Конструкция и принцип работы токарных станков по металлу с ЧПУ: технические характеристики

Токарные станки с ЧПУ – это хорошо зарекомендовавшее себя оборудование, предназначенное для серийного производства. Благодаря ему появляется возможность делать детали с высокой точностью, что немаловажно для токарных станков.

ЧПУ позволяет ему улучшить работу без вмешательства человека, делая его практически идеальным для токарных работ и давая ему автономность.

Предназначение устройства ЧПУ

Числовое программное управление (ЧПУ) предназначено для нарезки резьбы на заготовках, выточке деталей из них и тому подобное без вмешательства человеческого фактора для избежание брака на производстве.

Благодаря довольно гибким настройкам они зарекомендовали себя намного лучше, чем человек, а из-за того, что брак у них минимален, станки, оснащённые такой системой, просто незаменимы на серийном производстве, где важно изготавливать множество деталей, которые соответствуют качеству. Также есть такие виды токарных работ, с которыми может справиться только числовое программное управление.

Если разделять станки с ЧПУ на виды, то нужно брать во внимание назначение и выполняемые им работы. В таком случае их можно разделить на пять видов:

• вертикально и горизонтально-фрезерные;
• консольные;
• продольные;
• широкоуниверсальные;
• инструментальные.

GRBL

GRBL

GRBL — это очень простая прошивка с открытым исходным кодом для трехкоординатных ЧПУ. Да, он ограничен тремя, поэтому он не предназначен для 3D-принтеров; это было сделано для того, чтобы удовлетворить потребность в системе, не зависящей от параллельного порта.

Несмотря на то, что он не большой и многофункциональный, GRBL выполняет свою работу и делает это хорошо. Он утверждает, что дает очень плавные результаты и прост в настройке. Перепрошивка может быть выполнена через удобную для пользователя Arduino IDE , и она имеет простую конфигурацию. Все это делает его очень удобным для новичков выбором для проектов с ЧПУ.

• Стоимость: Бесплатно
• Платы: платы Arduino (кроме Arduino Mega)
• Основные характеристики: открытый исходный код, простая настройка, поддержка двух осей, на базе Arduino

Основные преимущества

Если сравнивать с ручными станками, те, что оснащены ЧПУ, производительнее в четыре. Хотя диапазон производительности колеблется от заданных настроек и может составлять от полтора до пяти раз.

Благодаря тому, что в станке с ЧПУ совмещается гибкость универсального оборудования и высокая производительность автоматического станка решается проблема использования такой технологии как в серийном, так и единичном производстве.

Важно!

Благодаря новейшей электронике и лучшей вычислительной техники машиностроение, а именно изготовление деталей для автомобилей, выходит на преимущественно новый уровень.

Из-за того, что процесс становится практически полностью автоматизирован, потребность в квалифицированных работников, которые будут работать на станках, падает. Однако, к безработице это привести не сможет, так как теперь требуются мастера, которые будут следить за исправностью станка с ЧПУ. Благодаря этому без последствий поднимается качество работы.

Время, которое необходимо на пригоночные работы, значительно сохраняется из-за того, что детали делаются, можно сказать, по одному шаблону, поэтому они взаимозаменяемые.

Благодаря тому, что все программы по изготовлению новых изделий записаны в компьютер, пропала надобность переобучать персонал перед переходом на работу с новыми изделиями. Достаточно просто включить нужную программу.

Детали, которые делаются на станке с ЧПУ, изготавливаются намного быстрее. Кроме того, из-за отсутствия человека уровень брака и незавершённой работы значительно сокращаются.

Обрабатывающие центры консольного типа

Главная особенность их конструкции – движущаяся несущая часть (портал, станина) при зафиксированном в одном положении шпинделе. За счет такого строения отличаются сравнительно высокой жесткостью, способствующей точности выполнения технологических операций. Наиболее популярны, разделяются на несколько подвидов, каждый из которых заслуживает рассмотрения.

Обладающие широкой универсальностью

Это и сверлильные, и токарные, и фрезерно-расточные станки с ЧПУ – сразу несколько моделей в одной, способной осуществлять все виды обработки металлов, сплавов, пластиков, древесины и других материалов. Они особенно востребованы в массовом и крупносерийном производстве, так как могут похвастать многозадачностью. У них сразу две шпиндельные головки (вторая – на выдвижном хоботе, так что ее не проблема разместить под любым углом), плюс еще одна накладная. Такое конструктивное решение позволяет быстро выпускать и/или подготавливать детали самой сложной формы – по принципу «один инструмент снимает лишний материал, другой в это же время – растачивает отверстие».

