Станки с ЧПУ

2. Станки с ЧПУ, общие сведения 

      Для автоматической обработки деталей на металлорежущем станке должен быть выполнен заранее установленный порядок перемещений рабочих органов станка, осуществляемых по определенному закону—программе. На станках, работающих по полуавтоматическому или автоматическому циклу, автоматизация движения осуществляется путем применения различного рода кулачков, копиров, барабанов, шаблонов и др., которые выполняют функции программоносителей. Такое управление целесообразно применять в крупносерийном и массовом производстве.

  В настоящее время около 75% машиностроительной продукции  в  России  и  за  рубежом  выпускается  в  условиях мелкосерийного и единичного производства. Автоматизация процессов механической обработки в этих производствах путем использования автоматических станков традиционного исполнения (автоматы и полуавтоматы, автоматические линии и др.) нецелесообразна в связи с большими затратами на технологическую оснастку и большой трудоемкостью их наладки. Основной путь автоматизации механической обработки в мелкосерийном производстве — применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

  Числовое программное управление обеспечивает необходимые движения рабочих органов станка, цикл обработки детали, режимы резания, вспомогательные функции. Программа работы станка задается в цифровом виде, которая на условном языке (коде) наносится на программоноситель (перфолента, магнитная лента, магнитный диск или вводится в блок магнитной памяти), т. е. вся исходная информация для обработки детали преобразовывается в символы и создается числовая модель обработки детали. В устройстве управления станком эта информация считывается, преобразуется в сигналы, управляющие исполнительными приводами станка. Станки с числовым программным управлением быстро переналаживаются путем замены программы без смены или перестановки механических элементов станка.

  Одним из первых станков с программным управлением был токарный станок, созданный в СССР в 1949 г. Программоносителем являлась магнитная лента. Запись программы проводилась при ручном управлении обработкой первой детали. В 1958 г. были изготовлены два станка с числовым программным управлением—токарный и фрезерный, которые демонстрировались в этом же году на Всемирной выставке в Брюсселе. Первый в мировой практике токарный станок с ЧПУ (1К62ПУ) был удостоен высшей награды «Гран-при».

  На первом этапе станки с ЧПУ создавались на базе универсальных станков. Они лишь частично модернизировались путем установки индивидуальных приводов подач по координатам, измерительных и других устройств, а также систем программного управления. Такой принцип создания станков с ЧПУ не обеспечивал заданной точности обработки и производительности.

  Первый опыт создания и эксплуатации станков с ЧПУ, а также исследования в этой области позволили наметить пути принципиального изменения компоновки и конструкции станков для получения всех потенциально возможных преимуществ числового программного управления. Значительно упрощена их кинематика, обеспечена автономность приводов перемещений рабочих органов, что позволило одновременно осуществлять движение по нескольким координатам. Применяются шариковые винтовые пары, направляющие качения и др.

Станки начали снабжаться магазинами инструментов с автоматической сменой последних. Такие станки называют многоинструментными, многоцелевыми, многооперационными, обрабатывающими центрами. С созданием этих станков появилась возможность обработки сложных деталей за одну установку. Создание новых инструментальных материалов позволило значительно повысить скорости резания, при которых ручное управление станками стало в ряде случаев невозможным.

  Возможность создания новых станков с ЧПУ тесно связана с бурным развитием электроники и вычислительной техники. Сочетание высокой производительности, присущей специальным станкам, с гибкостью, свойственной универсальному оборудованию, сделало станки с ЧПУ основным средством автоматизации механической обработки деталей в единичном и мелкосерийном производстве.

  Станки с ЧПУ сочетают в себе широкие возможности быстрой переналадки с высоким уровнем автоматизации. Ни один другой вид металлообрабатывающего оборудования такими свойствами не обладает. Благодаря широким возможностям современных устройств числового программного управления их можно включать в общие системы управления от ЭВМ, что делает целесообразным применение станков с ЧПУ и в условиях массового производства, в том числе и в составе автоматических станочных линий. Это особенно важно, поскольку даже в массовом производстве обновление и смена выпускаемых изделий происходят часто.

