Что такое ЧПУ станок: виды, устройство, принцип работы, сферы применения

Что такое CNC: все о станках с ЧПУ

CNC или ЧПУ — это сокращение от английского Computer Numerical Control, которое переводится как «числовое программное управление». Технология позволяет управлять работой станков с помощью компьютерной программы, основанной на уникальном языке программирования — G-code. Это своеобразный язык общения между станком и оператором ПК, который также используется многими моделями 3D-принтеров для управления процессом печати.

Оборудование с числовым программным управлением дает простор для фантазии любому мастеру. А внедряя его в свой арсенал, производители увеличивают КПД в десятки раз.

Группа устройств с числовым программным управлением включает в себя фрезерные и токарные станки, сверлильные устройства, станки лазерной и плазменой резки, обрабатывающие центры. Чуть ниже мы детально разберем их отдельные виды.

Сегодня оборудование ЧПУ широко применяется в самых различных отраслях производства: от электроники и мебельной промышленности до производства сложных авиационных и космических систем, — везде, где точность и надежность являются критически важными параметрами.

Наибольшее распространение оборудование с CNC получило в следующих областях:

Металлообработка. CNC технологии незаменимы при изготовлении технически сложных и высокоточных изделий из металла. Детали насосов, винтовых компрессоров, шлицевых валов, червячных и зубчатых передач машин — любой из этих компонентов сложно представить без использования высокоточных программ.

Аэрокосмическая промышленность. Как принято говорить в аэрокосмической отрасли: «В космосе нет ремонтных мастерских». Поэтому качество и надёжность является первостепенными для любой авиатехники. Изготовление профилей сложных форм, деталей шасси и самолетных двигателей, а также других деталей становится рядовой задачей только благодаря компьютеризированному оборудованию.

Электросвязь и телекоммуникация. К этой группе относятся всевозможные элементы антенн, компоненты для сборки и монтажа сетевых шкафов и стоек, детали печатных плат, интегральных схем, корпуса гаджетов, алюминиевые радиаторы охлаждения.

Здравоохранение. Любое высокотехнологичное оборудование сферы здравоохранения также требует прецизионной обработки. Костные винты и пластины, хирургические инструменты, держатели, зажимы, импланты из титана, стоматологическое оборудование — все это требует современного подхода в обработке. Современные устройства с CNC способны обрабатывать практически любые материалы, включая титан и керамику.

Автомобилестроение. Автомобильная промышленность является еще одним крупным сектором для компьютеризированной обработки. К этой группе относятся всевозможные детали машин: поршни и цилиндры двигателей, коробки передач, клапаны, блоки цилиндров, элементы приборной панели.

Деревообработка и мебельное производство. CNC-оборудование является незаменимым инструментом в деревообрабатывающей промышленности, так как позволяет наносить на поверхность деревянных изделий узоры любой сложности, выполнять фигурную резку, а также в больших объемах производить элементы корпусной мебели.

Рекламное дело. ЧПУ станок незаменим при изготовлении световых коробов, различных стендов, инсталляций, фигурных надписей и наружных рекламных вывесок, а также при подготовке выставочных конструкций.

Целесообразность использования

Использование оборудования с ПУ на предприятии и в бизнесе имеет множество преимуществ по сравнению с традиционным оборудованием. Во-первых, компьютер обеспечивает более высокую точность изделий. Прецизионная обработка увеличивает качество продукции, снижает количество отходов и обеспечивает высокую производительность.

Оборудование с программным управлением позволяет сократить затраты на рабочую силу, так как многие операции могут быть автоматизированы. Станок не уходит в отпуск и не прогуливает. У него не бывает низкой мотивации или плохого настроения. Наконец, оборудование с ПУ обеспечивает более безопасную работу поскольку операторам не приходится находиться в непосредственной близости от рабочей зоны.

