Обшие сведения о чтанках ЧПУ

1.Общие  сведения о станках  с ЧПУ и ЦПУ

При обработке  заготовки на металлообрабатывающем  станке инструмент совершает относительные  перемещения (ходы). Совокупность перемещений, повторяющихся при изготовлении каждой детали, называется циклом обработки. Каждый цикл характеризуется величиной ходов и их последовательностью. В общем случае программа управления станком — это последовательность команд, обеспечивающих заданное функционирование его рабочих органов станка. Программа содержит размерную информацию и команды.

При ручном управлении станком необходимую последовательность команд задает рабочий, который, изучив чертеж и техническую документацию, составляет программу работ, обрабатывает заготовку, контролирует деталь, сравнивает ее с чертежом и при наличии  рассогласования устраняет возникшие неточности.

При автоматическом управлении станком необходимая  последовательность команд задается профаммоносителем, который может быть выполнен в  виде материального аналога (кулачков, копиров, упоров и т. д.). Однако при  смене объекта производства нужно изготовить новый программоноситель и осуществить переналадку станка. Станки с таким программным управлением (ПУ) обладают высокой производительностью, но время их переналадки достаточно велико.

Наибольшей гибкостью  и быстротой переналадки обладают станки с ПУ, управляемые системами, задающими профамму работ в алфавитно-цифровом коде. Управляющая программа (УП) может быть записана на программоносителях в виде перфоленты, перфокарты, гибких магнитных дисков, магнитной ленты. УП можно вводить и вручную, посредством клавишных панелей. Указанные программоносители позволяют автоматизировать процесс подготовки УП и снизить затраты на изготовление программоносителей.

По виду управления станки с ПУ подразделяют на станки с системами циклового программного управления (ЦПУ) и станки с системами числового программного управления (ЧПУ).

Отдельную группу составляют станки с цифровой индикацией и преднабором координат. В таких  станках имеется электронное  устройство, которому задаются координаты нужных точек (преднабор координат) и крестовый стол, снабженный датчиком положения. Стол выводится в требуемую позицию. При этом на экране электронного устройства высвечивается каждое мгновенное положение стола (цифровая индикация). В таких станках могут использоваться или преднабор координат или цифровая индикация. УП работой станка задается станочником.

Первое поколение  станков с ПУ в нашей стране было создано на базе серийно выпускаемых  универсальных станков. Их выпуск началсяв 1959 г. От базовых моделей станки с ЧПУ отличались только автоматизацией привода подач. Устройство ЧПУ (УЧПУ) выполнялось на электронных лампах и позволяло получать заданные размеры обрабатываемой заготовки при регулируемой подаче.

Системы управления станков с ЧПУ второго поколения выполнялись на полупроводниковых приборах. Такие системы могли изменять в автоматическом цикле не только скорость подачи, но и частоту вращения шпинделя, давать команды на автоматическую смену инструмента, зажим заготовки, подачу СОЖ и т. д.

Такой этап развития станков с ПУ характеризуется качественным изменением системы ЧПУ (СЧПУ). Для управления станками используют мини-ЭВМ. Это дает возможность создавать станки с высоким уровнем автоматизации и широкими технологическими возможностями — многоцелевые станки. Из станков с ЧПУ компонуются автоматизированные участки с управлением от ЭВМ. На таких участках при их широком оснащении промышленными роботами (ПР) и другими средствами автоматизации появляется возможность реализации «безлюдной» технологии.

Конструктивная сложность изготовляемой детали и серийность производства во многом определяют использование того или другого вида оборудования. Чем меньше объем выпуска, тем большей технологической гибкостью должен обладать станок. В единичном производстве при изготовлении деталей малыми партиями (1—5 штук) можно использовать станки с преднабором координат и цифровой индикацией. При изготовлении сложных деталей в единичном и мелкосерийном производстве наиболее эффективны станки с ЧПУ. В среднесерийном и переналаживаемом крупносерийном производстве целесообразно применение станков как с ЦПУ, так и с ЧПУ. В ряде случаев при изготовлении деталей с сложными пространственными профилями применение станков с ЧПУ является единственным техническим решением.

Для станков  с ЧПУ стандартизованы направления перемещения 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. Положительно направление оси Z-от устройства крепления детали к инструменту. Тогда оси X и Y расположены так, как это показано на рис.ЧПУ.1.

