Технологические возможности и конструктивные особенности станков с ЧПУ Лекция

станков с ЧПУ, область их применения. Конструктивные особенности станков с

ЧПУ. Преимущества станков с ЧПУ. Классификация систем ЧПУ: системы цифровой индикации, позиционные, контурные, комбинированные (смешанные) системы. Обозначение типа устройства ЧПУ. Обозначение модели станка с ЧПУ. Системы CN, CNC, SNC, HNC, DNC; разомкнутые, замкнутые, самонастраивающиеся системы ЧПУ.

в алфавитно-цифровом коде и представляющей последовательность команд, записанную на определенном

языке и обеспечивающую заданное функционирование рабочих органов станка.
Принципиальное отличие систем ЧПУ от САУ заключается в способе расчета и задания программы управления и ее передачи для управления рабочими органами станка.
В обычных САУ программа управления воплощается в физические аналоги - кулачки, копиры, упоры и другие средства, которые являются программоносителями.
Первый недостаток обусловлен тем, что информация чертежа детали из цифровой (дискретной) превращается в аналоговую (в виде кривых кулачка, копира). Это приводит к погрешностям, вносимым при изготовлении кулачков, копиров, расстановки путевых упоров на линейках, а также при износе этих программоносителей в процессе эксплуатации.
Вторым недостатком является необходимость изготовления данных программоносителей с последующей трудоемкой наладкой на станке. Это приводит к большим затратам средств и времени и делает в большинстве случаев неэффективным применение обычных САУ для автоматизации серийного и особенно мелкосерийного производства.

программы управления вплоть до ее передачи рабочим органам станка мы

имеем дело только с информацией в цифровой (дискретной) форме, полученной непосредственно из чертежа детали. Траектория движения режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки в станках с ЧПУ представляется в виде ряда его последовательных положений, каждое из которых определяется числом. Вся информация программы управления (размерная, технологическая и вспомогательная), необходимая для управления обработкой детали, представленная в текстовой или табличной форме с помощью символов (цифр, букв, условных знаков), кодируется (код ISO-7bit) и вводится в память системы управления от ЭВМ или непосредственно с помощью клавишей на пульте управления. Устройство ЧПУ преобразует эту информацию в управляющие команды для исполнительных механизмов станка и контролирует их выполнение. Поэтому в станках с ЧПУ стало возможным получать сложные движения его рабочих органов не за счет кинематических связей, а благодаря управлению независимыми координатными перемещениями этих рабочих органов по программе, заданной в числовом виде.
В условиях серийного, мелкосерийного и единичного производства сокращение сроков подготовки производства на 50—75 %, снижению общей продолжитель-ности цикла обработки на 50—60 %, уменьшению затрат на проектирование и изготовление технологической оснастки на 30—85 %.

технологические возможности при сохранении высокой надежности работы. Конструкция станков с

ЧПУ должна, как правило, обеспечить совмещение различных видов обработки (точение — фрезерование, фрезерование — шлифование, обработка резанием - контроль и др.), 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 за счет повышения точности изготовления и жесткости станка, превышающей точность обычного станка того же назначения.
Статическую и динамическую жесткость повышают путем сокращения длины кинематических цепей. Для чего используют минимальное количество механических передач, а для всех рабочих органов применяют автономные приводы, обладающие высоким быстродействием. Базовые детали (станины, колоны, основания) выполняют более жесткими за счет введения дополнительных ребер жесткости. Повышенную жесткость имеют и подвижные несущие элементы (суппорты, столы, салазки). Базовые детали изготавливают литыми или сварными. Наметилась тенденция выполнять такие детали из полимерного бетона или синтетического гранита, что еще больше повышает жесткость и виброустойчивость.

(карусельные и продольно-строгальные станки); движения подачи рабочих органов; перестановки узлов,

например задних стоек горизонтально-расточных станков, задних бабок токарных станков, люнетов и др.
По характеру траектории различают направляющие прямолинейного и кругового движения, по расположению в пространстве — горизонтальные, наклонные и вертикальные направляющие.
Направляющие станков с ЧПУ должны обладать следующими свойствами:
обеспечивать устойчивое перемещение узлов с минимальными отклонениями от заданной траектории с точным выходом в заданное положение;
создавать наименьшее сопротивление перемещению узлов;
обеспечивать сохранение работоспособности и точности в течение длительного срока эксплуатации, уменьшать и, по возможности, устранять неравномерность перемещения и скачки при медленных движениях и в моменты страгивания с места и остановок;
обеспечивать демпфирование колебаний, возникающих при медленных перемещениях, резании и резонансных явлениях в цепях приводов подач.