В качестве примеров такого оборудования можно привести:

• JET JMD-939GH;
• НГФ-110-Ш4+ВГФ;
• СФ-676 (675).

Отдельного внимания заслуживает просто универсальный фрезерный станок с ЧПУ, который относится немного к другой категории. В отличие от моделей с широкой функциональностью (их важно не путать), он востребован в мелкосерийном и единичном производстве, часто устанавливается в небольших мастерских и цехах. Позволяет подготавливать все поверхности, углы и пазы нетяжелых заготовок – спиралей, моделей штампов и тому подобное. Все его элементы расположены на станине, оправку с режущим инструментом поддерживает хобот с подвесками. Консоль у него перемещается вверх-вниз, стол на салазках – влево-вправо (в соответствии со шпиндельной осью), что обеспечивает высокую скорость решения задач.

В числе популярных примеров:

• XN6336C;
• Optimum MF1 Vario;
• PROMA FVV-30.

Горизонтального типа

По сфере применения, принципу функционирования и конструкции похож на универсальный: все основные узлы фрезерного станка с ЧПУ размещены на направляющей, а коробка подачи и магазин для инструментов – на портале. Ключевая разница в том, что нет поворотного устройства. Поэтому стол таких моделей может перемещаться либо только перпендикулярно шпинделю, либо только параллельно. Поэтому для выполнения операций, подразумевающих деление или винтовое движение, требуется применять дополнительные приспособления.

Остаются востребованными при подготовке фасонных и винтовых поверхностей, пазов и углов – с помощью цилиндрических и дисковых, концевых и торцевых, угловых режущих головок.

В списке востребованного сегодня оборудования:

• 6П80Г;
• НГФ-110-Ш4;
• 6М82ГБ (на базе 6М82Г).

Вертикального типа

Это может быть координатно-фрезерный станок с ЧПУ, точность программ которого сочетается с широкими возможностями. Технологичность достигается в том числе благодаря расположению шпинделя, допускающему некоторое смещение вдоль оси и небольшой поворот по горизонтали.

Еще одна особенность – оправка в виде конуса Морзе (если следовать советскому стандарту) или ISO-40 (у зарубежных брендов) для установки концевого режущего инструмента.

Какие операции по металлу можно выполнять

Благодаря тому, что человеческий фактор был сведён к минимуму, операции по металлу стали значительно легче и приносят меньше брака. Получается так из-за программы, которая заложена в компьютер.

Она является таким своеобразным шаблоном, по которому компьютер понимает — готова деталь или нет. В этом разделе будет рассказано об операциях, которые может выполнять по металлу станок с ЧПУ.

Внешнее и внутреннее вытачивание деталей

Здесь всё просто, по крайней мере, для машины. Установленная заготовка, которая в будущем станет деталью, закрепляется на станке. Она может быть закреплена вручную или, если установлено соответствующее оборудование автоматически (чаще всего применяют именно автоматический вариант).

После начинается внешнее обтачивание детали при помощи либо лазера, либо лезвия, которое установлено на станок. Постепенно срезая лишнее, заготовка приобретает форму нужной детали. Так делается внешнее обтачивание деталей на станке с ЧПУ.

С внутренним всё примерно также, только с изменениями. После установки заготовки станок начинает сверлить, или как это называют по-другому, рассверливать отверстие у основания заготовки.

После того, как отверстие будет готов, компьютер сравнит его с шаблоном, который прописан в заданной программе. Если найдутся огрехи, он проанализирует — можно ли это исправить (как правило, да, ведь машины редко ошибаются). После заготовка шлифуется и деталь готова.

Продольная обработка заготовки

Продольная обработка — это метод, который применяют для изготовления полос, штрипсе, лент. В зависимости от программы, которая установлена в компьютер.

Такие работы на станке с ЧПУ выполняются преимущественно при помощи лазера, так как это позволяет избавиться от брака и ускоряет процесс работы. После установки заготовки, числовое программное управление на станке будет его обрабатывать в соответствии с заданным алгоритмом действий. Лазерный портал приводится в действие шаговыми двигателями, на котором он закреплён.

Черновая и чистовая обработка

Для начала что это вообще, такое. Черновая обработка металла состоит из подгона детали под нужный размер при помощи снятия слоёв металла.