Основные функции станков с ЧПУ включают в себя:

Автоматическое управление процессом обработки материала. ЧПУ станок позволяет автоматически управлять движением режущего инструмента и обрабатываемого материала, что повышает точность и повторяемость операций.
Использование различных режущих инструментов. Многофункциональные центры с ПУ могут использовать различные режущие инструменты, такие, как сверла, фрезы, резцы, что позволяет выполнять различные операции обработки материала.
Мониторинг процесса обработки материала. Станки с CNC могут контролировать процесс обработки материала, мониторить его параметры и корректировать операции в режиме реального времени.

К особенностям станков с числовым программным управлением можно отнести следующие:

Быстрая смена инструмента. Большинство современных станков с ПУ оснащены системой автоматической смены режущих инструментов. Оператору не нужно самому менять инструмент и оснастку — за это здесь отвечает компьютерная программа, заложенная в логику работы оборудования.
Гибкость и возможность быстрой настройки. Станки с ПУ могут быстро переключаться между различными операциями и материалами, что позволяет производить различные виды продукции на одном станке.
Возможность создания сложных геометрических форм. Оборудование с ПУ позволяет создавать изделия сложных геометрических форм, которые сложно или даже невозможно создать с помощью традиционного оборудования.
Уменьшение затрат на трудовые ресурсы. Автоматический процесс обработки на станках с ПУ позволяет уменьшить затраты на трудовые ресурсы, так как не требует постоянного присутствия оператора.
Возможность интеграции с другими системами автоматизации производства. Станки с программным управлением могут быть интегрированы с другими системами автоматизации производства, что позволяет создать единый управляющий центр для производства.

Оборудование с числовым программным управлением может быть классифицировано по различным критериям:

По типу выполняемых операций: фрезерные, токарные, сверлильные, расточные, лазерные, плазменные, обрабатывающие центры.
По количеству осей: 2-осевые, 3-осевые, 4-осевые, 5-осевые.
По размеру обрабатываемой детали: малогабаритные, среднегабаритные, крупногабаритные.
По типу управления: аппаратное или программное.
По типу привода: электрический, гидравлический, пневматический.
По типу инструмента: фрезы, сверла, резцы.
По применяемым материалам: металлы, пластмассы, дерево.
По степени автоматизации: полностью автоматические, полуавтоматические или ручные.
По способу подачи инструмента: вертикальные, горизонтальные или универсальные.

Рабочая область — максимальный размер детали, который может быть обработан на станке.
Точность обработки — показатель, который характеризует точность позиционирования и повторяемость движений инструмента.
Скорость движения инструмента — скорость перемещения инструмента по осям.
Мощность шпинделя — параметр, который характеризует мощность двигателя шпинделя, который вращает инструмент.
Количество осей — направления, по которым может перемещаться инструмент.
Производительность — количество деталей, которые могут быть обработаны за единицу времени.
Тип управления — аппаратное или программное управление.
Тип привода — электрический, гидравлический или пневматический.
Размер станка — габариты оборудования, которые определяются его конструкцией и рабочей зоной.
Вес оборудования — параметр, который влияет на его устойчивость и транспортировку.

Как известно, в основе любой компьютерной программы заложены алгоритмы. Программа действует по заданным условиям, шаг за шагом выполняя необходимые действия. Но для этого система сначала должна «знать», куда перемещать режущий инструмент, а также «понимать», где он находится в каждый отдельный момент времени. Для этого на оборудование устанавливаются датчики положения инструмента, а также задаются пространственные координаты всех точек заготовки в пределах рабочей зоны.

Процесс программирования начинается с создания объемной модели детали в специальном программном обеспечении САПР (AutoCAD, Solid, Catia, Компас). После этого требуется сформировать последовательность обработки согласно технологическому процессу. Технолог создает схему движения рабочего инструмента, задает определенные числа и выбирает способ обработки. Весь процесс написания отображается на экране.

