Система числового программного управления (ЧПУ) существенно увеличивает производительность труда на предприятиях, что, в свою очередь, может привести к сокращению численности работников. Однако внедрение такой системы требует значительных финансовых затрат и наличия квалифицированных специалистов, что не всегда оправдано с экономической точки зрения. Использование станков с ЧПУ целесообразно в следующих ситуациях:
Что такое ЧПУ станок: виды, устройство, принцип работы, сферы применения
Станки с числовым программным управлением реализуются в различных отраслях промышленности на протяжении многих лет. Применение компьютеризированного оборудования может значительно повысить как скорость, так и точность обработки, а также уменьшить вероятность ошибок в производственном процессе. В этой статье мы рассмотрим, что такое ЧПУ и какой принцип работы и устройство имеют такие технологии.
CNC или ЧПУ — это сокращение от английского Computer Numerical Control, что в переводе на русский значит числовое программное управление. Эта технология предоставляет возможность управлять работой станков с помощью специализированной компьютерной программы, использующей уникальный язык программирования — G-code. G-code представляет собой язык, при помощи которого оператор ПК взаимодействует со станком и который также используется многими моделями 3D-принтеров для управления процессом печати.
Оборудование с ЧПУ открывает широкие возможности для творчества мастера, а его внедрение на производстве позволяет существенно увеличить коэффициенты полезного действия (КПД) оборудования в десятки раз.
К сфере применения станков с числовым программным управлением относятся фрезерные и токарные установки, сверлильные машины, а также станки лазерной и плазменной резки, обрабатывающие центры. Далее мы подробно рассмотрим их различные виды и особенности.
Сферы применения
На сегодняшний день оборудование ЧПУ находит широкое применение в самых разнообразных отраслях производства: от электроники и мебели до создания сложных авиационных и космических технологий, везде, где требуются высокая точность и надежность.
Наибольшее распространение оборудование с числовым программным управлением получило в следующих секторах:
- Металлообработка. Технологии ЧПУ жизненно необходимы для изготовления высокоточных и технически сложных изделий из металлов. Детали насосов, винтовых компрессоров, шлицевых валов, а также червячные и зубчатые передачи машин невозможно представить без высокоточных управляющих программ.
- Аэрокосмическая промышленность. Основной юридический принцип в аэрокосмической отрасли заключается в том, что в космосе отсутствуют ремонтные мастерские. Поэтому качество и надежность систем являются первоочередными критериями при разработке авиатехники. Создание профилей сложных форм и деталей шасси, самолетных двигателей, а также других элементов становится рутинной задачей, благодаря компьютеризированному оборудованию.
- Электросвязь и телекоммуникация. Данная категория включает в себя различные элементы антенн, компоненты для сборки и монтажа сетевых шкафов и стоек, детали печатных плат, интегральных схем и корпуса гаджетов, а также алюминиевые радиаторы для охлаждения.
- Здравоохранение. Вся высокотехнологичная медицинская продукция требует прецизионной обработки. Костные винты и пластины, хирургические инструменты, держатели и зажимы, имплантаты из титана, а также стоматологическое оборудование не могут быть выполнены без современного подхода и технологий. Современные станки с ЧПУ способны обрабатывать практически любые материалы, включая титан и керамику.
- Автомобилестроение. Автомобильная промышленность также является значительным сектором для компьютеризированной обработки. Эта категория включает в себя разнообразные детали автомобилей, такие как поршни и цилиндры двигателей, коробки передач, клапаны, блоки цилиндров и элементы приборной панели.
Что такое ЧПУ в современных станках
ЧПУ или числовое программное управление — это область современных технологий, в которой классические механические системы функционируют совместно с цифровыми устройствами, управляющими производственными процессами. В простых словах, это токарные и фрезеровочные станки, которые управляются компьютером, а не человеком.
Система ЧПУ состоит из нескольких основных элементов:
- пульт оператора (может быть выполнен в виде мыши и клавиатуры или специального пульта управления);
- дисплей;
- контроллер (это компьютер, отвечающий за управление станком);
- ПЗУ (постоянная память для хранения программ);
- ОЗУ (оперативная память, используемая для временного хранения программ).
В совокупности этот комплект представляет собой обычный компьютер, работающий под управлением специализированного программного обеспечения. Всё, что требуется от оператора такого станка, — это умение работать с его программным обеспечением. Остальные аспекты функционирования находятся в руках техники и автоматизации.