Обычно в станке с ЧПУ эту роль выполняет компьютер после того, как деталь уже вырезана. Чистовая обработка идёт потом и представляет собой полировку поверхности изделия. Всё это станок выполняет по заданным алгоритмам.

Регулировка длины деталей

В программе, которую дают компьютеру, чётко прописаны размеры детали. Заготовки также дают подходящего размера. Перед тем, как вставить деталь, станок регулирует и настраивает сам себя для изготовления.

После этого он начинает выполнять работу, после чего сравнивает размер с теми, что были даны человеком. Если отклонений нет — деталь готова. Если есть — станок с ЧПУ начинает обтачивать деталь, снимая слои металла и регулируя длину.

Вытачивание пазов, выемок и отверстий

Пазы и выемки — это отверстия, которые делают на детали. Такие отверстия могут служить либо для того, чтобы в них могла войти другая деталь, либо для установки к какому-либо устройству. Станок с ЧПУ вытачивает такие отверстия при помощи лазера, делая при этом высокоточные разрезы.

Они могут быть прямоугольными, Т-образными, типа «ласточкин хвост», фасонными, сквозными, открытыми, закрытыми и другими. То, какой формы будет отверстие, зависит от детали и программы, которую человек установил в числовое программное управление.

Нарезание резьбы дюймового и метрического типа

Этот тип резьбы видели практически все. Она используется в основном для того, чтобы одна деталь могла прикручиваться к другой. Главными параметрами при изготовлении такой резьбы являются шаг и величина. Под шагом в данном случае имеется в виду:

• наружный диаметр, измеряемый между верхними точками резьбовых гребней, находящихся на противоположных сторонах трубы;
• внутренний диаметр как величину, характеризующую расстояние от одной самой нижней точки впадины между резьбовыми гребнями до другой, также находящихся на противоположных сторонах трубы.

Все параметры нужно вбить в компьютер станка, после чего он сам вырежет отличную и ровную резьбу при помощи лазера.

Справка! В любом случае параметры для изготовления резьбы на изделии вносятся человеком в компьютер станка, а тот, действуя согласно алгоритму, при помощи лазера делает превосходную резьбу.

Подсистема управления

Центральной частью всей СЧПУ является подсистема управления. С одной стороны она читает управляющую программу и отдает команды различным агрегатам станка на выполнение тех или иных операций. С другой стороны взаимодействует с человеком, позволяя оператору станка контролировать процесс обработки.

Сердцем подсистемы управления является контроллер (процессор), который обычно расположен в корпусе стойки ЧПУ. Сама стойка имеет набор кнопок и экран (все вместе называется пользовательским интерфейсом) для ввода и вывода необходимой информации.

Системы управления могут быть как закрытыми, так и открытыми, ПК — совместимыми. Закрытые системы управления имеют собственные алгоритмы и циклы работы, собственную логику. Производители таких систем, как правило, не распространяют информацию об их архитектуре. Скорее всего, вы не сможете самостоятельно обновить программное обеспечение и редактировать настройки такой системы. У систем закрытого типа есть важное преимущество — они, как правило, имеют высокую надежность, так как все компоненты системы прошли тестирование на совместимость.

В последнее время стало появляться все больше открытых, ПК — совместимых систем управления. Их аппаратная начинка практически такая же, как и у вашего домашнего персонального компьютера. Преимущество такого метода — в доступности и дешевизне электронных компонентов, большинство из которых можно приобрести в обычном компьютерном магазине. Однако есть и недостаток. Пока считается, что надежность таких систем ниже, чем у закрытых систем управления.

Устройство и принцип работы

Токарные станки, оснащённые ЦПУ, бывают трёх типов — контурного, позиционного и адаптивного. Каждый из них обладает своими преимуществами и может подходить для разных типов работ.

Первый тип станка нельзя назвать максимально самостоятельным, так как вмешательство со стороны человека необходимо для его работы. Работает он только по заданной оператором траектории.

Второй тип станков может выполнять работу с деталью точечным образом.

Третий тип — универсальный. Он может выполнять работу обоих станков, при этом обладая тем же функционалом, поэтому этот тип самый дорогой и самый полезный при производстве разных деталей.

Если сравнивать с более старыми аналогами, которые уже устарели, новейшие станки с установленной системой числового программного управления имеют повышенную жёсткость, что позволяет сократить время изготовления даже при довольно сложных типах работ. Такой уровень обеспечен особенностями устройства станков.

Токарный станок с ЧПУ состоит из:

• станины;
• шпиндельной или передней бабки;
• суппорта;
• коробки подач;
• электрической части;
• револьверных головок.