  В последние годы станки с ЧПУ комплектуются устройствами управления на базе мини-ЭВМ. Основные функции последних устройств — хранение в памяти ЭВМ программ управления и их распределение по запросам от станков. Кроме этого, устройство управляет другим вспомогательным оборудованием — загрузчиками заготовок, складами заготовок и инструментов, выполняет функции диспетчера, ведет учет работы и простоев станков, числа обработанных деталей и др. Создаются автоматизированные участки и автоматические

линии с управлением от ЭВМ. Современные станки с ЧПУ оснащаются промышленными роботами для загрузки заготовок,  снятия  готовых  деталей и их транспортирования.

  Дальнейшим развитием станков с ЧПУ явилось создание роботизированных технологических комплексов (РТК) и гибких производственных модулей (ГПМ), на базе которых создаются гибкие производственные системы (ГПС). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Применение станков с программным управлением позволяет создавать новые прогрессивные формы организации производства с использованием вычислительной техники и значительно сократить сроки освоения выпуска новых изделий. При применении станков с ЧПУ сокращается потребность в станках,

так как один станок заменяет несколько универсальных станков. Сокращается потребность в производственных площадях, в станочниках, облегчается труд рабочих и происходит переориентация их труда с физического на умственный. Появляется возможность централизованной подготовки программ с применением современных средств вычислительной техники.

  Большим преимуществом станков с ЧПУ является возможность создания самонастраивающихся (адаптивных) систем управления, которые могут самостоятельно выбирать оптимальные режимы резания.

  ЧПУ обеспечивает возможность дистанционного управления станками и одновременного управления несколькими станками, а также высокую точность и идентичность обрабатываемых деталей, транспортабельность управляющих программ и удобство их хранения.

  Опыт эксплуатации станков с ЧПУ позволил определить области производства, где их использование наиболее целесообразно:

1. при изготовлении первых деталей, когда отсутствует технологическая оснастка для их обработки на других станках, а изготовление оснастки нецелесообразно из-за малой партии деталей или возможных изменений в их конструкции;
2. при обработке деталей крупногабаритных, со сложными поверхностями (различных моделей, матриц, штампов и др.), с большим числом обрабатываемых поверхностей и жесткими допусками на их изготовление;
3. при частых сменах обрабатываемых деталей, когда стоимость частой переналадки обычных станков, изготовления и хранения оснастки к ним весьма высока;
4. при обработке партий деталей, имеющих небольшие отличия, когда оператор может осуществлять коррекцию программы непосредственно у станка;
5. в тех случаях, когда требуется быстрый переход на выпуск другого изделия (независимо от вида производства), а также во вредных производствах;
6. при обработке деталей, требующих высокоточной оснастки, когда ее стоимость составляет большой процент от стоимости детали.

  Эффективность использования станков с ЧПУ значительно повышается при двух- и трехсменной их эксплуатации, а также при групповом использовании станков. Эффективность использования этих станков во многом определяется технологичностью обрабатываемых деталей. Форма заготовки (поковка, штамповка и др.) должна быть максимально приближена к конфигурации детали. Детали, подлежащие обработке на станках с ЧПУ, должны иметь унифицированные формы и размеры канавок, радиусы сопряжений поверхностей, нормализованные размеры отверстий и др.

  Станки с ЧПУ расширяют возможности при выборе форм деталей и технологии их обработки. Сложные детали, которые раньше делались составными, на станках с ЧПУ можно изготовлять цельными. Числовое программное управление станками бывает позиционным, контурным, комбинированным, адаптивным и групповым.

  При позиционном (координатном) управлении обеспечивается перемещение рабочих органов станка в заданные точки с координатами в соответствии с программой (рис. 23.1,о). При этом траектории перемещений не программируются. Перемещения рабочих органов от одной точки к другой осуществляются на ускоренных ходах. Обработка ведется после перемещения с точным позиционированием и фиксации рабочих органов. Этот способ управления применяется в основном на сверлильных и расточных станках.

