В механической обработке числовое управление , также называемое компьютерным числовым программным управлением ( ЧПУ ), [1] представляет собой автоматизированное управление инструментами с помощью компьютера . Он используется для управления такими инструментами, как дрели , токарные станки , фрезы , шлифовальные станки , фрезерные станки и 3D-принтеры . ЧПУ преобразует кусок материала ( металл , пластик , дерево, керамику, камень или композит) в заданную форму, следуя закодированным запрограммированным инструкциям и без ручного оператора, непосредственно контролирующего операцию обработки.
Станок с ЧПУ представляет собой моторизованный маневренный инструмент и часто моторизованную маневренную платформу, которые управляются компьютером в соответствии с конкретными входными инструкциями. Инструкции доставляются на станок с ЧПУ в виде последовательной программы инструкций управления станком, таких как G-код и M-код, а затем выполняются. Программа может быть написана человеком или, что гораздо чаще, создана с помощью программного обеспечения для графического компьютерного проектирования (CAD) или автоматизированного производства (CAM). В случае 3D-принтеров деталь, которую нужно напечатать, «нарезается» перед созданием инструкций (или программы). 3D-принтеры также используют G-код. [2]
ЧПУ предлагает значительно повышенную производительность по сравнению с некомпьютерной обработкой для серийного производства, где станок должен управляться вручную (например, с помощью таких устройств, как маховики или рычаги) или механически управляться с помощью заранее изготовленных направляющих шаблонов (см. Пантограф-фрезерный станок ). Однако эти преимущества достигаются значительными затратами с точки зрения как капитальных затрат, так и времени на организацию рабочих мест. Для некоторых прототипов и небольших серийных работ хороший оператор станка может выполнить обработку деталей в соответствии с высокими стандартами, пока рабочий процесс с ЧПУ все еще находится в стадии настройки.
В современных системах ЧПУ проектирование механической детали и программа ее изготовления высокоавтоматизированы. Механические размеры детали определяются с помощью программного обеспечения CAD, а затем переводятся в производственные директивы с помощью программного обеспечения CAM. Полученные директивы преобразуются (с помощью программного обеспечения « постпроцессора ») в конкретные команды, необходимые конкретному станку для производства компонента, а затем загружаются в станок с ЧПУ.
Поскольку для любого конкретного компонента может потребоваться использование нескольких различных инструментов — сверл , пил , щупов и т. д. — современные машины часто объединяют несколько инструментов в одну «ячейку». В других установках используются несколько разных машин с внешним контроллером и операторами-человеками или роботами, которые перемещают компонент с машины на машину. В любом случае последовательность шагов, необходимых для производства любой детали, высоко автоматизирована и позволяет получить деталь, соответствующую всем спецификациям исходного чертежа САПР, где каждая спецификация включает допуск.
Движение — это управление несколькими осями, обычно как минимум двумя (X и Y), [3] и шпинделем инструмента, который перемещается по оси Z (глубина). Положение инструмента определяется шаговыми двигателями с прямым приводом или серводвигателями , обеспечивающими высокую точность движений, или, в более старых конструкциях, двигателями через ряд понижающих передач. Управление с разомкнутым контуром работает до тех пор, пока силы остаются достаточно малыми, а скорости не слишком велики. На коммерческих металлообрабатывающих станках системы управления с обратной связью являются стандартными и необходимы для обеспечения требуемой точности, скорости и повторяемости .
По мере развития аппаратного обеспечения контроллеров развивались и сами мельницы. Одним из изменений было заключение всего механизма в большой ящик в качестве меры безопасности (с защитными стеклами в дверях, позволяющими оператору контролировать работу машины), часто с дополнительными защитными блокировками, чтобы гарантировать, что оператор находится на достаточном расстоянии от рабочей зоны. деталь для безопасной эксплуатации. Большинство новых систем ЧПУ, созданных сегодня, на 100% управляются электроникой.
