Что такое обработка на станках с ЧПУ и как она применяется в производстве?

Одним из самых распространенных и универсальных процессов, используемых в обрабатывающей промышленности, является обработка на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Возможно, вас удивит, что корни ЧПУ-обработки можно отследить до 1950-х годов, когда инженеры-новаторы из Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорывное открытие, которое произвело революцию в производственном процессе. Используя возможности компьютеров для быстрого прототипирования и производства, они смогли значительно сократить время, необходимое для создания деталей, с 8 часов всего до 15 минут. Этот переломный момент проложил путь к появлению ЧПУ-обработки в том виде, в каком мы знаем ее сегодня.

С момента своего появления обработка на станках с ЧПУ претерпела значительные усовершенствования и преобразила мир инженерии. Она стала основным методом цифрового производства в широком спектре технических отраслей, предлагая беспрецедентную точность и эффективность. От аэрокосмической и автомобильной промышленности до электроники и здравоохранения, ЧПУ-обработка зарекомендовала себя как незаменимый инструмент в стремлении к инновациям и совершенству.

Что такое обработка на станках с ЧПУ?

Обработка на станках с ЧПУ (числовым программным управлением) — это точный и универсальный метод субтрактивного производства. Он включает использование управляемых компьютером машин для удаления материала из твердой заготовки, придавая ей желаемую конечную форму. Этот процесс осуществляется по набору запрограммированных инструкций, известных как управляющая программа (УП) для детали, которые определяют операции резания и другие действия, выполняемые станком с ЧПУ.

Преобразуя цифровую модель детали в последовательность компьютерных инструкций, ЧПУ-обработка обеспечивает исключительную точность и повторяемость. Запрограммированные инструкции управляют движениями и действиями обрабатывающих инструментов, позволяя с легкостью создавать сложные формы и соблюдать строгие допуски. ЧПУ-обработка не ограничена конкретными материалами и может работать с металлами, металлическими сплавами, пластиками, деревом, камнем и многим другим.

Благодаря способности автоматизировать различные задачи и следовать запрограммированным инструкциям, станки с ЧПУ оптимизируют производственные процессы и обеспечивают стабильное качество. Это делает ЧПУ-обработку популярным выбором во многих отраслях. Она произвела революцию в производстве, обеспечивая более быстрые сроки изготовления, снижение процента брака и возможность создавать сложные детали по индивидуальному заказу.

Компоненты станка с ЧПУ

Станок с ЧПУ состоит из различных компонентов, которые работают вместе, чтобы обеспечить точное управление и автоматизацию в производственном процессе.

• Центральный процессор (ЦПУ): ЦПУ служит центром управления системы ЧПУ. Он получает управляющую программу, хранящуюся в памяти, и декодирует ее, преобразуя данные в сигналы управления положением и скоростью. ЦПУ контролирует движение шпинделя и осей управления, обеспечивая их соответствие запрограммированным данным и исправляя любые расхождения. Устройства ввода включают считыватели магнитных лент, считыватели перфолент и компьютеры, подключенные через связь RS-232-C.
• Панель управления станка: Панель управления станка обеспечивает прямой интерфейс между оператором и системой ЧПУ. На ней отображаются инструменты для управления, мониторинга и контроля работы станка. Перед выполнением программы станок должен быть подготовлен, что включает загрузку необходимой управляющей программы в системную память и установку правильной опорной точки. Затем система ЧПУ управляет движением осей и функциями шпинделя или инструмента на основе сохраненной управляющей программы.
• Металлорежущий станок (Машинный инструмент): Этот термин включает в себя различные типы оборудования, управляемого ЧПУ. Он обычно состоит из подвижного стола и шпинделя, которые отвечают за управление положением и скоростью процесса обработки.
• Программируемый логический контроллер (ПЛК): ПЛК — это промышленный твердотельный компьютер, который взаимодействует с системой ЧПУ. Он следует заранее запрограммированным правилам, принимает логические решения и управляет входами и выходами системы. ПЛК помогают минимизировать ручные операции и могут выдерживать суровые условия окружающей среды.
• Сервопривод: Сервопривод обеспечивает точное управление позиционированием, получая сигналы обратной связи по положению от устройств обратной связи. Он генерирует соответствующие командные значения, которые взаимодействуют с осями и двигателями шпинделя, обеспечивая точное движение и управление.
• Устройства обратной связи: Эти устройства, также известные как измерительные системы, состоят из датчиков положения и скорости, которые функционируют как сенсоры. Они отслеживают текущее положение режущего инструмента в режиме реального времени, обеспечивая обратную связь для точного управления и позиционирования.
• Дисплей: Дисплей служит интерактивным устройством для взаимодействия оператора со станком с ЧПУ. Он предоставляет визуальный интерфейс для мониторинга состояния программ, команд и других необходимых данных. Дисплей также полезен для обслуживания и установки, поскольку он может отображать параметры станка, логические диаграммы контроллера программы, сообщения об ошибках и диагностические данные.

