Системы управления станков с числовым программным управлением (ЧПУ) СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3 1 Определение понятия «числовое программное управление» ......................... 5 2 Сущность системы ЧПУ ...................................................................................... 8 3 Особенности станков с ЧПУ и их преимущества ........................................... 11 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 22 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 24 2 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы в том, что станки с числовым программным управлением — современное прогрессивное металлорежущее оборудование автоматически, с высокой производительностью и точностью обрабатывает (точением, сверлением, фрезерованием, шлифованием) различные детали, в том числе сложные корпусные. На таком оборудовании автоматически и бесступенчато меняются частоты вращения, шпинделей и скорости подач суппортов, столов и других механизмов, которые также автоматически устанавливаются в заданных положениях и закрепляются. Смена режущего инструмента, предварительно настроенного, также происходит автоматически. Однако на ряде моделей станков с ЧПУ режущий инструмент меняет оператор. ЧПУ станок позволяет быстро получить спроектированное на компьютере изделие, причем ЧПУ станок производит изделия гораздо быстрее и тщательнее чем вручную. Точный и легко приспосабливаемый ЧПУ станок позволяет осуществить проекты, которые, используя ручные технологии, оказались бы невыполнимыми или невыгодными. Хороший станок с ЧПУ должен справляется с разнообразными предназначениями: фрезерование, лазерная резка, сверление, гравировка и пр. с незначительными изменениями конфигурации станка. Станок с ЧПУ, который не приспособлен к изменчивым и увеличивающимся потребностям сегодняшнего производства вряд ли стоит приобретать. ЧПУ станок должен быть многофункциональным. Вместе с тем стоимость готового станка с ЧПУ довольно велика. Один из выходов — создание самодельного станка с ЧПУ. Степень изученности. В разработке данной темы были использованы работы таких авторов как: Акопов Г. Л., Кусков В. В., Петренко А.В., Голицына О. Л., Егоров А. В., Федорова Г. Н., Шафрин Ю. и др. 3 Целью данной работы является изучение систем управления станков с ЧПУ, исходя из поставленной цели, были определены следующие задачи: рассмотреть определение понятия «числовое программное управление»; исследовать сущность системы ЧПУ; выявить особенности станков с ЧПУ и их преимущества. Структура данной работы состоит из: введения, 3 глав, заключения и списка используемой литературы. 4 1 Определение понятия «числовое программное управление» При автоматическом управлении станком команды в необходимой последовательности задают программоносителем. Программоносителями могут служить кулачки, копиры, упоры и т. д., по командам которых работают автоматы, полуавтоматы, копировальные станки и др. При смене объекта производства заменяют кулачки, копиры и другие элементы новыми. В станках с программным управлением применяют программоносители в виде перфокарт, перфолент, магнитных лент, содержащие информацию. Такие программоносители позволяют автоматизировать процесс подготовки программ с меньшими затратами. На программоносителе может быть представлена геометрическая и технологическая информации. Технологическая информация содержит данные о последовательности ввода в работу различных инструментов, изменение режимов резания, включение и переключение частот вращения шпинделя и др. Геометрическая информация характеризует форму, размеры элементов изделия и инструмента и их взаимное положение в пространстве. По виду управления станки с программным управлением (ПУ) делят на станки с системами циклового программного управления (ЦПУ) и станки с системами числового программного управления (ЧПУ). в станках с ЧПУ в программоноситель вводят только технологическую информацию, а размерная настройка обеспечивается на станке упорами. В станках с ЧПУ управление осуществляется от программоносителя, на который закодированы как технологические, так и размерные информации. Применение станков с ЧПУ позволяет высвободить большое число универсального оборудования и обеспечить высокую производительность труда1. 