Системы, подобные ЧПУ, используются для любого процесса, который можно описать как движения и операции. К ним относятся лазерная резка , сварка , сварка трением с перемешиванием , ультразвуковая сварка , газовая и плазменная резка , гибка , прядение, пробивание отверстий, крепление булавками, склеивание, резка ткани, шитье, размещение ленты и волокон, маршрутизация, сборка и размещение, а также распиловка.
Первые станки с ЧПУ были построены в 1940-х и 1950-х годах на основе существующих инструментов, которые были модифицированы двигателями, которые перемещали инструмент или деталь, следуя точкам, введенным в систему на перфоленте . [2] Эти ранние сервомеханизмы были быстро дополнены аналоговыми и цифровыми компьютерами, в результате чего были созданы современные станки с ЧПУ, которые произвели революцию в процессах обработки.
В настоящее время ЧПУ в области обрабатывающего производства очень обширно, не только традиционные фрезерные и токарные работы , но и другие машины и оборудование также установлены с соответствующим ЧПУ, что оказывает поддержку обрабатывающей промышленности, значительно повышая качество и эффективность. Конечно, последней тенденцией в ЧПУ [4] является объединение традиционного субтрактивного производства с аддитивным производством (3D-печатью) для создания нового метода производства [5] — гибридного аддитивного субтрактивного производства (HASM). [6] Другая тенденция — сочетание искусственного интеллекта с использованием большого количества датчиков с целью достижения гибкого производства . [7]
Многие другие инструменты имеют варианты с ЧПУ, в том числе:
В ЧПУ «авария» происходит, когда станок движется таким образом, что это вредно для станка, инструментов или обрабатываемых деталей, что иногда приводит к изгибу или поломке режущих инструментов, зажимов для принадлежностей, тисков и приспособлений или вызывает повреждение самой машины в результате изгиба направляющих, поломки приводных винтов или растрескивания или деформации компонентов конструкции под нагрузкой. Легкая авария может не повредить станок или инструменты, но может привести к повреждению обрабатываемой детали, поэтому ее придется сдать в металлолом. Многие инструменты ЧПУ не имеют встроенного чувства абсолютного положения стола или инструментов при включении. Их необходимо вручную «привести в исходное положение» или «обнулить», чтобы иметь какую-либо ссылку для работы, и эти ограничения предназначены только для определения местоположения детали, с которой нужно работать, и не являются жестким ограничением движения механизма. Часто возможно вывести машину за пределы физических границ ее приводного механизма, что приведет к столкновению с самой собой или повреждению приводного механизма. Многие машины реализуют параметры управления, ограничивающие движение оси за пределами определенного предела в дополнение к физическим концевым выключателям . Однако эти параметры часто могут быть изменены оператором.
Многие инструменты ЧПУ также ничего не знают о своей рабочей среде. Станки могут иметь системы определения нагрузки на приводах шпинделя и оси, но некоторые из них нет. Они слепо следуют предоставленному коду обработки, и оператор должен определить, происходит или собирается произойти сбой, а также оператор вручную прервать активный процесс. Станки, оснащенные датчиками нагрузки, могут останавливать движение оси или шпинделя в случае перегрузки, но это не предотвращает возникновение аварии. Это может лишь ограничить ущерб, причиненный в результате аварии. Некоторые сбои могут не привести к перегрузке приводов оси или шпинделя.
Если система привода слабее структурной целостности машины, то система привода просто упирается в препятствие, и приводные двигатели «проскальзывают на месте». Станок может не обнаружить столкновение или проскальзывание, поэтому, например, инструмент теперь должен находиться на расстоянии 210 мм по оси X, но на самом деле он находится на отметке 32 мм, где он столкнулся с препятствием и продолжал скользить. Все следующие движения инструмента будут отклонены на -178 мм по оси X, и все будущие движения теперь недействительны, что может привести к дальнейшим столкновениям с зажимами, тисками или самим станком. Это обычное явление в шаговых системах с разомкнутым контуром, но невозможно в системах с замкнутым контуром, если не произошло механического проскальзывания между двигателем и приводным механизмом. Вместо этого в системе с замкнутым контуром машина будет продолжать пытаться двигаться против нагрузки до тех пор, пока приводной двигатель не перейдет в состояние перегрузки или серводвигатель не сможет достичь желаемого положения.