Терминология, используемая в ЧПУ-обработке

Для полного понимания ЧПУ-обработки важно ознакомиться с некоторыми распространенными терминами:

• САПР (Computer-Aided Design): САПР (системы автоматизированного проектирования) — это использование компьютерного программного обеспечения для создания детальных проектов и моделей деталей или изделий. Программное обеспечение САПР позволяет инженерам и дизайнерам точно определять геометрию, размеры и спецификации желаемого компонента.
• CAM (Computer-Aided Manufacturing): CAM — это программное обеспечение, используемое для преобразования CAD-моделей в машиночитаемые инструкции. Оно генерирует траектории инструмента и стратегии обработки на основе проектных спецификаций, обеспечивая эффективное и точное производство. Программное обеспечение CAM учитывает такие факторы, как режущие инструменты, свойства материала и требуемое качество поверхности.
• DNC (Distributed Numerical Control): DNC — это система, которая обеспечивает передачу программ и данных между центральным компьютером и несколькими станками с ЧПУ. Она обеспечивает централизованное хранение, редактирование и извлечение программ, гарантируя единообразие и синхронизацию между различными станками на производственном объекте.
• MDC (Manufacturing Data Collection): MDC включает сбор и анализ данных в реальном времени со станков с ЧПУ в процессе производства. Эти данные включают информацию о времени цикла, загрузке станка, сроке службы инструмента и объемах производства. Системы MDC помогают отслеживать и оптимизировать производительность производства, повышать эффективность и выявлять области для улучшения процесса.
• G-код: G-код (от англ. Geometric code) — это буквенно-цифровая система команд, которая указывает станку с ЧПУ, как перемещаться и выполнять операции. Каждая строка G-кода содержит инструкции для конкретных движений, таких как позиционирование инструмента или управление шпинделем.
  В G-коде буквы X, Y и Z обозначают различные оси движения. Ось X соответствует горизонтальному движению, ось Y — вертикальному, а ось Z — глубине или глубине резания. Числовые значения, присвоенные каждой оси, определяют точное положение или расстояние перемещения. N обозначает номер строки.
• M-код: M-команды используются для управления вспомогательными функциями и операциями станков с ЧПУ, такими как смена инструмента, активация охлаждающей жидкости, управление шпинделем и позиционирование станка. M-команды работают в сочетании с G-кодом для координации и выполнения конкретных действий станка.

Как работает обработка на ЧПУ станках?

• Проектирование и подготовка CAD/CAM: Процесс начинается с проектирования деталей с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР). 3D-модель определяет размеры и спецификации конечной детали. Если программное обеспечение САПР и CAM (автоматизированное производство) относятся к одному семейству продуктов, файлы САПР могут быть использованы напрямую. В противном случае файлы САПР импортируются в программное обеспечение CAM. Программное обеспечение CAM подготавливает модель к изготовлению, проверяя её на наличие ошибок и генерируя управляющую программу для ЧПУ-обработки.
• Программирование ЧПУ: Управляющая программа, созданная с помощью CAM-системы, состоит из набора координат, которые направляют режущую головку или инструменты во время обработки. Она содержит инструкции о траекториях резания, используемых инструментах и других параметрах. Программа обычно пишется с использованием G-кода и M-кода, которые являются стандартными языками программирования для станков с ЧПУ.
• Выбор параметров: Перед началом процесса обработки необходимо выбрать соответствующие параметры, такие как скорость резания, напряжение и обороты в минуту (об/мин). Эти параметры зависят от геометрии детали, доступного оборудования и оснастки. Выбор правильных параметров обеспечивает оптимальную производительность резания и точность.
• Раскладка и использование материала: Программное обеспечение CAM определяет оптимальную раскладку (нестинг), которая включает расположение и ориентацию деталей на заготовке для максимального использования материала. Эффективная раскладка сокращает отходы материала и повышает эффективность производства.
• Перевод кода и выполнение на станке: Программное обеспечение переводит всю информацию о дизайне, программировании и параметрах в машиночитаемые коды, а именно M-код и G-код. Эти коды предоставляют инструкции станку с ЧПУ, управляя его движениями, сменой инструмента и другими операциями. Станок с ЧПУ выполняет коды и автоматически осуществляет процессы резки, формовки и другие производственные процессы.
  Станки с ЧПУ управляются компьютерами, которые автоматизируют, отслеживают и контролируют их движения. На крупных промышленных предприятиях компьютер обычно интегрирован в станки, тогда как для любительских станков часто используется внешний компьютер. Конкретные движения, выполняемые станком с ЧПУ, зависят от его типа — это может быть фрезерный станок, токарный станок, гравировально-фрезерный станок (роутер) или другое специализированное ЧПУ-оборудование.