Преимуществами  станков с ЧПУ являются:

1. Высокая  производительность (в 2—5 раз  выше по сравнению с аналогичными  станками с ручным управлением). 2. Сочетание точности и производительности станка-автомата с гибкостью универсального оборудования, что создает возможность для комплексной автоматизации единичного и серийного производства. 
3. Подготовка производства переносится в сферу инженерного труда, что снижает потребность в высококвалифицированных рабочих-станочниках. 
4. Детали, изготовленные по одной УП, являются взаимозаменяемыми, что сокращает затраты времени на пригоночные работы при сборке. 
5. Благодаря централизованной подготовке УП и более простой, и универсальной технологической оснастке значительно сокращаются сроки перехода на изготовление новых деталей. 
6. Сокращается продолжительность цикла изготовления деталей и уменьшается запас незавершенного производства. 
7. Машиностроение качественно переоснащается новым оборудованием на базе современной электроники и вьгчислительной техники.

Все выпускаемое  оборудование с ПУ ориентировано  на обеспечение его максимального  использования в гибких производственных системах (ГПС) различного назначения и минимальное участие человека в процессе производства. Оборудование с ПУ выпускается для реализации всех видов технологических процессов машиностроения.

В отдельную  группу выделяют станки с цифровой индикацией и преднабором координат. В этих станках имеется электронное  устройство для задания координат нужных точек (преднабором координат) и крестовый стол, снабженный датчиками положения, который дает команды на перемещение до необходимой позиции. При этом на экране высвечивается каждое текущее положение стола (цифровая индикация). В таких станках можно применять или преднабор координат или цифровую индикацию; исходную программу работы задает станочник.

В моделях станков  с ПУ для обозначения степени  автоматизации добавляется буква  Ф с цифрой: Ф1 - станки с цифровой индикацией и преднабором координат; Ф2-станки с позиционными и прямоугольными системами чпу; Ф3-станки с контурными системами ЧПУ и Ф4-станки с универсальной системой ЧПУ для позиционной и контурной обработки. Особую группу составляют станки, имеющие ЧПУ для многоконтурной обработки, например бесцентровые круглошлифовальные станки. Для станков с цикловыми системами ПУ в обозначении модели введен индекс Ц, с оперативными системами - индекс Т (например, 16К2Т1).

Использование конкретного вида оборудования с  ЧПУ зависит от сложности изготовления детали и серийности производства. Чем меньше серийность производства, тем большую технологическую гибкость должен иметь станок с ЧПУ.

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 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. 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 управлением. 
 
 
 

2. Конструктивные особенности  станков ЧПУ

Станки с ЧПУ  имеют расширенные технологические  возможности при сохранении высокой  надежности работы. Конструкция станков  с ЧПУ должна, как правило, обеспечивать совмещение различных видов обработки (точение-фрезерование, фрезерование-шлифование), удобство загрузки заготовок, выгрузки деталей (что особенно важно при использовании промышленных роботов), автоматическое или дистанционное управление сменой инструмента и т.д.

Повышение точности обработки достигается высокой точностью изготовления и жесткостью станка, превышающей жесткость обычного станка того же назначения, для чего производят сокращение длины его кинематических цепей: применяют автономные приводы, по возможности сокращают число механических передач. Приводы станков с ЧПУ должны также обеспечивать высокое быстродействие.

Повышению точности способствует и устранение зазоров  в передаточных механизмах приводов подач, снижение потерь на трение в  направляющих и других механизмах, повышение виброустойчивости, снижение тепловых деформаций, применение в станках датчиков обратной связи. Для уменьшения тепловых деформаций необходимо обеспечить равномерный температурный режим в механизмах станка, чему, например, способствует предварительный разогрев станка и его гидросистемы. Температурную погрешность станка можно также уменьшить, вводя коррекцию в привод подач от сигналов датчиков температур.

Базовые детали (станины, колонны, салазки). Столы, например, конструируют коробчатой формы с продольными и поперечными ребрами. Базовые детали изготавливают литыми или сварными. Наметилась тенденция выполнять такие детали из полимерного бетона или синтетического гранита, что в еще большей степени повышает жесткость и виброустойчивость станка.

Направляющие станков с ЧПУ имеют высокую износостойкость и малую силу трения, что позволяет снизить мощность следящего привода, увеличить точность перемещений, уменьшить рассогласование в следящей системе.

Направляющие  скольжения станины и суппорта для уменьшения коэффициента трения создают в виде пары скольжения "сталь (или высококачественный чугун) - пластиковое покрытие (фторопласт и др.)"