зависящий от скорости перемещений, коэффициент трения скольжения, особенно на малых

скоростях, что приводит к скачкообразному перемещению рабочего органа при позиционировании на малой скорости. Чтобы уменьшить коэффициент трения, направляющие скольжения станины и суппорта создают в виде пары скольжения “сталь- покрытие”. В некоторых случаях используют антискачковые смазочные материалы. Стальные направляющие имеют твердость HRC 60-62, а чугунные HRC 52-55. 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. Недостатки - некоторое удорожание конструкции, а также пониженная демпфирующая способность в направлении перемещений. Гидростатические направляющие используют в тяжелых станках и имеют малое сопротивление движению, отсутствие скачкообразных перемещений, отсутствие износа и д.р., за счет создания масляной подушки по всей площади контакта. Точность движения достигается поддержанием относительного постоянства толщины масляного слоя при изменяющейся нагрузке, в простейшем случае путем установки дросселя перед каждым масляным карманом и выполнения направляющих с высокой геометрической точностью. Чрезвычайно дороги в изготовлении.

В станках с ЧПУ нашли широкое применение цифровые

преобразователи или цифровые приводы для механизмов 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 изготовляют 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.

обычно являются двигатели переменного тока — для больших мощностей и

постоянного тока — для малых мощностей. В качестве приводов служат трехфазные четырех-полюсные 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.
Привод главного движения может иметь ступенчатое и бесступенчатое регулирование частот вращения шпинделя.
При ступенчатом регулировании применяют автоматические коробки скоростей (АКС) в сочетании с одно- или многоскоростными нерегулируемыми электродвигателями. Такой привод имеет высокий КПД, обеспечивает передачу больших крутящих моментов при сравнительно небольших габаритах и применяется в токарных станках с ЧПУ. Бесступенчатое регулирование частот вращения осуществляется двигателями постоянного тока с тиристорным управлением. Такие двигатели в сочетании с упрощенными двух-трехступенчатыми коробками скоростей наиболее распространены в приводах главного движения станков с ЧПУ. Преимущества такого привода: простота конструкции и легкость управления

с повышенной износостойкостью шеек, посадочных и базирующих поверхностей. Конструкция шпинделя

значительно усложняется из-за встроенных в него устройств автоматического разжима и зажима инструмента, датчиков при адаптивном управлении и автоматической диагностике. Шпиндели в станках класса Н и П выполняют из стали 40х, 45, 50 с поверхностной закалкой до твердости HRCэ 48…56.
Опоры шпинделей должны обеспечить точность вращения шпинделя в течение длительного времени в переменных условиях работы, повышенную жесткость, небольшие температурные деформации. Точность вращения шпинделя обеспечивается прежде всего высокой точностью изготовления подшипников.
В качестве опор шпинделей наиболее широко применяют подшипники качения. Для уменьшения влияния зазоров и повышения жесткости опор подшипники обычно устанавливают 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 гидродинамические, гидростатические и аэростатические подшипники, в которых между шейкой вала и поверхностью подшипника находится жидкость или сжатый воздух, благодаря этому снижается износ и нагрев подшипника, повышается точность вращения и т. п.

в требуемую позицию согласно программе) должен иметь высокую жесткость и

обеспечивать плавность перемещения при малых скоростях, большую ско-рость вспомогательных перемещений рабочих органов (до 10 м/мин и более). В электродвигателях приводов, устанавливаемых непосредственно на станках, используют высокомоментные двигатели постоянного тока с транзисторными широко-импульсными преобразователями.
Вспомогательные механизмы станков с ЧПУ включают в себя устройства смены инструмента, уборки стружки, систему смазывания, зажимные при-способления, загрузочные устройства и т.д. Эта группа механизмов в станках с ЧПУ значительно отличается от аналогичных механизмов, используемых в обычных универсальных станках. Для сокращения потерь времени при загрузке применяют приспособления, позволяющие одновременно устанав-ливать заготовку и снимать деталь во время обработки другой заготовки.
Устройства автоматической смены инструмента (магазины, автоопера-торы, 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, иметь необходимую вместимость магазина или револьверной головки. В револьверных головках —установку и зажим инструмента осуществляют вручную. В головке закрепляют от 4 до 12 инструментов. Недостатком револьверных головок является невысокая жесткость и, как следствие, пониженная точность обработки.