1 Федорова Г. Н. Информационные системы / Г. Н. Федорова. - М.: Академия, 2012. - 28 с 5 Расшифровка ЧПУ (аббревиатуры) дословно - это числовое программное управление. В более широком смысле под сокращением понимается сложный комплекс управления станками с автоматическим циклом резания деталей. Для обслуживания таких систем требуются высококвалифицированные работники. Для ЧПУ расшифровка: Ч (числовое) — все математические операции производятся в двоичном коде. Круговые и линейные перемещения преобразуются в количественные величины с определённым шагом (часто встречается точность в 0,01 микрона). П (программное) — все этапы процесса записаны в виде простейших циклов. Задачей оператора является подбор определённых параметров согласно чертежу детали. Обработка после загрузки в память не требует участия человека. Иногда вносятся коррекции по окончании цикла реза. У (управление) — процесс обработки полностью автоматизирован. Незаметно происходит контроль нагрузок по осям, положение круговых и линейных датчиков. Также учитываются механические люфты, заданные коэффициенты твердости заготовки и влияние температуры окружающего воздуха. В аббревиатуре ЧПУ расшифровка скрывается более обширная: система управления способна одновременно проводить десятки сотен операций. Сложные конструкции могут иметь более 12 осей. Точность перемещения каждой более 0,01 мкм. Производимые на таких станках детали используются в космических аппаратах, микрохирургии, точных механизмах. Расшифровка ЧПУ вам теперь известна. Это оборудование включает в себя несколько частей: электрическая - это системы управления и автоматики; механическая - это пневматические и гидравлические системы; внешнего оформления - это дизайн и удобство в использовании. Числовое программное управление постепенно вытесняет ручные способы. 6 Еще остались предприятия в стране, где расшифровка ЧПУ требуется каждому работнику. Однако прогресс движется и в глубинку. Станки с программным управлением внедряются на производства даже для выполнения простейших операций. Станки с ЧПУ рентабельны на тех производствах, где происходит массовый выпуск однотипной продукции. Эти системы выбирают заказчики для выполнения высокоточных манипуляций, с которыми человек может справиться с большим трудом. Принцип работы оборудования с программным управлением Расшифровка ЧПУ включает две части: Числовое управление. Все операции основаны на подсчете машинных кодов. Осуществляется слежение за состоянием осей посредством снятия кодовых импульсов. Программное управление включает преобразование заданных команд в понятный машине код через приложения. Человеко-машинный интерфейс представлен в наглядной форме. Для одного типа деталей программа составляется только раз и хранится на внешнем носителе либо во встроенном хранилище, если позволяет память. При возникновении необходимости машинный код переносится в оперативную память, и автоматический цикл запускается вновь. ЧПУ-системы хороши на любом оборудовании с несколькими координатными осями2. Под каждое производство в продаже имеется идеальное решение. Важно учесть все основные требования к оборудованию. Перечислим лишь некоторые из них: нагрузка на инструмент, интенсивность и скорость обработки, количество осей и возможность модернизации станка в будущем. 2 Федорова Г. Н. Информационные системы / Г. Н. Федорова. - М.: Академия, 2012. - 31 с 7 2 Сущность системы ЧПУ Система совокупность числового программного специализированных управления устройств, (СЧПУ) методов и — это средств, необходимых для осуществления ЧПУ станками. Устройство ЧПУ (УЧПУ) станками — это часть СЧПУ, выполненная как единое целое с ней и осуществляющая выдачу управляющих воздействий по заданной программе. В международной практике приняты следующие обозначения: NCЧПУ; HNC — разновидность устройства ЧПУ с заданием программы оператором с пульта с помощью клавиш, переключателей и т. д.; SNC — устройство ЧПУ, имеющее память для хранения всей управляющей программы; CNC — управление автономным станком с ЧПУ, содержащее мини-ЭВМ или процессор; DNC — управление группой станков от общей ЭВМ. Для станков с ЧПУ стандартизованы направления перемещений и их символика. Стандартом ISO-R841 принято за положительное направление перемещения элемента станка считать то, при котором инструмент или заготовка отходят один от другого. Исходной осью (ось Z) является ось рабочего шпинделя. Если эта ось поворотная, то ее положение выбирают перпендикулярно плоскости крепления детали. Положительное направление оси Z — от устройства крепления детали к инструменту. Тогда оси Х и Y расположатся так, как это показано на 1. 