Какие бывают станки ЧПУ
В принципе, с числовым программным управлением могут быть практически любые станки — начиная от сверлильных машин и заканчивая фабричным многоосным оборудованием. Однако чаще всего это фрезерные и токарные станки, которые находят применение как в частном, так и в промышленном производстве. В последнее время также активно используются лазерные станки.
Фрезерные станки предназначены для фрезеровки материалов, а также для сверления, раскроя, обработки под углом, формирования пазов и изготовления различных изделий из цельного куска материала. Более простые модели могут работать только с плоскими формами, в то время как продвинутые многоосные машины позволяют обрабатывать сложные пространственные конфигурации.
При помощи простого фрезера можно вырезать буквы в дереве или создать что-то аналогичное гравировке. В то время как оборудование с 5-осевой обработкой обеспечивает возможность создания сложных форм, таких как футбольный мяч, выполненный из цельного металлического листа. Все эти процессы можно выполнять и вручную, но с применением ЧПУ они осуществляются намного быстрее и эффективнее.
Токарные станки с ЧПУ также предназначены для создания различных деталей, однако их отличительной особенностью является вращающаяся заготовка. На токарном станке основной элемент зажимается в шпиндель, который вращается, тогда как резец или другая оснастка может двигаться только в одной плоскости.
На токарных станках выполняются все те же операции, которые могут выполнить токари на любительском оборудовании. Например, можно изготовить обойму для подшипника или обработать тормозной диск автомобиля. При этом для работы со станком требуется минимальное човекопроизводство: достаточно ввести данные в программу и нажать кнопку «Пуск».
Лазерные станки становятся всё популярнее в частных производственных условиях, зачастую заменяя фрезеры в определённых задачах. В таких станках применяется метод резки с использованием лазера — высококонцентрированного пучка света определённой длины волны. Настраивая параметры лазерного луча, можно точно задать глубину реза. Преимущество данной технологии заключается в её непревзойденной точности.
В частном производстве лазерные станки часто используются для гравировки металла, пластика и других материалов. Например, с их помощью можно наносить кириллические буквы на клавиатуры ноутбуков с английскими раскладками. В свете роста популярности параллельного импорта электроники такая услуга пользуется высоким спросом среди отечественных потребителей. В промышленности лазерные установки обрабатывают различные виды металлов, резину, пластик и даже мех.
Мастер ЧПУ: что это за должность?
Мастер или оператор станков с ЧПУ — это специалист, осуществляющий работу на таком оборудовании и отвечающий за его обслуживание. Также потребуется наладчик ЧПУ, который программирует оборудование и осуществляет его настройки. Эти роли могут объединяться в одной специально подготовленной должности — мастер-наладчик.
Основные обязанности операторов включают: обслуживание станка, контроль производственного процесса, проверка и тестирование готовых изделий, устранение небольших неполадок, а также предварительная настройка рабочих инструментов. Деятельность изучается на основе утверждённой на предприятии должностной инструкции. Мастеру разрешается работать одновременно с несколькими станками. Наладчик ЧПУ выполняет такие задачи, как разработка управляющих программ, их ввод в станок и откладка оборудования для конкретных производственных процессов.
Обучение операторов и наладчиков осуществляется в колледжах (техникумах) и на специальных курсах по специальности «Технология машиностроения». Чтобы стать высококлассным специалистом, работник должен овладеть следующими знаниями: устройством и особенностями станков с ЧПУ, технологией обработки, основами программирования ЧПУ, принципами функционирования компьютеризированных систем, диагностикой неисправностей оборудования и особенностями различных инструментов и материалов. Оператор обязан строго следовать нормам техники безопасности при работе.
Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) всё активнее внедряются в производственные процессы. Они обеспечивают высокую точность обработки деталей на больших скоростях. Вместе с тем, важным аспектом остаётся экономическая целесообразность их использования. На рынке России представлен широкий выбор высококачественных моделей, что позволяет выбрать оптимальный вариант для конкретных производственных условий.
Двигатели
В качестве двигателей для ЧПУ подходят шаговые двигатели, применяемые, например, в принтерах. Чем больше двигатель, тем выше его мощность, что обеспечивает лучшее качество обработки. На осях X и Y устанавливают двигатели от привода бумаги лазерных принтеров, которые имеют 48 шагов на один оборот вала. А для оси Z используется двигатель от матричного принтера, где количество шагов на один оборот составляет 200. К сожалению, полные технические документы на эти двигатели найти не удалось.
