Что такое ЧПУ

Числовое управление станком — это компьютерный контроль и запрограммированная обработка деталей. Специалист задаёт параметры работы станков, а программа обеспечивает максимальную точность и строгий алгоритм производственного процесса. Станок с ЧПУ может «запоминать» и соблюдать требования ГОСТа, выполнять 3D печать или работать по конкретным цифровым чертежам.

Когда появился самый первый токарный станок, неизвестно. Но на древнеегипетских фресках, датированных 1300 годом до нашей эры, изображён процесс обработки деревянных деталей с помощью токарного оборудования. В Китае токарные станки не просто использовались 2,5 тысячи лет назад, а использовались в широких промышленных масштабах для обработки различных материалов. 

Фрезерные станки несравнимо моложе. В 1930-х годах они только начинали свою промышленную карьеру. Но во всех этих устройствах, безусловно, программирование показалось бы фантастикой. 

Примитивный ткацкий станок с двоичным кодом появился в 1804 году. Тогда это были лишь попытки создать невиданное оборудование, и особых успехов достичь не удалось никому. Но после Второй мировой войны в США разработки перешли на серьёзный уровень, инженеры  создали станок с электронным управлением для выпуска вертолётных пропеллеров. Полноценные станки CNC известны с 1952 года, но патент на интеллектуальное оборудование получен лишь в 1958. А в начале 1960-х годов эта технология начала «раскручиваться» и в СССР. 

В основе современных работ с ЧПУ лежит язык программирования G-code. Результат его использования:

• максимальная автоматизация;
• минимальное участие со стороны оператора;
• абсолютная точность выполнения команд;
• возможность быстро изменять параметры изделий;
• обеспечение непрерывного рабочего процесса.

Станки этого типа могут работать с различными материалами, включая дерево, оргстекло и пластик. Но 90% выполняемых задач — это обработка металла. Технологии с программным управлением применяются практически во всех сферах современной промышленности для создания различных устройств — от винтовых компрессоров до космической техники.

Функциональные узлы станков с ЧПУ

Работа происходит автоматически, без постоянного участия человека. Но для этого оператор должен ввести все команды и подробную информацию о заготовке. 

Станки ЧПУ не работают с бумажными чертежами — им требуется цифровая модель с чёткой привязкой к осям. 

Устройство CNC включает три составляющие: 

• программная; 
• исполнительная; 
• механическая. 

Для ввода программы и необходимой информации в первых моделях применяли перфоленту и магнитные носители. Сейчас используются три варианта: 

1. Флэш-память.
2. ПЛК — программируемый логический контроллер.
3. ПК (через порт RS-232-С). 

Высокотехнологичные станки последних моделей оснащены сенсорным дисплеем. 

Введённая информация направляется в БУС — блок управления. Станок может контролировать заготовку, ориентируясь на точки и оси, которые точно отражают все необходимые координаты: 

• размещение и размеры детали; 
• положение и смещение рабочего стола; 
• позиции инструмента.

Оси детали обозначены буквами X и Y, для координат шпинделя используется литера Z.

БУС формирует команды и отправляет их на усилитель. Затем они передаются на серводвигатели, гидравлические клапаны и прочие устройства. Датчики фиксируют положение осей и направляют координаты в БУС для сверки с заданными значениями. 

Что представляет собой управление станка-робота

1. Программа для обработки изделий — это закодированные инструкции, в которых заключён алгоритм изготовления детали. Программа управляет движением инструментов, включением и выключением вспомогательных функций. 
2. Устройство для ввода данных. 
3. Блок управления, с помощью которого происходит чтение и расшифровка кода инструкции (состоящей из символов, цифр и букв).
4. Передача команд на действующий механизм с точным указанием координат по осям.
5. Подключение дополнительных задач — в первую очередь это важно для мгновенной смены инструмента или подачи охлаждения.
6. Привод — схема различается в зависимости от конкретного назначения станка (токарный, фрезерный, прочее).
7. Система обратной связи для мониторинга и корректировки задач.