8 Рисунок 1 - Расположение осей координат с в станках ЧПУ3 Использование конкретного вида оборудования с ЧПУ зависит от сложности изготовляемой детали и серийности производства. Чем меньше серийность производства, тем большую технологическую гибкость должен иметь станок. При изготовлении деталей со сложными пространственными профилями в единичном и мелкосерийном производстве использование станков с ЧПУ является почти единственным технически оправданным решением. Это оборудование целесообразно применять и в случае, если невозможно быстро изготовить оснастку. В серийном производстве также целесообразно использовать станки с ЧПУ В последнее время широко используют автономные станки с ЧПУ или системы из таких станков в условиях переналаживаемого крупносерийного производства. Принципиальная особенность станка с ЧПУ — это работа по управляющей программе (УП), на которой записаны цикл работы оборудования для обработки конкретной детали и технологические режимы. Избачков Ю. Информационные системы / Ю. Избачков, В. Петров, А. Васильев, И. Телина. - М.: Питер, 2012. - 54 с 3 9 При изменении обрабатываемой на станке детали необходимо просто сменить программу, что сокращает на 80... 90 % трудоемкость переналадки по сравнению с трудоемкостью этой операции на станках с ручным управлением4. Избачков Ю. Информационные системы / Ю. Избачков, В. Петров, А. Васильев, И. Телина. - М.: Питер, 2012. - 60 с 4 10 3 Особенности станков с ЧПУ и их преимущества Известно, что квалифицированный рабочий, хорошо знающий свой станок, может изготовлять на нем высококачественные детали, даже если станок изношен и не соответствует техническим условиям. С другой стороны, малоквалифицированный станочник не всегда умеет обеспечить обработку заготовок с необходимой точностью на хорошем станке. При работе на универсальном оборудовании рабочий, являясь одним из звеньев системы управления, обеспечивает необходимую точность обработки, учитывая и корректируя возникающие отклонения. Станки с ЧПУ предназначены для универсального использования без участия рабочего. Поэтому к ним предъявляется ряд повышенных требований. С целью повышения жесткости и точности станины, стойки, столы и другие базовые сборочные единицы изготовляют с дополнительными ребрами жесткости, а приводы главного движения и подач выполняют с кинематической цепью минимальной длины с беззазорными зубчатыми (рис. 2-4) и шарико-винтовыми передачами. Последние в сочетании с напрвляющими качения исполнительных механизмов (столов, суппортов и др.) обеспечивают высокую динамическую жесткость, плавность перемещения и стабильность параметров при самых низких скоростях. В приводах главного движения, механизмах подач для смены инструментов широко используются электромагнитные муфты, позволяющие автоматически переключать скорости, четко переключать передачи, осуществлять реверсирование и торможение. Шпиндельные механизмы делают более жесткими за счет увеличения диаметров и усиления опор главным образом подшипниками качения с предварительным натягом. Эти конструкции усложняют еще и тем, что в них 11 встраивают устройства для автоматического зажима и отжима инструментов5. Для точности позиционирования широко используются шаговые электродвигатели в сочетании с гидроусилителями моментов. Передачи в станках с системой ЧПУ выполняются как беззазорные, в том числе и зубчатые, передающие движение исполнительным механизмам. Беззазорность в зубчатых зацеплениях достигается различными способами, ниже представлены некоторые из них. На рис. 2 показана беззазорная зубчатая передача. Это достигается радиальным сближением прямозубых зубчатых колес (изменением межосевого расстояния А между валами). Для этого осуществляют разворот эксцентриковой втулки 2 с валом 3. При этом обеспечивают умеренно плотное сцепление, при котором люфт между зубьями почти не ощутим. Рисунок 2 - Устранение зазора в зубчатой передаче радиальным смещением