  Иногда позиционное управление применяют на токарных, фрезерных и шлифовальных станках, когда ведется обработка прямолинейных поверхностей по одной координате, параллельной направляющим станка. В этом случае программируются конечные координаты перемещений и задаются направление и скорость подачи рабочих органов. Обработка ведется в период перемещения рабочего органа (рис. 23.1,6). Такой вид управления иногда называют прямоугольным (линейным). Такое управление позволяет на токарных станках обрабатывать ступенчатые валики, проточку канавок, обработку фасонных поверхностей (фасонными резцами); на фрезерных станках можно обрабатывать одновременно несколько параллельных поверхностей и др.

  Контурное числовое управление станками применяется для обработки деталей сложной формы, имеющих криволинейные поверхности (рис. 23.1, в). Для обработки таких поверхностей требуется управление перемещениями рабочих органов по двум или большему числу координат, при наличии непрерывной функциональной связи между ними.   Характерная   особенность   контурного   (размерного) управления — координация движений рабочих органов станка в каждый момент времени по пути и скорости. Контурное управление значительно сложнее позиционного. Процесс подготовки программ для этого вида управления более трудоемкий по сравнению с позиционным и устройства управления сложнее и дороже.

  Одной из разновидностей контурного управления является синфазное управление, которое применяется на токарно-винторезных станках с ЧПУ при нарезании резьб. Приводы главного движения и подач на этих станках кинематически независимы. Для получения требуемого шага резьбы необходимо за один оборот шпинделя обеспечить подачу резца, равную шагу нарезаемой резьбы. Задающим движением при этом является вращение шпинделя,- оно контролируется соответствующим датчиком. Относительно этого движения задается рассогласование (синфазность) скорости движения подачи для обеспечения требуемого шага.

  Адаптивное управление применяется для управления станков с ЧПУ, а также на других станках. При этом управлении обеспечивается автоматическое приспособление процесса обработки к изменяющимся условиям по определенным критериям. Причины, вызывающие изменение процесса обработки: изменение припуска на обработку, твердости обрабатываемого материала, затупление режущего инструмента, деформации в технологической системе и др. При изменении условий обработки в устройстве программного управления вырабатываются корректирующие сигналы, которые подаются на соответствующие исполнительные устройства и изменяется режим работы станка.

  Комбинированное (универсальное) числовое управление обеспечивает обработку детали как в режиме позиционирования, так и при контурной обработке. Этот вид управления применяется на многоинструментных станках.

  Групповое управление (DNC — Direct Numerical Coutrol) — это числовое программное управление группой станков от ЭВМ, имеющей общую память для хранения управляющих программ, распределяемых по запросам от станков.

  Создание автоматизированных систем централизованного управления участками (группами) станков с ЧПУ является качественно новым этапом автоматизации мелкосерийного и серийного производства. При централизованном управлении группой станков с ЧПУ от ЭВМ запись программы на перфоленту или другой программоноситель не нужна. УЧПУ, находящиеся у станков, имеют каналы связи с ЭВМ, по которым из памяти ЭВМ выбирается нужная программа и в нее вводятся различные коррекции. ЭВМ осуществляет прямое числовое управление станками, управление системами, обеспечивающими станок заготовками," инструментом, оснасткой, а также планирование и диспетчирование производства.

  В нашей стране принято при обозначении моделей станков с числовым программным управлением добавлять индекс, условно обозначающий вид программного управления и конструктивные особенности станка. Позиционное управление обозначается индексом Ф2, например 2118Ф2, 2А636Ф2. Станки с контурным управлением имеют индекс ФЗ, например 1725ФЗ, 6Д12ФЗ. Добавление цифр после обозначения вида управления говорит о модификации станка, например, мод. 16Б16ФЗ-21 имеет автоматическую коробку скоростей, а мод. 16Б16ФЗ-31 — привод бесступенчатого регулирования. Станки с комбинированным (позиционно-контурным) управлением (многоинстру-ментные) обозначаются индексом Ф4, например 11Б16ВФ4, 2Н614Ф4.