Направляющие  качения имеют высокую долговечность, характеризуются небольшим трением, причем коэффициент трения практически не зависит от скорости движения. В качестве тел качения используют ролики. Предварительный натяг повышает жесткость направляющих в 2...3 раза, для создания натяга используют регулирующие устройства.

Приводы и преобразователи  для станков с  ЧПУ. В связи с развитием микропроцессорной техники применяют преобразователи для приводов подачи и главного движения с полным микропроцессорным управлением - цифровые приводы представляют собой электродвигатели, работающие на постоянном или переменном токе. Конструктивно преобразователи частоты, сервоприводы и устройства главного пуска и реверса являются отдельными электронными блоками управления.

Привод  подачи для станков  с ЧПУ. В качестве привода используют двигатели, представляющие собой управляемые от цифровых преобразователей синхронные или асинхронные машины. Бесколлекторные синхронные (вентильные) двигатели для станков с ЧПУ изготавливают с постоянным магнитом на основе редкоземельных элементов и оснащают датчиками обратной связи и тормозами. Асинхронные двигатели применяют реже, чем синхронные. Привод движения подач характеризуется минимально возможными зазорами, малым временем разгона и торможения, небольшими силами трения, уменьшенным нагревом элементов привода, большим диапазоном регулирования. Обеспечение этих характеристик возможно благодаря применению шариковых и гидростатических винтовых передач, направляющих качения и гидростатических направляющих, беззазорных редукторов с короткими кинематическими цепями и т.д.

Приводами главного движения для  станков с ЧПУ обычно являются двигатели переменного тока - для больших мощностей и постоянного тока - для малых мощностей. В качестве приводов служат трехфазные четырехполосные асинхронные двигатели, воспринимающие большие перегрузки и работающие при наличии в воздухе металлической пыли, стружки, масла и т.д. Поэтому в их конструкции предусмотрен внешний вентилятор. В двигатель встраивают различные датчики, например датчик положения шпинделя, что необходимо для ориентации или обеспечения независимой координаты.

Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями имеют диапазон регулирования до 250. Преобразователи представляют собой электронные устройства, построенные на базе микропроцессорной техники. Программирование и параметрирование их работы осуществляются от встроенных программаторов с цифровым или графическим дисплеем. Оптимизация управления достигается автоматически после введения параметров электродвигателя. В математическом обеспечении заложена возможность настройки привода и пуск его в эксплуатацию.

Шпиндели станков с ЧПУ выполняет точными, жесткими, с повышенной износостойкостью шеек, посадочных и базирующих поверхностей. Конструкция шпинделя значительно усложняется из-за встроенных в него устройств автоматического режима и зажима инструмента, датчиков при адаптивном управлении и автоматической диагностике.

Опоры шпинделя должны обеспечить точность шпинделя в течение длительного времени в переменных условиях работы, повышенную жесткость, небольшие температурные деформации. Точность вращения шпинделя обеспечивается, прежде всего, высокой точностью изготовления подшипников.

Наиболее часто в опорах шпинделей применяют подшипники качения. Для уменьшения влияния зазоров и повышения жесткости опор обычно устанавливают подшипники с предварительным натягом или увеличивают число тел качения. Подшипники скольжения в опорах шпинделей применяют реже и только при наличии устройств с периодическим (ручным) или автоматическим регулированием зазора в осевом или радиальном направлении. В прецизионных станках применяют аэростатические подшипники, в которых между шейкой вала и поверхностью подшипника находится сжатый воздух, благодаря этому снижается износ и нагрев подшипника, повышается точность вращения и т.п.

Привод  позиционирования (т.е. перемещение рабочего органа станка в требуемую позицию согласно программе) должен иметь высокую жесткость и обеспечивать плавность перемещения при малых скоростях, большую скорость вспомогательных перемещений рабочих органов (до 10 м/мин и более).

Вспомогательные механизмы станков  с ЧПУ включают в себя устройства смены инструмента, уборки стружки, систему смазывания, зажимные приспособления, загрузочные устройства и т.д. Эта группа механизмов в станках с ЧПУ значительно отличается от аналогических механизмов, используемых в обычных универсальных станках. Например, в результате повышения производительности станков с ЧПУ произошло резкое увеличение количества сходящей стружки в единицу времени, а отсюда возникла необходимость создания специальных устройств для отвода стружки. Для сокращения потерь времени при загрузке применяют приспособления, позволяющие одновременно устанавливать заготовку и снимать деталь вовремя обработки другой заготовки.