Перечень функциональных узлов зависит от назначения станка и его конструкции: среди оборудования ЧПУ есть и компактные устройства, и портальное тяжёлое оборудование.

Но можно обозначить узлы, общие для всех типов станков:

Классификация

Принцип работы любого программируемого станка — компьютер руководит обрабатывающим инструментом и управляет заготовкой. Программы позволяют создать трёхмерное видение детали, с которой предстоит работать. Классификация заложена в стандартной маркировке оборудования.

По каким параметрам можно классифицировать типы станков ЧПУ:

По технологическим операциям

Наиболее востребованные типы — фрезерные и токарные станки. Существуют и более специализированные модели — для глубокого сверления, нарезки резьбы, разрезные, а также с целым набором функций. Разработки последних лет — для плазменной и лазерной резки металла. Реже используется оборудование для ультразвуковой обработки, водоструйное, фотохимическое и электронно-лучевое. Технология, используемая в УЗ- станках, позволяет увеличить вибрацию режущего инструмента   — в результате сила резания снижается на треть (порядка 33%).

По расположению оси шпинделя

Не только автоматические ЧПУ станки, но и полуавтоматы, по расположению шпинделя делятся на горизонтальные и вертикальные. 

По точности обработки

Уровень точности:

• нормальная;
• повышенная;
• высокая;
• особо-высокая;
• мастер-станки.

По количеству контролируемых координат

Четырёх- и пяти- осевые станки — это возможность использовать дополнительно 1 или 2 координаты для выполнения наиболее сложных задач. Двух- и трёх- осевые справляются с более простой обработкой деталей. 

По наличию обратной связи

Различают разомкнутые и замкнутые системы ЧПУ.

По способу задания информации станки бывают:

1. Числовые. 
2. Нечисловые (кулачковые, копировальные, путевые) и временные.

По типу системы управления

По этому принципу различают системы: 

1. Позиционные. 
2. Контурные. 
3. Универсальные (комбинированные).
4. С цифровой индикацией.

В маркировке станков эта характеристика обозначается буквой «Ф» и числовым индексом.

Где применяют станки с ЧПУ

Задачи станков с ЧПУ разнообразные — от лазерной резки до гравировки. На сегодняшний день в мире насчитывается более 7 миллиардов смартфонов — и основная часть их компонентов немыслима без ЧПУ — не только внутренняя электроника, но и стекло дисплея.

В каких сферах невозможно обойтись без станков-роботов:

Здравоохранение — медицинский инструмент, кардиостимуляторы, костные винты и пластины.

Энергетика — от гидрогенераторов до поршней, от втулок до лопаток турбин.

Автомобилестроение: коробки передач, газовые датчики, детали двигателя. Но в этой области промышленности требуется обработка не только металлических, но и пластиковых заготовок.

Аэрокосмическая отрасль — она развивалась параллельно с новыми технологиями ЧПУ, и без высокоточной обработки невозможно создать большую часть оборудования.

Судостроение — станки-роботы помогают создавать не только каркасные и палубные конструкции, но и большинство вспомогательных компонентов, включая камбузные столешницы.

Мебельное производство — начиная от серийных заданий и заканчивая изготовлением эксклюзивных элементов.

Рекламное дело — раскрой пластика, оргстекла, изготовление логотипов и отдельных букв, гравировка.

Металлообработка — работа с заготовками любой формы, нанесение резьбы и выполнение сложных отверстий.

Электроника — достаточно упомянуть печатные платы и полупроводники. Но и множество других задач в этой постоянно развивающейся промышленности невозможно выполнить без высокой точности — даже изготовить корпус.

Отдельно от общих задач здравоохранения стоит упомянуть стоматологию — на станках ЧПУ делают зубные протезы, коронки, мосты и даже ортодонтические ложечки.