Распространенные типы станков с ЧПУ

ЧПУ-обработка включает в себя ряд специализированных станков, каждый из которых предназначен для конкретных применений. Вот некоторые из распространенных типов станков с ЧПУ:

• Фрезерные станки с ЧПУ: ЧПУ-фрезерование широко распространено и ценится за свою точность и прецизионность. Эти станки оснащены инструментами для сверления и резки. Компьютер управляет движением режущих инструментов, что позволяет точно удалять материал. В ЧПУ-обработке различают многоосевую обработку, в частности 3-осевую и 5-осевую. Чем 3-осевой станок с ЧПУ отличается от 5-осевого? Основное различие заключается в их способности ориентировать и перемещать режущий инструмент по нескольким осям. 3-осевой станок с ЧПУ может перемещать свой режущий инструмент по осям X, Y и Z. С другой стороны, 5-осевой станок имеет возможность перемещать режущий инструмент по осям X, Y, Z, A и B.
  
• Токарные станки с ЧПУ: ЧПУ-точение — это процесс, при котором материал вращается, в то время как режущие инструменты придают ему форму. Токарные станки с ЧПУ оснащены центральным токарным патроном, который удерживает и вращает заготовку в соответствии с управляющей программой. Этот тип станка идеально подходит для точения цилиндрических или симметричных деталей.
  
• Станки плазменной резки с ЧПУ: Станки плазменной резки с ЧПУ используют мощную плазменную горелку для раскроя материалов. Интенсивное тепло, генерируемое горелкой, позволяет ей резать прочные материалы, такие как металл. Компьютер управляет движением горелки, обеспечивая точные и эффективные операции резки.
  
• Станки лазерной резки с ЧПУ: Подобно станкам плазменной резки, лазерные станки с ЧПУ также предназначены для резки прочных материалов. Но эти станки используют лазеры вместо плазменных горелок для выполнения процесса резки. Лазерные станки с ЧПУ известны своей исключительной точностью резки, хотя они могут не обладать таким же уровнем режущей мощности, как плазменные горелки.
  
• Электроэрозионные станки с ЧПУ: Также известные как электроэрозионные станки (или искровые станки) с ЧПУ, эти специализированные станки используют электрические разряды для обработки материалов. Верхний и нижний электроды применяют контролируемые электрические разряды для изменения формы материала. Электроэрозионные станки с ЧПУ особенно полезны для обработки сложных и деликатных деталей, например, требуемых в производстве пресс-форм и штампов.
  

4 важные особенности ЧПУ-обработки

• Отлично подходит для создания больших объемов деталей: ЧПУ-обработка отлично подходит для массового производства благодаря своей способности воспроизводить детали с исключительной точностью и повторяемостью. После настройки программы ЧПУ станок может производить большой объем деталей с минимальным вмешательством человека, что приводит к повышению эффективности и экономичности.
• Может работать со многими материалами: Станки с ЧПУ могут обрабатывать широкий спектр материалов, включая металлы, такие как алюминий, сталь, а также пластмассы, дерево и композиты. Эта универсальность делает ЧПУ-обработку подходящей для различных применений в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, электроника и здравоохранение.
• Позволяет быстро создавать детали: ЧПУ-обработка обеспечивает высокую скорость производства, что позволяет быстро изготавливать детали. Автоматизация и высокоскоростная работа станков с ЧПУ обеспечивают эффективное удаление материала и точную формовку, сокращая время производства по сравнению с традиционными методами обработки.
• Высокая точность: Точность — отличительная черта ЧПУ-обработки. Компьютерное управление станками с ЧПУ обеспечивает постоянную точность и повторяемость, что приводит к получению деталей с жесткими допусками и минимальными ошибками. Этот уровень точности имеет решающее значение в отраслях, где критически важны соответствие компонентов, функциональность и качество, таких как аэрокосмическая промышленность и производство медицинских устройств.

Заключение

ЧПУ-обработка произвела революцию в обрабатывающей промышленности благодаря своим передовым технологиям и многочисленным преимуществам. Начав с её истоков в 1950-х годах и подчеркнув её преобразующее влияние на инженерию, мы затем перешли к пониманию того, что представляет собой ЧПУ-обработка. Мы узнали о ее субтрактивном производственном процессе, при котором материал удаляется для создания сложных деталей с высокой точностью. Компоненты станка с ЧПУ, включая ЦПУ, устройства ввода, панель управления станка и устройства обратной связи, были рассмотрены, чтобы продемонстрировать сложную работу этой технологии. Мы также углубились в терминологию, используемую в ЧПУ-обработке, такую как CAD, CAM, DNC, MDC, G-код и M-код, которые необходимы для программирования и управления станками. Понимая, как работает ЧПУ-обработка, мы исследовали процесс проектирования, программное обеспечение CAM, выбор параметров и перевод инструкций в машиночитаемый код. Кроме того, мы рассмотрели распространенные типы станков с ЧПУ, включая фрезерные, токарные, плазменной резки, лазерной резки и электроэрозионные станки, каждый из которых обладает уникальными возможностями и применениями. Наконец, мы подчеркнули важность ЧПУ-обработки, такую как ее способность обрабатывать большие объемы производства, работать с различными материалами, обеспечивать быстрые сроки выполнения и исключительную точность. С учетом этих знаний очевидно, что ЧПУ-обработка продолжает оставаться жизненно важной технологией, повышающей эффективность, производительность и инновации в современных производственных процессах.