Станина является одной из главных частей любого станка, так как на именно на ней располагаются все остальные части станка. Шпиндельная (или передняя бабка) имеет две части станка: собственно, шпиндель и коробки для переключения скоростей на станке.

Ещё одна важная часть — это суппорт. Именно он регулирует скорость вращения заготовки, которая закрепляется в нижней и верхней каретках. Управляется суппорт с помощью одной из частей шпиндельной, а именно: коробки передач.

Револьверные головки тоже очень важны для работы станка, так как они производят автоматическую замену изношенного оборудования. Заготовка устанавливается в станок, а после он сам делает работу, используя заранее написанную оператором программу.

Основные составляющие станка ЧПУ

ЧПУ-станок состоит из следующих ключевых компонентов:

• устройства ввода данных;
• БУС (блока управления станком);
• исполнительного механизма;
• системы привода;
• системы обратной связи;
• пульта управления.

Через устройство ввода данных в станок загружают программу обработки объекта.

Устройствами ввода обычно становятся считыватели магнитных лент, считыватели перфолент и компьютеры, функционирующие через порт RS-232-C.

БУС управляет агрегатом, осуществляя следующие операции:

• читает и расшифровывает вводимые в него кодовые инструкции;
• выполняет круговую, линейную и спиральную интерполяцию, чтобы генерировать команды движения оси;
• передает команды движения оси в схемы усилителя, чтобы управлять механизмами оси;
• получает обратную связь касательно положений и скоростей всех осей привода;
• включает и выключает охладители или шпиндели, меняет инструмент, выполняет прочие вспомогательные функции.

ЧПУ-станки обычно оснащены подвижными столами и шпинделями, контролирующими скорости и положения. Исполнительные механизмы управляют шпинделями в направлении оси Z и столами — в направлении осей X и Y.

В системы приводов входят схемы усилителей, приводных двигателей и шарико-винтовых подшипников (ШВП). БУС подает сигналы о скорости движения и положении каждой оси на схемы усилителя. Потом эти сигналы усиливаются для приведения в действие двигателей привода. Эти двигатели вращают ШВП для настройки необходимого положения рабочего стола.

В систему обратной связи (также известную как измерительную) встроены датчики, они же преобразователи. Они постоянно контролируют скорость и положение режущих инструментов. Сигналы от датчиков поступают на БУС, где разница между исходными сигналами и сигналами обратной связи используется для генерирования очередной серии сигналов.

Пульт управления оператор может переместить в удобное для себя положение. Дисплей будет отображать команды, программы и прочие необходимые сведения.

Как написать управляющую программу

Программы для работы станков с ЧПУ делаются в три шага, на каждом из которых определяется — как будет выглядеть новая деталь:

1. Создание трёхмерной модели. Этот этап — создание модели заготовки, с которой будет осуществляться работа. Этим, в основном, занимаются не операторы, а дизайнеры, так как не все так хорошо понимают, как сделать хорошую трёхмерную модель.
2. Инструкция. Имея трёхмерную модель, оператор задаёт параметры, которые станок должен будет выполнить при работе с заготовкой чтобы получилась деталь.
3. Тестовый запуск. Он необходим чтобы проверить — правильно ли была написана программа для работы. Ведь если плохую программу сразу, без теста, запустить на станке — он испортит все заготовки. Поэтому оператор смотрит — правильно ли станок выполняет работу с заданной программой, а после смотрит на результат и решает — требуется доработка или нет. Чаще всего она, конечно, требуется, но никаких критических ошибок она вывести не может.

После того как программа была установлена — станок готов к работе. Для написания таких программ существует пять специальных приложений:

• AutoCAD.
• T-FlexCAD.
• NanoCAD.
• ArtCam.
• SolidWorks.

Сейчас о каждой будет рассказано по отдельности

AutoCAD

Эта программа была разработана компанией Autodesk специально для автоматического проектирования токарных работ. В AutoCAD есть функции трёхмерного моделирования, а также возможность работы с трёхмерными данными сканирования, что позволяет не тратиться на дизайнеров. Но, из-за отсутствия трёхмерной параметризации эта программа не является лучшим выбором.

T-FlexCAD

Эта программа была разработана для разработки разного вида работ с токарными станками. Имеет все нужные для этого функции, но лучшим выбором не является и популярностью не пользуется.