Устройства  автоматической смены  инструмента (магазины, автооператоры, револьверные головки) должны обеспечивать минимальные затраты времени на смену инструмента, высокую надежность в работе, стабильность положения инструмента, т.е. постоянство размера вылета и положения оси при повторных сменах инструмента, имеют необходимую вместимость магазина или револьверные головки.

Револьверная  головка - это наиболее простое устройство смены инструмента: установку и зажим инструмента осуществляют вручную. В рабочей позиции один из шпинделей приводится во вращение от главного привода станка. Револьверные головки устанавливают на токарные, сверлильные, фрезерные, многоцелевые станки с ЧПУ; в головке закрепляют от 4 до 12 инструментов.

3. Организация роботы  оператора станка  ЧПУ

Функции обслуживающего персонала на станках с ЧПУ сводятся к установке, закреплению и выверке приспособлений и инструмента, вводу программ или к установке программоносителей и заготовок, замене режущего инструмента, снятия обработанных деталей и наблюдению за работой станка. На многоцелевых станках с ЧПУ смена режущего инструмента автоматизирована.

Как правило, станки с ЧПУ обслуживают оператор и наладчик, между которыми возможны два варианта распределения обязанностей. По первому варианту наладку, переналадку и подналадку выполняет наладчик, а оперативную работу и контроль за работой станка - оператор. По второму варианту наладку и переналадку осуществляет наладчик, а подналадку, оперативную работу и контроль за работой - оператор.

Функции наладчика  более сложны и обширны, чем оператора. В них входят приемка и осмотр оборудования, подготовка инструмента  и приспособлений к наладке, ввод управляющей программы, наладка, подналадка и контроль исправности оборудования, инструктаж рабочего-оператора.

Оператор для  обеспечения безопасности труда  обязан соблюдать правила, характерные  для конкретных видов работ.

Перед началом  работы оператор должен:

• проверить работоспособность станка, а для этого с помощью тест-программ проконтролировать работу устройства ЧПУ и самого станка, убедиться в подаче смазки, в наличии масла в гидросистеме, проверить работу ограничивающих упоров;
• проверить надежность закрепления приспособлений и инструментов, соответствие заготовки требованиям технологического процесса, отклонение от точности настройки нуля станка (не должно превышать норму); отклонение по каждой из координат, а также биение инструмента в шпинделе станка;
• перед началом работы по программе включить автомат "Сеть", установить заготовку и закрепить ее, ввести в УЧПУ управляющую программу, заправить магнитную ленту или перфоленту в считывающее устройство, нажать кнопку "Пуск" и обработать первую заготовку по программе. Проверить качество обработки первой заготовки на соответствие чертежу.

Не допускается  устанавливать и обрабатывать на станке заготовки, масса которых  превышает допустимую массу, указанную  в паспорте станка.

Габаритные размеры  и планировка помещений должны обеспечивать свободный доступ ко всем уздам и устройствам станков с ЧПУ во время их работы.

Одним из непременных  условий, обеспечивающих безопасность труда оператора станков с ЧПУ, является освещенность помещения (200 лк при люминесцентных лампах и 150 лк при лампах накаливания). Уровень освещенности для станков с ЧПУ классов точности В и А должен быть еще выше.

4. Шлифовальные станки  ЧПУ

Шлифовальные станки с ЧПУ, сточки зрения обработки металла, выполняют те же виды работ, что и шлифовальный станок с ручным управлением. В станках с ЧПУ применяют тот же режущий инструмент, те же скорости резания, СОЖ и т.д. Повышение производительности и расширение технологических возможностей станков с ЧПУ обеспечиваются не за счет процессов, связанных со съемом металла, а лишь за счет управления и сокращения вспомогательного времени обработки.

Системами ЧПУ  оснащают поскошлифовальные, кругло- и  бесцентрово-шлифовальные и другие станки. При создании шлифовальных станков с ЧПУ возникают технические трудности, которые объясняются следующими причинами. Процесс шлифования характеризуется, с одной стороны, необходимостью получения высокой точности и качества поверхности при минимальном рассеянии размеров, с другой стороны, - особенностью, заключающейся в быстрой потере размерной точности шлифовального круга вследствие его интенсивного изнашивания в процессе работы. В этом случае в станке необходимы механизмы автоматической компенсации изнашивания шлифовального круга. ЧПУ должно компенсировать деформации системы СИД, темпиратурные погрешности, различия припусков на заготовках, погрешности станка при перемещении по координатам и т.д. Измерительные системы должны иметь высокую разрешающую способность, обеспечивающую жесткие допуски на точность позиционирования. Например, в круглошлифовальных станках такие приборы обеспечивают неприрывное измерение диаметра заготовки в процессе обработки с относительной погрешностью не более 2·10^-5 мм. Контроль продольного перемещения стола осуществляется с погрешностью не более 0,1 мм.