в соот-ветствии с программой управления, вводимой в блок ввода и

считывания информации.
Блок технологических команд служит для управ-ления цикловой автомати-кой станка, состоящей в основном из исполнитель-ных элементов типа пуска-телей, электромагнитных муфт, соленоидов, конце-вых и путевых выключате-

лей, реле давления и т.д., обеспечивающих выполнение различных технологических команд (смены инструмента, переключения частот вращения шпинделя и др.), а также различных блокировок при работе станка.

траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе

управления точка-ми. Выходная информация с этого блока, поступающая на блок управления приводами подач, обычно представлена в виде последовательности импульсов по каждой коорди-нате, частота которых опреде-ляет скорость подачи, а число - величину перемещения.

Заданная скорость подачи вдоль обрабатываемого контура детали, а также процессы разгона и торможения обеспечиваются блоком скоростей подач.

подачи и размеров инструмента (дли-ны и диаметра).
Блок постоянных циклов

позволяет упростить процесс программирования при обработке повторяющихся элементов детали, например, при сверлении и растачива-нии отверстий, нарезании резьбы и др.
Привод подач рабочих органов состоит из привод-ного двигателя, систем его управления и кинематических звеньев.

зависит от применяемой схемы управления приводами подач: разомкнутой (без системы

измерения действительных перемещений управляемого рабочего органа) или замкнутой (с системой измерения). Во втором случае контроль точности отработки управляющих сигналов по каждой управляемой координате станка осуществляется датчиком обратной связи (ДОС). Точность данного контроля во многом определяется типом, конструкцией и местом установки датчиков на станке.
В зависимости от вида основных операций механической обработки станки подразделяются на технологические группы:
токарные, фрезерные, сверлильные, сверлильно - фрезерно - расточные, шлифовальные, многооперационные.
По количеству используемого инструмента, станки с ЧПУ подразделяются на:
многоинструментальные , с числом автоматически сменяемых инструментов до 12, как правило станки с инструментальной револьверной головкой;
многооперационные, с числом автоматически сменяемых инструментов более 12, снабженные специальным инструментальным магазином цепного или барабанного типа.

обеспечение взаимозаменяемости деталей в серийном и мелкосерийном производстве,

2. Сокращение или полная ликвидация разметочных и слесарно-притирочных работ,
3. Простота и малое время переналадки;
4. Концентрация переходов обработки на одном станке, что приводит к сокращению затрат времени на установку заготовки, сокращению числа операций, оборотных средств в незавершенном производстве, затрат времени и средств на транспортирование и контроль деталей;
5. Сокращение цикла подготовки производства новых изделий и сроков их поставки;
6. Обеспечение высокой точности обработки деталей, так как процесс обработки не зависит от навыков и интуиции оператора;

Повышение производительности станка в результате оптимизации технологических параметров, автоматизации всех

перемещений;
9. Возможность использования менее квалифицированной рабочей силы и сокращение потребности в квалифицированной рабочей силе;
10. Возможность многостаночного обслуживания;
11. Сокращение парка станков, так как один станок с ЧПУ заменяет несколько станков с ручным управлением.

Применение станков с ЧПУ позволяет решить ряд социальных задач: улучшить условия труда рабочих-станочников, значительно уменьшить долю тяжелого ручного труда, изменить состав работников механообрабатывающих цехов, сделать менее острой проблему нехватки рабочей силы и т. д.

1. Широко использовать многоместные приспособления. обеспечивающие обработку нескольких одинаковых

или разных по конструкции деталей (особенно это важно при использовании ГПС, так как на приспособлении могут быть закреплены и изготовлены за один цикл комплекты деталей для одного изделия).
2 Применять промежуточные плиты с точно обработанными отверстиями или пазами, что сокращает время наладки и переналадки оборудования на новую деталь; кроме того, это предохраняет от изнашивания рабочие поверхности стола и т. д.
3 Использовать комбинированный инструмент небольшой длины и точного исполнения, предпочтительно со сменными пластинами с покрытием (в том числе и для сверления и развертывания). Это способствует повышению режимов обработки, стойкости и надежности инструмента, а также снижению затрат времени на смену инструмента и позиционирование стола, и сокращению количества инструментов, необходимых для обработки детали, и числа гнезд в инструментальном магазине.

контроля состояния режущей кромки, фиксации времени работы с указанием момента

смены инструмента;
5 Весь инструмент необходимо налаживать вне станка.
6 Назначать последовательность обработки отверстий на основе учета реальных затрат времени, т.е., одним инструментом обрабатывать ряд отверстий одного диаметра, или каждое отверстие обрабатывать полностью со сменой инструмента;
6 В процессе механической обработки вначале выполнять переходы, требующие наибольшей частоты вращения шпинделя, например, вначале целесообразно сверлить отверстие малого, а затем большого диаметра;
7. Избегать частых скачкообразных изменений частот вращения шпинделя;
8 Станки с ЧПУ независимо от класса точности должны использоваться только для работ, ограниченных технологическим назначением станка, допустимыми нагрузками, размерами фрез, сверл и т. д.
9 Станки с ЧПУ высокого класса точности не следует использовать для обработки деталей, которые по точности, заданной чертежом, могут быть обработаны на станках более низкого класса точности.