NanoCAD

Эта программа может работать как с трёхмерными, так и с двухмерными моделями. С её помощью могут проводиться расчёты работ, готовятся 3D и 2D модели, разнообразные чертежи и ещё много чего. Благодаря этой программе значительно облегчается работа операторов.

ArtCam

Эта программа нужна исключительно для создания трёхмерной модели. Расчёты работ или что-то подобное на ней производиться не может, зато модели получаются очень качественные.

SolidWorks

Это уже непросто программа, а целый программный комплекс. Выпущен он был ещё в 1995 году, но до сих пор считается одним из лучших среди разработки программ для токарных станков системой ЧПУ. Правда, стоит этот программный комплекс прилично, зато принцип «цена равна качеству» он прекрасно показывает.

Программирование

ЧПУ станок запускается автоматическом или полуавтоматическом режиме только при наличии числовых управляющих программ (УП). Она включает все действия и принципы, по которым будет работать четырехосной станочный прибор. При создании управляющей программы задаются:

• количество переходов и проходов;
• параметры обрабатываемой заготовки;
• основные характеристики рабочего инструмента.

УП создается на компьютере при помощи специальных приложений для работы со станками. Учимся работать на программах:

• AutoCAD;
• T-FlexCAD;
• SolidWorks.

На перечисленном программном обеспечении создаются трехмерные примеры, на основе которых изготовляются реальные детали. После этого указывается, какими работами будет реализовываться поставленная задача. Если Вы научитесь создавать управляющие программы, со станочным оборудованием будет работать легче.

Разновидности

Разновидностей токарных станков хватает для выполнения самых разнообразных работ. Всего их бывает пять штук:

• горизонтально токарно-револьверные;
• токорно-лобовые;
• токарно-карусельные;
• многошпиндельные;
• токарно-фрезерные.

Сейчас будет рассказано о всех по отдельности.

Горизонтально токарно-револьверные

Предназначены в основном для серийного производства деталей. При помощи патрона устанавливаются детали, которые и будут обрабатывать заготовку до того, как она станет деталью.

Токорно-лобовые

Этот станок используется для обработки деталей, диаметр которых превышает размер заготовки. В основном это железнодорожные колёса, маховики и прочие. Также он может удалять торцы, делать детали цилиндрической формы, протачивать канавки и так далее.

Токарно-карусельные

Такие станки предназначены для заготовок, которые весят по несколько тонн. Также заготовки для такого станка имеют диаметр больше их высоты. Благодаря патрону и установленным на него режущим частям есть возможность нанести резьбу на заготовку или сверлить отверстия.

Многошпиндельные

Как ясно из названия — в конструкции этого станка находятся несколько шпинделей, которые обеспечивают обработку заготовки до состояния детали в нескольких местах либо одновременно, либо посменно через каждый определённый промежуток времени.

Токарно-фрезерные

Токарно-фрезерные станки с установленным ЧПУ — универсальны. Они могут выполнять самые разнообразные работы с изделиями. Всё будет зависеть от того, какая программа была установлена в компьютер числового программного управления и от того, какие инструменты были установлены на патроны.

Данный станок может выполнять любые функции узконаправленной аппаратуры, будь то токарное, сверлильное, фрезерное. Он справится с любым типом работ.

Обзор современных моделей станков токарной группы с ЧПУ

По сравнению с более старыми моделями современные токарные станки стали более простыми в использовании, стали выполнять гораздо больше функций. Работа таких станков стала быстрее и лучше, предоставляя лучшее качество и меньшее количество бракованных изделий.

Таким образом, можно сказать, что за токарными станками с числовым программным управлением будущее. Благодаря ему количество брака вследствие недоработок человека стал практически нулевым, притом, что рабочие места никто не потерял — просто теперь специалисты, которые раньше работали на станках, теперь за работой этих станков следят, исправляя поломки и давая им новые программы.

Какими знаниями нужно владеть для работы со станком ЧПУ?

Для успешной работы на ЧПУ-станке надо уметь выполнять следующие операции:

• создавать модели деталей в графических редакторах;
• устанавливать программы в ОЗУ агрегата;
• задавать оптимальные режимы и параметры управления микрошаговыми двигателями.

По ходу работы надо будет визуально контролировать все технологические операции через панель, в реальном времени отображающую всю текущую информацию.

Наиболее распространенными системами программного управления сегодня являются Linux CNC, USB CNC, Mach3, OSAI, Fanuc, Rich Auto, OSP, Sinumerik, Heidenhain. Все они более-менее однотипны, и только Heidenhain заметно отличается от остальных по своему управлению.