зубчатого колеса (шестерни) 6 Информатика. Информационные системы. Информационные технологии. Тестирование. Подготовка к Интернет-экзамену / Под редакцией Г. Н. Хубаева. - М.: МарТ, Феникс, 2015. - 68 с 5 12 На рис. 3 показана передача, у которой уменьшение люфта между цилиндрическими зубчатыми колесами 1,2 w 3 осуществляется разворотом колес 2 и 3 одного вала. Колесо 3 посажено на ступице колеса 2 (которое соединено с валом шпонкой 6) и скреплено с ним винтами 5. При этом каждое из колес 2 w3 работает одним противоположным профилем. Уменьшение зазора в зацеплении производится посредством эксцентрика. Рисунок 3 - Схема выборки люфта в беззазорной зубчатой передаче7 относительным разворотом двух прямозубых колес, сидящих на одной оси Путькина Л. В. Интеллектуальные информационные системы / Л. В. Путькина, Т. Г. Пискунова. М.: СПбГУП, 2013. - 122 с 6 Путькина Л. В. Интеллектуальные информационные системы / Л. В. Путькина, Т. Г. Пискунова. М.: СПбГУП, 2013. - 125 с 7 13 На рис. 4 показана беззазорная зубчатая передача со сдвоенными косозубыми колесами 5 и 7 с промежуточными полукольцами 2 и 6, соединенными винтами 4 и штифтами 3. Колесо 7 посажено на ступице колеса 5 по скользящей посадке и удерживается от разворота штифтами. Устранение зазора в этом зубчатом зацеплении осуществляют осевым сдвигом колеса 7 относительно колеса 5, при котором каждый из зубчатых венцов будет контактировать противоположным 8 м 9 (рис. 124) профилем с широким зубчатым колесом 1. Рисунок 4 - Схема выборки зазора в зубчатом зацеплении осевым сдвигом двух косозубых колес8 Чтобы устранить зазор, ослабляют винты, вынимают полукольца 2 и 6 и затем винтами 4 регулируют сцепление так, чтобы не было ощущение люфта при изменении направления вращения передачи. Далее щупом замеряют расстояние между внутренними торцами колес 5 и 7 с точностью 0,01 мм и по среднему значению трех замеров на разных участках шлифуют полукольца, которые устанавливают на место и закрепляют винты 4. Путькина Л. В. Интеллектуальные информационные системы / Л. В. Путькина, Т. Г. Пискунова. М.: СПбГУП, 2013. - 127 с 8 14 Большие эксплуатационные преимущества направляющих качения по точности, жесткости, долговечности, низкому коэффициенту трения, и в частности роликовых опор с циркулирующими роликами (танкетки), обусловливают все большее их применение на современных станках, в том числе с ЧПУ. Танкетки изготовляют разных типов и размеров, одна из них представлена на рис. 5. Она состоит из двух обойм, комплекта роликов 6, двух сепараторов 5, крепежных винтов 5, штифтов 7, 5 и направляющей 4. Роликовые опоры, набитые смазкой ЦИАТИМ-201, монтируют на специальных платформах (монтажные подушки) в количестве одной — трех штук в зависимости от нагрузки и длины хода. Обоймы танкеток скрепляют с платформой 2 винтами 5, при этом добиваются, чтобы токарный станок с числовым программным управлением 16К20ФЗС4. Рисунок 5 - Роликовая направляющая качения (танкетка) 9 Шафрин Ю. Информационные технологии. В 2 частях. Часть 2. Офисная технология и информационные системы / Ю. Шафрин. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. - 33 с 9 15 Станок 16К20ФЗС4 предназначен для обработки в полуавтоматическом цикле наружных и внутренних поверхностей и деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем самой различной сложности, а также для нарезания резьбы. Основание станка — монолитная отливка, на которой установлена станина. В левой нише основания размещена моторная установка, на задней части основание крепится автоматическая коробка скоростей (рис. 6). Средняя часть основания служит сборником для стружки и охлаждающей жидкости. Станина 17 (рис. 6) коробчатой формы, с поперечными ребрами Побразиого профиля. Для перемещения каретки суппорта (под Передвижным щитком) служит неравнобокая призматическая, передняя и плоская задняя каленые направляющие. На правой части станины крепится привод продольной подачи. Рисунок 6 - Общий вид токарного станка 16К20ФЗС410 Шафрин Ю. Информационные технологии. В 2 частях. Часть 2. Офисная технология и информационные системы / Ю. Шафрин. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. - 37 с 10 16 Привод главного движения включает электродвигатель, автоматическую девятискоростную коробку скоростей 3, переднюю бабку 16 (рис. 7), соединенные клиноременными передачами. В шпиндельной бабке предусмотрено переключение вручную рукояткой 2 (см. рис. 6) трех диапазонов скоростей, что вместе с девятьюскоростной коробкой скоростей обеспечивает получение частот вращения шпинделя от 12,5 до 2000 об/мин. Привод поперечной подачи монтируется на задней стороне каретки суппорта и включает шаговый двигатель с гидроусилителем, одноступенчатый редуктор и передачу винт — гайка качения. Суппорт и каретка — традиционного типа, отличаются увеличенной высотой каретки суппорта для повышения жесткости и возможности установки шарикового винта поперечной подачи диаметром 40 мм. Поворотная резцедержавка 4 (см. рис. 6) — шестипознционная (с горизонтальной осью вращения), в которой устанавливается шесть резцоввставок (инструментальных блоков), предварительно настроенных на заданные размеры вне станка. Гидрооборудование станка включает гидростанцию с резервуаром для масла емкостью электродвигателем 100 и л, регулируемым элементами насосом, фильтрации и приводным охлаждения, гидроусилителями моментов продольного и поперечного ходов суппорта, магистральными трубопроводами, соединяющими сборочные единицы станка и аппаратуры. 17 Рисунок 7 - Схема регулирования натяжения ремней привода главного движения станка 16К20ФЗС411 Система ЧПУ обеспечивает перемещение суппорта по двум координатам, автоматическое переключение девяти скоростей шпинделя, индексацию шестипозиционного резцедержателя с автоматическим поиском требуемой позиции, а также выполнение ряда вспомогательных команд. Работа гидропривода происходит в соответствии с подачей электрических команд от системы управления (ЧПУ) к шаговым двигателям. При отработке шаговым электродвигателем (ШД) (рис. 8) какого-то числа электрических импульсов происходит поворот через муфту 7 входного Голицына О. Л. Информационные системы / О. Л. Голицына, Н. В. Максимов, И. И. Попов. - М.: Форум, 2015. - 49 с 11 18 вала и смещение посредством резьбового соединения 3 следящего золотника 2 гидроусилителя на соответствующую величину. Масло под давлением через щели следящего золотника и распределительного диска 4 воздействует на поршни 5 ротора гидроусилителя, который поворачивает выходной вал 6 пропорционально величине открытия щелей. Рисунок 8 - Схема привода от ШД с гидроусилителем и гидромотором12 За счет энергии масла, подводимого к гидроусилителю, электрические сигналы малой мощности, поступающие на вход шагового электродвигателя, многократно усиливаются н преобразуются в синхронные (по отношению к валу шагового двигателя), вращение выходного вала гидроусилителя происходит с крутящим моментом, необходимым для перемещения рабочих (исполнительных) органов. При этом величина угла поворота выходного вала гидроусилителя определяется числом поданных импульсов, а скорость — частотой их следования. На данном станке каждый импульс обеспечивает линейные перемещения суппорта на 0,01 мм, а число импульсов составляет до 1000 в минуту, благодаря которым создаются различные скорости подач. Голицына О. Л. Информационные системы / О. Л. Голицына, Н. В. Максимов, И. И. Попов. - М.: Форум, 2015. - 53 с 12 19 Большая часть отказов присуща станку 16К20ФЗС4. Поэтому ниже приведены только некоторые технологические процессы регулировок, осуществляемых при техническом обслуживании, относящиеся только к этому станку с ЧПУ. Регулировка натяжения ремней (см. рис. 7) привода главного движения осуществляется следующим образом: Натяжение ремней, идущих от шкива автомапической коробки скоростей (АКС) 3 к шкиву передней бабки 16, регулируют смещением АКС по горизонтальной поверхности кронштейна 7. Для этого предварительно ослабляют гайки 6, регулируют натяжение винтом 4 и затем закрепляют гайки; Натяжение ремней 9, передающих вращателыюе движение от электродвигателя к АКС, осуществляют смещением подмоторной плиты по вертикали гайкой 5, предварительно ослабив и затем закрепив болты 10 и 14. Натяжение peмнeй 9 в зависимости от натяжения ремней можно регулировать вертикальным перемещением кронштейна 7 вместе с АКС. Для этого ослабляют гайки 8, регулируют наряжения ремней винтом 2 и закрепляют ослабленные гайки; Натяжение ремня 13 (от электродвигателя к смазочной станции) производят смещением плиты 15 при помощи рычага (на рисунке не показан). Для этого ослабляют болты 12 и 14, смещают станцию и закрепляют. Основные преимущества станков с ЧПУ: производительность станка повышается в 1,5... 