исходя из технологических задач управления обработкой

в соответствии с командами, определяющими позиции, заданные программой управления. При

этом перемещения вдоль различных осей координат могут выполняться одновременно (при заданной постоянной скорости) или последовательно. Данными системами оснащают в основном сверлильные и

расточные станки для обработки деталей типа плит, фланцев, крышек и др., в которых производится сверление, зенкерование, растачивание отверстий, нарезание резьбы и др. (например, мод. 2Р135Ф2, 6902МФ2, 2А622Ф2-1).

касательной в каждой точке заданного контура обработ-ки. Контурные системы ЧПУ

в отличие от позиционных обеспечивают непрерывное управление перемещениями инструмента или заготовки поочередно или сразу по нескольким координатам в результате чего может обеспечиваться обработка очень сложных деталей (с управлением одновременно по более чем двум координатам). Контурными системами ЧПУ оснащены в основном токарные и фрезерные станки (например, мод. 16К20ФЗ, 6Р13ФЗ).

Контурные системы ЧПУ - обеспечивают управление перемеще-ниями рабочих органов станка по траектории и с контурной скоростью, заданными программой управления. Контурной скоростью является результирующая

Являються наиболее сложными и более универсаль-ными. В связи с повышением

степени автоматизации станков с ЧПУ, усложнением) и расшире-нием их технологических возмож-ностей (особенно много-операционных) применение комбинированных систем ЧПУ значительно возрастает (например, мод. ИР500МФ4, ИР320ГШФ4; 2206ПМФ4, 6305Ф4).

и преднабором координат. В этих станках имеется электронное устройство для

задания координат нужных точек (преднабор 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 преднабор координат или цифровую индикацию. Исходную программу работы задает станочник.
В моделях станков с ЧПУ для обозначения степени автоматизации добавляется буква Ф с цифрой:
Ф 1 – станки с цифровой индикацией и преднабором координат;
Ф 2 – станки с позиционными системами ЧПУ;
Ф 3 – станки с контурными системами ЧПУ;
Ф 4 – станки с комбинированной системой ЧПУ для позиционно - контурной обработки.

приставки С1, С2, С3, С4 и С5, что указывает на

различные модели систем ЧПУ, применяемых в станках, а также на различные технологические возможности станков. Например, станок модели 16К20Ф3С1 оснащен системой ЧПУ «Контур 2ПТ-71», станок модели 16К20Ф3С4 – системой ЧПУ ЭМ907 и т. д.
Для станков с цикловыми системами ПУ, где в качестве управляющих элементов являются концевые переключатели, упоры и т. д., в обозначении модели введен индекс Ц, с оперативными системами – индекс Т (например, 16К20Т1).

По способу подготовки и ввода управляющей программы различают:
оперативные системы ЧПУ (в этом случае управляющую программу готовят и редактируют непосредственно на станке, в про-цессе обработки первой детали из партии или имитации ее обработ-ки);
адаптивные системы ЧПУ, для которых управляющая программа готовится, независимо от места обработки детали. Причем независи-мая подготовка управляющей программы может выполняться либо с помощью средств вычислительной техники, входящих в состав системы ЧПУ данного станка, либо вне ее (вручную или с помощью системы автоматизированного программирования.)

ЧПУ по уровню технических возможностей делятся на основные классы:

NC - Numerical Control - созданы на основе счетно-решающих аналоговых устройств, в следствии чего имеют "жесткую" архитектуру адаптированную к конкретной модели станка, как правило на основе шагового привода. При каждом цикле обработки заготовки, УП считывается по кадрам – один отрабатывается, другой записывается в буферное запоминающее устройство. При таком режиме работы, значительные нагрузки на считывающее устройство и материал программоносителя, поэтому нередко возникают сбои системы.
SNC - Stored Numerical Control - сохраняют все свойства класса NC но отличаются от них увеличенным объемом памяти.
CNC - Computer Numerical Control - выполнены на основе микроЭВМ и позволяют создавать устройства ЧПУ совмещающие функции управления станком (как правило с приводами на основе двигателей постоянного тока) и решения отдельных задач подготовки УП. Особенность систем данного класса заключается в

детали, так и свойства функционирования самой системы, в целях максимального

учета особенностей модели, данного станка. В запоминающее устройство системы CNC, УП вводится полностью, с программоносителя или в режиме диалога с ПУ станка.
DNC - Direct Numerical Control - сохраняют все свойства систем класса CNC и при этом имеют возможность обмена информацией с центральной ЭВМ обслуживающей группу станков, производственный участок или цех.