Преимущества станков с ЧПУ

Робот-станок обеспечивает автономную бесперебойную работу, точно соблюдая заданные параметры. Какие возможности предоставляет использование интеллектуального оборудования::

1. Точность, которую сложно или невозможно получить на обычном оборудовании.
2. Изготовление по одной программе бесконечного множества деталей с одинаковыми параметрами и стабильным уровнем качества.
3. Один квалифицированный рабочий без проблем справляется с несколькими станками.
4. Универсальность — достаточно изменить программу, и тот же самый станок начинает выпускать абсолютно другие детали. 
5. Высокая скорость работы.
6. Отсутствие бракованных изделий.
7. Минимум отходов материала.
8. Круглосуточное использование станков.
9. Возможность работы с различными материалами.
10. Автоматизированные станки без проблем справляются с обработкой твёрдых материалов.

Правильно задав цифровую модель, мы получаем на станке-роботе сложные детали любой конфигурации. И главное — абсолютная прогнозируемость: можно планировать производство, потому что каждая операция занимает точный отрезок времени, никаких сбоев и отклонений.

Минусы станков-роботов

К недостаткам станков ЧПУ относятся два требования: приобрести их можно лишь по достаточно высоким расценкам, а управлять роботом может только квалифицированный специалист. Затраты на станок-робот окупаются благодаря возможности быстро и качественно создавать детали сложной конфигурации большим потоком, а при необходимости без лишних расходов перестроиться на другое задание. 

Но программа должна составляться квалифицированно: с учётом не только производственных задач, но и всех характеристик обрабатываемого материала. 

Профессионал сможет наладить и поддерживать работу нескольких станков, выполняя стандартные задачи:

• подготавливает устройство к работе;
• устанавливает и снимает детали;
• налаживает инструмент. 

Чтобы перейти к изготовлению других изделий, оператор должен просто внести коррективы в программу станка. Изначально неверные данные в памяти CNC — это брак не одной-двух деталей, а целой партии.

Получив цифровое задание, станок готов с высокой точностью производить идентичные по всем параметрам детали. При качественной программе гарантирован беспрерывный выпуск изделий с одинаковой формой и размерами — на заданном уровне качества. 

Изготовление небольшой партии нестандартных деталей на обычных станках как минимум очень дорого, как максимум — просто невозможно. А для станка ЧПУ такая задача — это лишь необходимость подобрать и запустить соответствующую программу. Первый этап работы над сложными изделиями — разработка проекта и создание цифровой модели детали. 

Оператор ЧПУ: что это за профессия

В машиностроении специалиста по станкам-роботам называют «матрёшка»: для наладки производства и выполнения всех операций ему приходится сочетать целый набор различных специальностей. 

Что должен уметь оператор:

1. Быстро и грамотно читать чертежи, предоставленные инженером-конструктором. 
2. На основе полученного тех задания вводить информацию в программу — указать параметры будущего изделия. 
3. Подобрать нужные инструменты для обработки деталей и установить их в блок. 
4. Наладить механизмы и узлы станка. 
5. С помощью спецмеханизмов установить детали. 
6. Составить алгоритм — указать последовательность технологических операций. 

А уже в процессе работы появляются и другие задачи:

• переналадить станок на другую операцию;
• заменить режущий инструмент (резцы, фрезы, сверла);
• контролировать рабочий процесс;
• принимать готовые детали;
• проверять качество изделий. 

Есть и ещё один важный этап после внесения кода — тестирование. Оператор выполняет пробное задание, чтобы убедиться не только в точности соблюдения параметров, но и скорости, с которой станок выполняет обработку детали. 

На практике оператор дополнительно ведёт письменный учёт изготовленной продукции. Конкретный перечень технологических операций зависит от отрасли производства, но можно выделить наиболее распространённые задачи для оператора ЧПУ: 

• механическая токарная обработка;
• фрезерование;
• сверление;
• шлифовка. 

Поскольку основные преимущества станков с ЧПУ — это высокая точность и скорость, то такими же качествами должен обладать и их руководитель: оператору помимо знаний потребуется быстрота реакции, длительная концентрация внимания и хороший глазомер.