Полученный Cl-файл загружается в станок и обрабатывается встроенным постпроцессором. После обработки создается управляющая программа с сгенерированными командами в виде G-кода. Он называется так, потому что все команды здесь начинаются с буквы G. Числа, следующие за буквами, обозначают действие для станка и контролируют все его движения: перемещают инструмент и заготовку по осям, задают вращение шпинделя.

Дополнительно в коде могут присутствовать вспомогательные M-коды. Они регулируют режим работы механизмов оборудования. Например, меняют режущие инструменты или отвечают за подачу охлаждающей жидкости в зону обработки. Такой подход позволяет значительно облегчить задачи массового производства деталей: увеличить производительность, снизить количество отходов и повысить качество продукции.

Конструктивные особенности

Применение и характер работы устройств с ПУ должны обеспечивать целый ряд конструктивных особенностей.

Например, приводы компьютеризированных станков должны обеспечивать максимально высокое быстродействие, а для повышения точности обработки любое устройство с ПУ должно обладать минимальными зазорами в своих передаточных механизмах и оптимальной жесткостью. Требуемая степень жесткости достигается за счет сокращения длины кинематических цепей.

Еще одним немаловажным фактором является повышенная виброустойчивость станка по сравнению с традиционным оборудованием. С этой целью для всех рабочих органов применяют автономные приводы, а механические передачи используют в минимально возможном количестве. Чтобы уменьшить тепловые деформации в механизмах станка, оператором должен быть обеспечен равномерный температурный режим. Для этого все гидросистемы подвергают предварительному прогреву.

Устройства с ЧПУ делятся на несколько групп по типу выполняемых операций.

Современные фрезерные устройства, оборудованные встроенными CNC-контроллерами, предусматривают использование вращающихся режущих инструментов для удаления материала из заготовки, имеющих как простую плоскую форму, так и сложную пространственную конфигурацию. С помощью них можно выполнять раскрой листовых материалов, обработку исходной заготовки под разными углами, выбирание пазов. Отдельные модели поддерживают 5-осевую обработку криволинейных заготовок.

Сверлильные устройства предназначены для выполнения всего комплекса сверлильно-фрезерных операций с заготовками различной формы: развертывания, зенкерования и нарезания резьбы. Заготовка при этом неподвижна, вращается сам инструмент. Зачастую сверлильные устройства с ПУ представляют собой многофункциональных обрабатывающий центр, состоящий из нескольких шпинделей в револьверной головке с предварительно установленными сверлами разных диаметров.

В противоположность сверлильным устройства главным движением на токарном станке является вращательное движение заготовки, получаемое от шпинделя через патрон или центр, а слой металла с нее снимает поступательно движущийся резец в кассетном резцедержателе. Токарный станок с числовым программным управлением может вмещать до 12 различных инструментов, но имеет меньшее количество осей, чем, например, фрезерные устройства, а также обладает упрощенной кинематикой.

В свою очередь токарные станки делятся на:

Центровые. Предназначены для обработки заготовок конической и цилиндрической формы;
Патронные. В основном используются для резьбы, сверления и зенкерования.
Комбинированные (патронно-центровые)
Карусельные. Предназначены для обработки крупных заготовок сложных форм. Главное движение в карусельных станках совершает рабочий стол (планшайба), а движение подачи совершает суппорт.

Лазерный станок — это оборудование, предназначенное для резки, гравировки, маркировки, очистки различных металлов: меди, латуни, нержавеющей стали, а также других материалов, таких, как паронит, резина, керамика, бумага, картон и даже мех. Они отличаются высокой энергоэффективностью и низким использованием расходных материалов.

Устройство генерирует стабильный луч высокой температуры, который падает на поверхность обрабатываемой заготовки малым световым пятном с высокой концентрацией энергии и выжигает материал. По типу лазерные устройства делятся на оборудование с CO2 излучателем и с оптоволоконным твердотельным иттербиевым излучателем.