2,5 раза по сравнению с производительностью аналогичных станков с ручным управлением; сочетается гибкость универсального оборудования с точностью и производительностью станка-автомата; 20 снижается потребность в квалифицированных рабочих- станочниках, а подготовка производства переносится в сферу инженерного труда; детали, изготовленные по одной программе, являются взаимозаменяемыми, что сокращает время пригоночных работ в процессе сборки; сокращаются сроки подготовки и перехода на изготовление новых деталей благодаря предварительной подготовке программ, более простой и универсальной технологической оснастке; снижается продолжительность цикла изготовления деталей и уменьшается запас незавершенного производства. 21 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, современные станки с ЧПУ оснащаются дополнительным компьютером. Он требуется для реализации сложных задач одним нажатием, а также осуществляет визуализацию текущего процесса. На жёстком диске хранятся все данные, которые не потеряются при внезапном отключении электроэнергии. Числовое программное управление часто внедряется в старое оборудование, где сохранилась приемлемая по допускам механика. Это могут быть станки для деревообработки, для создания печатных плат, по работе с металлами. Практически любая конструкция может оснащаться ЧПУ-системами, где присутствует хотя бы 2 контролируемых оси. Станки на основе ЧПУ применяются в разных отраслях по оказанию услуг и производстве: для обработки древесины и плит из дерева; для обработки пластика; камней; сложных изделий из металла, включая ювелирные изделия. Приборы с ЧПУ имеют ряд таких функций, как: фрезерование; сверление; гравировка; распил; лазерная резка. Некоторые модели станков с ЧПУ имеют возможность совмещать одновременно разные виды обработки материалов, тогда их называют обрабатывающими центрами на основе ЧПУ. Применение на производстве станков и обрабатывающих центров на основе ЧПУ позволяет вовремя выполнить такие работы, которые бы без их использования были неосуществимыми. Например, при производстве таким способом мебельных фасадов из МДФ, можно выполнить сложные рельефные декоры, которые вручную сделать просто невозможно. Так, благодаря специальным графическим программам для проектирования, можно воплотить самые смелые дизайнерские решения. Кроме того, массовое производство фасадов МДФ с помощью широкоформатных станков с ЧПУ возможно без необходимости предварительно раскраивать плиты и позволяет делать полный цикл их обработки, это значительно экономит 22 время и рабочую силу. Цена оборудования на основе ЧПУ такова, что нужно перед его покупкой хорошо подумать, будет ли это экономически выгодно конкретно для ваших производственных мощностей. Если у вас есть стабильный поток клиентов, и они готовы платить за оригинальные дизайнерские решения, то можете смело вкладывать средства в такое оборудование. Особенность станков на основе ЧПУ – это их надежность и возможность бесперебойной работы в течение многих лет. Но при работе с ними нужно соблюдать все правила безопасности, а также подбирать только квалифицированных операторов и наладчиков. Некачественная работа персонала может вывести прибор из строя раньше положенного срока. 23 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Голицына О. Л. Информационные системы / О. Л. Голицына, Н. В. Максимов, И. И. Попов. - М.: Форум, 2015. - 496 с. 2. Избачков Ю. Информационные системы / Ю. Избачков, В. Петров, А. Васильев, И. Телина. - М.: Питер, 2012. - 544 с 3. Информатика. Информационные системы. Информационные технологии. Тестирование. Подготовка к Интернет-экзамену / Под редакцией Г. Н. Хубаева. - М.: МарТ, Феникс, 2015. - 368 с. 4. Путькина Л. В. Интеллектуальные информационные системы / Л. В. Путькина, Т. Г. Пискунова. - М.: СПбГУП, 2013. - 228 с. 5. Федорова Г. Н. Информационные системы / Г. Н. Федорова. - М.: Академия, 2012. - 208 с. 6. Шафрин Ю. Информационные технологии. В 2 частях. Часть 2. Офисная технология и информационные системы / Ю. Шафрин. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. - 336 с 24
