параллельно направляющим оборудования. Пространственное их расположение зависит от типа станка и может быть разным, но есть также и общие принципы:

• Ось Z всегда совпадает с осью вращения шпинделя. Положительное ее направление всегда совмещено с направлением движения от станка для закрепления детали у режущего инструмента.
• Если система координат оборудования обладает хотя бы одной осью, которая имеет горизонтальное расположение и не совпадает с осью вращения шпинделя, то это всегда ось Х.
• Если ось Z имеет горизонтальное расположение, то положительное направление оси Х — это вектор смещения вправо, если находиться лицом к левому торцу устройства относительно передней плоскости — это сторона, на которой находится пульт и все основные элементы управления.

• Если ось Z имеет вертикальное расположение, то положительное направление оси Х — это направление смещения в правую сторону, если стоять лицом к передней плоскости.
• Положительное направление оси Y находится в соответствии со следующими правилами:
• смотря в положительном направлении вдоль оси Z, мысленно развернуть ось Х по часовой стрелке на 90° вокруг оси Z;
• правило правой руки: расположить мысленно ладонь правой руки в начале координат так, чтобы ось Z выходила в направлении, перпендикулярном ладони, а большой палец, отведенный под углом 90° к ладони, указывал на положительное направление оси Х, тогда указательный палец будет означать положительное направление оси Y.

Особенности эксплуатации станков с ЧПУ

Не нужно воспринимать это оборудование как устройства, которые могут использоваться только на крупном производстве.

Также значение имеет повторяемость и высокая точность изготовления изделий, чего слишком трудно добиться, даже если работу выполняет очень опытный специалист. Если есть возможности применения проектировочных и конструкторских платформ класса CAD и навыки работы с ними, ЧПУ позволяет получать самые сложные профильные изделия, проводить прецизионную обработку материала.

Что касается эксплуатации в определенных условиях, необходимо правильно определять задачи и соответствие оборудования сложности работ. Сегодня выпускают разные виды комплексов с ЧПУ, имеющих особые степени автоматизации:

• станки настраиваются и запускаются с помощью обычных маховичков или посредством загрузки кода ЧПУ;
• устройство фрезерных станков по металлу с ЧПУ, имеющих относительно простую конструкцию, позволяет проводить манипуляции в трех осях с неподвижным шпинделем – этого вполне хватает для мелкосерийных производств;

Фото: KamranAydinov / Freepik

• многоосевые станки для работы со сложными деталями дают возможность уменьшить число промежуточных процедур благодаря изменению выноса и оси шпинделя, подвижности револьверных патронов, поворотных столов и инструментальных колонн;
• обрабатывающие центры ЧПУ используются на масштабных производствах, поскольку позволяют создавать изделия разными инструментами в несколько проходов, повышая уровень точности каждого процесса.

Системы ЧПУ крупных производителей дают возможность получать справочные данные, проводить чистовую и черновую обработку, запускать программные коды в определенном порядке для заранее сформированного и сохраненного процесса.

Особенности устройства станка с ЧПУ влекут определенные требования к их настройке, запуску и обслуживанию:

• нужно тщательно следить за состоянием исполнительных элементов — приводов, направляющих и узлов, износ которых оказывает влияние на точность обработки;
• функциональные элементы станка нужно обслуживать по отдельному регламенту, созданному для конкретного вида оборудования;
• программное обеспечение устройства необходимо обновлять при появлении свежих версий, чтобы системой можно было пользоваться;
• запасные детали и комплектующие для таких станков должны быть прописаны в руководстве от производителя как рекомендованные. Это имеет особое значение для реплик и аналогов.

Если нужно поменять программу или запустить новый процесс, необходимо выполнить тестовый прогон всего цикла обработки, проверить данные с датчиков и проконтролировать возможные сообщения об ошибках.

Часто задаваемые вопросы об устройстве станка с ЧПУ

Каковы основные их параметры?

Это:

• Габаритные размеры оборудования — размеры станка, зависящие от его рабочей области и дизайна. Они могут быть от крупных до компактных размеров.
• Тип привода — бывают электрические, гидравлические или пневматические.
• Тип управления — процесс может контролироваться программным или аппаратным методом.
• Производительность — это число изделий, которое можно получить на станке с ЧПУ за определенный отрезок времени.

Фото: seventyfour / Freepik

• Число осей — описание разных направлений, которые могут использоваться для смещения инструмента на станке.
• Мощность шпинделя — показывает производительность двигателя, который управляет вращением инструмента.
• Скорость движения инструмента — быстрота его передвижения вдоль осей станка.
• Точность обработки — показатель, который характеризует способность оборудования повторять движения инструмента и выполнять позиционирование.
• Рабочая область — максимальные размеры детали, которой можно заниматься на данном устройстве.
• Масса оборудования — от нее зависят мобильность и устойчивость прибора.

Каково устройство приводов станка с ЧПУ?

В их подсистему входят двигатели и винтовые передачи, помогающие выполнять команды управляющего модуля, чтобы осуществить перемещение исполнительных элементов оборудования.

Станок с ЧПУ имеет усовершенствованный ходовой винт, благодаря которому перемещение исполнительного органа происходит почти без люфта и с наименьшим трением. Люфты важно устранять, поскольку это, во-первых, требуется, чтобы выполнять максимально точное позиционирование. А во-вторых, только при таком условии можно делать нормальное попутное фрезерование.

Каково устройство двигателей станков с ЧПУ?

Это второй элемент подсистемы. Двигатель, а если сказать более точно, несколько двигателей в оборудовании. Вал каждого, вращаясь, поворачивает высокоточный ходовой винт, в результате чего рабочий стол или колонна линейно перемещаются. Станки оснащаются серво- либо шаговыми электрическими двигателями.

Сегодня к качеству продукции предъявляются очень высокие требования, поэтому предприятия должны соответствовать все более высоким производственным стандартам. Станки токарной группы с ЧПУ, благодаря устройству и технологическим показателям, отвечают всем современным нормам.

Изображение в шапке статьи: nikitabuida / Freepik