Плазменные станки с программным управлением предназначены для обработки, резки и раскроя деталей из токопроводящих материалов. В отличие от механической обработки, в плазменных устройствах используется термическая резка ионизированным газом. Процесс обработки происходит в несколько этапов:

Сначала электроду подводят газ, который под действием электрической дуги превращается в плазму.
Режущий наконечник сужает поток плазмы до оптимальной ширины реза (0,8 1,5 мм) и направляется к заготовке.
Из-за высокой температуры начинается процесс выплавления материала из заготовки.

Станки с ЧПУ для домашнего пользования

Кроме промышленных станков с ПУ, на рынке существуют устройства для домашнего использования. Они также делятся по типу обработки на фрезерные, токарные, сверлильные и обрабатывающие центры. Существуют также устройства с ПУ более узкой специфики. Например, для гравировки изделий, рисования и даже для украшения кондитерских изделий.

Отличительной особенностью этого вида оборудования является относительно невысокая стоимость, компактность и простота обслуживания. Станки управляются компьютерной программой, поэтому работать на них сможет человек, не имеющий образования токаря или фрезеровщика. Кроме того, оборудование с ПУ для дома можно подключить к обычной однофазной сети, что является еще одним их преимуществом.

Многоцелевые устройства и обрабатывающие центры позволяют обрабатывать заготовку более чем в трех координатах без ее перемещения. Как правило, они оснащены автоматизированной системой смены инструмента и подвижным столом, оснащенным механизмом поворота, на котором крепится заготовка. Над столом установлена консоль, которая перемещается в горизонтальном направлении, а установленный на консоли суппорт может дополнительно совершать поперечные и наклонные движения, обеспечивая возможность 5-координатной обработки. В зависимости от расположения, обрабатывающие центры делятся на:

Горизонтальные. Этот тип ОЦ рассчитан на одностороннюю обработку крупных изделий. Однако некоторые горизонтальные центры имеют поворотные столы, которые также позволяют обработать заготовку с разных сторон.
Вертикальные. рассчитаны для обработки изделий в 5-координатной плоскости. Шпиндель вертикальных ОЦ может поворачиваться вдоль вертикальной или горизонтальной оси.

Преимущества станков с ЧПУ

Современные ЧПУ станки позволяют оптимизировать производство, повысить качество и сократить время изготовления деталей.

Основные плюсы станков с ПУ на производстве:

Скорость изготовления продукции. При изготовлении деталей на обычном станке оператору необходимо периодически перенастраивать оборудование, делать замеры, тратить время на смену инструмента и оснастки. В современных ЧПУ станках и обрабатывающих центрах все действия объединены в один непрерывный цикл, что существенно снижает время изготовления деталей. Также ЧПУ показывает высокую скорость изготовления в нестандартных условиях. Например, если оператору необходимо изготовить две симметричные детали в зеркальной проекции, то на каждую из них придется потратить уйму времени. На станке с ПУ для этого достаточно нажать одну кнопку.
Высокая точность обработки деталей. В отличие от обычных станков, которые часто подвержены человеческому фактору, станки ЧПУ не знают ошибок. Они действуют согласно заложенной в них компьютерной программе и раз за разом выдают один и тот же результат. Точность полученных изделий поражает!
Кроме того, станкам с числовым управлением чужда усталость, отсутствие опыта или смена дня и ночи. Они готовы работать в любое время и в отличие от человека никогда не опаздывают на работу и не уходят в отпуск.
Сокращение штата. Для обслуживания нескольких станков с ПУ достаточно одного оператора, который будет устанавливать и снимать заготовки и управлять программой.

Мастер ЧПУ что это за должность?

Оператор станков с числовым управлением — это одна из самых востребованных должностей в сфере промышленности. Что же входит в его обязанности?

Мастер ЧПУ запускает и контролирует программы, подбирает режущий инструмент, следит за его исправностью и износом. Также в обязанности оператора входит контроль размеров получаемых изделий и корректировка управляющих программ во время обработки.

В связи с ростом автоматизации всех процессов на производстве, мастер ЧПУ является сегодня важнейшим звеном на большинстве предприятий в сфере машиностроения.