Для шлифовальных станков используют системы типа CNC с управлением по трем-четырем координатам, но в станках, работающих несколькоми кругами, возможно управление по пяти-шести и даже по восьми координатам. Взаимосвязь между оператором и системой ЧПУ (CNC) шлифовального станка в большинстве случаев осуществляется в диалоговом режиме с помощью дисплея. В системе упраления применяются встроенные диагностические системы, повышающие надежность станков.

Наиболее распространены круглошлифовальные станки с ЧПУ, дающие максимальный эффект при обработке с одной установки многоступенчатых деталей типа шпенделей, валов электродвигателей, редукторов, турбин и т.д. Производительность повышается в основном в результате снижения вспомогательного времени на установку заготовки и съем готовой детали, на переустановку для обработки следующей шейки вала, на измерение и т.д. При обработке многоступенчатых валов на круглошлифовальном станке с ЧПУ достигается экономия времени в 1,5-2 раза по сравнению с ручным управлением.

Бесцентровые круглошлифовальные станки эффективно применяют при обработке деталей малого и большого диаметров без ограничения длины, либо тонкостенных деталей, а также деталей, имеющих сложные наружные профили (поршень, кулак и т.д.). В условиях массового производства эти станки характеризуются высокой производительностью и точностью обработки. В мелкосерийном и индивидуальном производстве приминение таких станков ограничено из-за трудоемкости переналадки. Расширение областей приминения бесцентровых круглошлифовальных станков сдерживают два фактора: большие затраты времени на правку кругов и сложность наладки станка, что требует значительных затрат времени и высокой квалификации персонала. Это объясняется тем, сто в конструкции этих станков существуют шлифовальный и ведущий круги; устройства правки, обеспечивающие придание соответствующей формы поверхностям шлифовального и ведущего кругов; возможность установки положения опорного ножа; механизмы компенсационных подач шлифовального круга на обрабатываемую деталь и на правку, а также ведущего круга на деталь и правку; установка положения загрузочного и разгрузочного устройств.

Приминение систем ЧПУ позволило управлять многокоординатным  функционированием бесцентровых круглошлифовальных станков. В системе управления станком используют программные модули, которые рассчитывают траектории инструмента (круга, алмаза), его коррекцию и взаимодействие с человеком. Для обработки деталей с различными геометрическими формами (конус, шар и др.) создается програмное обеспечение: диспетчер режимов, интерполятор и модуль управления приводами.

При обработке  и правке число сочетаемых управляемых  координат может доходить до 19, в  том числе по две-три координаты отдельно для правки шлифовального и ведущего кругов.

В условиях серийного  производства приминение систем ЧПУ  обеспечивает гибкое построение цикла  шлифования и правки, что позволяет  быстро переналаживать станки на обработку  других изделий.

Наличие многокоординатной  системы ЧПУ обеспечивает большую универсальность станка, малые величины подачи кругов, что позволяет эффективно управлять процессами шлифования и правки.

Системы ЧПУ бесцентровых круглошлифовальных станков строится по агрегатному принципу (например. на станках японских фирм). На станке возможна установка любого из четырех вариантов управления станком от системы ЧПУ:

• одна управляемая координата-поперечная подача шлифовального круга;
• две управляемые координаты-поперечная подача шлифовального круга и правящего аламаза в целях их синхронизации;
• три управляемые координаты-поперечная подача шлифовального круга, а также поперечная и продольная подача алмаза при его правке;
• пять управляемых координат-поперечная подача шлифовального круга, а каже поперечная и продольная подача алмазов при правке шлифовального и ведущего кругов.

Использование СЧПУ для управления бесцентровыми круглошлифовальными станками позволяет существенно упростить конструкцию ряда механических узлов: устройств правки (в результате отказа от копирных линеек, механизмов подачи алмазов и т.д.), приводов продольного перемещения устройств правки, механизмов тонкой подачи шлифовального и ведущего кругов, контрольных и контрольно-подналадочных устройств и др.