привода подач станка с ЧПУ: 1,2,3, - элементы гидропривода; 4

– зубчатая пара; 5-ходовой винт; 6 – рабочий орган станка с ЧПУ

Разомкнутые системы характеризуются наличием одного потока информации, поступающего со считывающего устройства к исполнительному органу станка.
Недостаток - нет датчика обратной связи и поэтому отсутствует информация о действительном положении исполнительных органов станка.

на ходовом винте;
б) – замкнутая с круговым ДОС и

реечной передачей
в) - замкнутая с линейным ДОС на рабочем органе станка

Замкнутые системы ЧПУ -характеризуются двумя потоками информации – от считывающего устройства и от датчика обратной связи по пути. В этих системах рассогласование между заданными и действительными величинами перемещений исполнительных органов устраняется благодаря наличию обратной связи. В основе работы замкнутых систем ЧПУ лежит принцип следящих систем управления.

В подобных системах ЧПУ производится косвенное измерение положения рабочего органа

с помощью кругового ДОС, установлен-ного на ходовом винте. Данная схема достаточно проста и удобна с точки зрения установки ДОС. Габаритные размеры применяемого датчика не зависят от величины измеряемого перемещения. При применении круговых ДОС, устанавливаемых на ходовом винте, высокие требования предъявляются к точностным характерис-тикам передачи винт-гайка (точность изготовления, жесткость, отсутствие зазоров), которая в этом случае не охватывается обратной связью.

системы ЧПУ этого типа также используют круговой ДОС, но измеряющий

перемещение рабочего органа станка через реечную передачу. В данном случае система обратной связи охватывает все передаточные механизмы привода подачи, включая и передачу винт-гайка. Однако, на точность измерений перемещений могут влиять погрешности изготовления реечной передачи. Во избежание этого необходимо применять прецизионную реечную передачу с рейкой, длина которой зависит от величины хода рабочего органа станка. В ряде случаев это усложняет и удорожает систему обратной связи.

Подобные системы ЧПУ оснащены линейными ДОС обеспечивающими непосредственное измерение перемещения

рабочего органа станка. Это позволяет охватить обратной связью все передаточные механизмы привода подачи, что обеспечивает высокую точность перемещений. Однако линейные ДОС сложнее и дороже, чем круговые; их габаритные размеры зависят от длины хода рабочего органа станка. На точность работы линейных ДОС могут влиять погрешности станка (например, износ направляющих, тепловые деформации и др.).

с компенсирующим учетом погрешностей станка оснащены дополнительными системами обратной связи,

с датчиками, учитывающими погрешности станка (тепловые деформации, вибрации, износ направляющих и др.)

ЧПУ характеризуются тремя потоками информации: 1) от считывающего устройства; 2)

от датчика обратной связи по пути; 3) от датчиков, установленных на станке и контролирующих процесс обработки по таким параметрам, как износ режущего инструмента, изменение сил резания и трения, колебания припуска и твердости материала обрабатываемой заготовки и др. Такие системы позволяют корректировать программу обработки с учетом реальных условий резания.

обычных станков одинакового назначения?
Назовите основные способы повышения жесткости

базовых деталей.
Назначение и требования к направляющим для станков с ЧПУ.
Какие виды направляющих получили применение в станках с ЧПУ и в чем их отличие, с точки зрения обеспечения плавности хода подвижных узлов станка при медленных перемещениях?
Какие двигатели используют в качестве приводов подач в станках с ЧПУ?.
Чем характеризуется привод движения подач?
Какие двигатели используются в приводах главного движения и виды их регулирования?
Какие требования предъявляются к шпинделям и их опорам. Виды опор применяемых в станках с ЧПУ?
Какие основные требования предъявляют к приводу позиционирова-ния ?
Из каких основных блоков состоит система ЧПУ? Их краткая характеристика

рекомендации по повышению эффективности использования станков с ЧПУ?
13. Классификация систем

ЧПУ и их обозначение.
14. Назовите способы ввода управляющих программ.
15. Назовите классы устройств с ЧПУ по уровню технических возможностей. В чем их различие?
16. Какие схемы приводов подач используют в станках с ЧПУ и в чем их различие?