После сборки механической части станка и установки двигателей, необходимо реализовать две задачи: создать контроллер для приема сигналов от компьютера и активации соответствующих обмоток двигателей, а также блок питания, который будет обеспечивать всем этим необходимую электроэнергию.
Контроллер может быть собран на базе микросхем L297 и L298 согласно следующей схеме.
Это так называемый step/dir контроллер. Название говорит само за себя, так как на его вход подаются два сигнала для каждой оси: шаг (step) и направление (direction). Направление определяет, вращается ли двигатель по часовой стрелке или против. Каждый импульс step перемещает вал двигателя ровно на один шаг.
Блок питания может быть простым трансформаторным, со сглаживающим конденсатором, или же можно использовать стандартный компьютерный блок питания.
Показано соединение контроллера с блоком питания:
Контроллер подключается к компьютеру через LPT порт.
Программное обеспечение
Без специального программного обеспечения станок превращается в простую металлическую конструкцию. Станки с ЧПУ обычно управляются с помощью стандартизированного G-кода. Для начала необходимо иметь программу, которая принимает последовательность команд G и выдает необходимые сигналы на LPT порт, к которому подключен драйвер.
Примеры таких программ:
TurboCNC (работает под операционной системой ДОС)
Mach3
KCAM
LinuxCNC.
Я использовал программу Mach3, рабочая поверхность которой выглядит следующим образом:
В комплекте с Mach3 предлагается программа LazyCAM, куда загружается файл в формате dxf с изображением, который затем преобразуется в набор управляющих G-кодов. Эти коды направляются в Mach3, и начинается процесс обработки.
Где используется ЧПУ?
Машины с числовым программным управлением применяются в основном в промышленности. Благодаря их использованию производство больших объемов определенного продукта может быть быстрым и точным. В то время как обработка древесины может выполняться вручную в небольших масштабах, резка и формовка металлов — это сфера, где человеческий труд, к сожалению, весьма ненадежен. Станки для лазерной резки и гравировки фигур из листового металла или фанеры обеспечивают высокую точность, что гарантирует идентичность каждого произведённого изделия и высокое качество.
Применение ЧПУ позволяет повысить производительность и ускорить процесс производства, что максимизирует доходы компании. Если у вас есть деревянный брелок с вашим именем, привезённый из отпуска, вполне вероятно, что он был создан с использованием станков с числовым программным управлением.
Преимущества использования ЧПУ
Использование станков с числовым программным управлением (ЧПУ) предоставляет ряд значительных преимуществ по сравнению с традиционными методами обработки материалов. К числу этих преимуществ относятся:
- Высокая точность обработки: ЧПУ позволяет обрабатывать детали с высокой степенью точности, что невозможно достигнуть при использовании ручных инструментов. Это важно при производстве сложных деталей с точно заданными размерами.
- Экономичность: Применение ЧПУ может значительно снизить затраты на производство, так как оно позволяет сократить время обработки и уменьшить расход материалов.
- Гибкость: С станками с ЧПУ возможно быстрое и простое изменение параметров обработки, что делает производственный процесс более гибким и адаптируемым к изменяющимся требованиям.
- Безопасность: Работа на станках с ЧПУ обычно менее опасна для работников, так как они не контактируют с острыми инструментами, а также не подвергаются высокому риску получения травм.
- Экологичность: Применение ЧПУ также может быть более экологичным, поскольку такие станки потребляют меньше энергии и материалов по сравнению с традиционными ручными методами обработки.
Какие изделия, изготовленные на станках с ЧПУ, есть в вашем доме?
Кроме вышеупомянутого брелка, вы, вероятно, сможете найти в своем окружении как минимум несколько предметов, создание которых стало возможным благодаря технологии ЧПУ.
Стеклянные кубки, лазерно-гравированные статуэтки, деревянные украшения с лазерной гравировкой или декоративной резьбой, скорее всего, являются результатом работы станков с числовым программным управлением. Многие серийные украшения, сувениры, награды или даже предметы кухонной утвари часто изготавливаются таким образом. Профессиональные станки с ЧПУ также способны обрабатывать стекло и керамику, так что чашка, из которой вы пьете кофе, могла быть создана с использованием данной технологии в повседневной жизни.