Обнаружение и предотвращение столкновений возможно за счет использования датчиков абсолютного положения (оптических энкодеров или дисков) для проверки наличия движения или датчиков крутящего момента или датчиков потребляемой мощности в системе привода для обнаружения ненормальной нагрузки, когда машина должна просто двигаться. и не резка, но они не являются обычным компонентом большинства хобби-инструментов с ЧПУ. Вместо этого большинство хобби-инструментов с ЧПУ просто полагаются на предполагаемую точность шаговых двигателей , которые вращаются на определенное количество градусов в ответ на изменения магнитного поля. Часто предполагается, что шаговый двигатель абсолютно точен и никогда не ошибается, поэтому мониторинг положения инструмента просто включает подсчет количества импульсов, посылаемых на шаговый двигатель с течением времени. Альтернативные средства контроля положения шагового двигателя обычно недоступны, поэтому обнаружение столкновений или проскальзывания невозможно.
Коммерческие металлообрабатывающие станки с ЧПУ используют управление с обратной связью для перемещения осей. В системе с обратной связью контроллер контролирует фактическое положение каждой оси с помощью абсолютного или инкрементального энкодера . Правильное программирование управления снизит вероятность аварии, но оператор и программист по-прежнему должны обеспечивать безопасную эксплуатацию машины. Однако в течение 2000-х и 2010-х годов программное обеспечение для моделирования механической обработки быстро совершенствовалось, и оно уже не является чем-то необычным для всего станка (включая все оси, шпиндели, патроны, револьверные головки, держатели инструментов, задние бабки, приспособления, зажимы, и запас) для точного моделирования с помощью твердотельных 3D-моделей , что позволяет программному обеспечению для моделирования достаточно точно предсказать, приведет ли цикл к сбою. Хотя такое моделирование не является чем-то новым, его точность и проникновение на рынок значительно меняются из-за развития вычислительной техники. [10]
В числовых системах программирования ЧПУ генератор кода может предполагать, что управляемый механизм всегда совершенно точен или что допуски точности одинаковы для всех направлений резания или движения. Хотя обычное использование ШВП на большинстве современных станков с ЧПУ устраняет подавляющее большинство люфтов, это все равно необходимо принимать во внимание. Инструменты с ЧПУ с большим механическим люфтом по-прежнему могут быть очень точными, если привод или режущий механизм приводится в действие только для приложения силы резания в одном направлении, а все приводные системы плотно прижаты друг к другу в этом одном направлении резания. Однако станок с ЧПУ с большим люфтом и тупой режущий инструмент могут привести к вибрированию фрезы и возможному строже заготовки. Люфт также влияет на точность некоторых операций, связанных с изменением направления движения оси во время резки, например, фрезерование окружности, где движение оси является синусоидальным. Однако это можно компенсировать, если величина люфта точно известна с помощью линейных энкодеров или измерений вручную.
Сам механизм с высоким люфтом не обязательно обеспечивает постоянную точность в процессе резки, но для обнуления механизма можно использовать какой-либо другой эталонный объект или прецизионную поверхность, сильно прикладывая давление к эталону и устанавливая его в качестве нулевого эталона для все последующие движения, закодированные с помощью ЧПУ. Это похоже на метод ручного станка, при котором микрометр закрепляется на эталонной балке и устанавливается на ноль с помощью шкалы нониера , используя этот объект в качестве эталона. [ нужна цитата ]
В системах числового программного управления положение инструмента определяется набором инструкций, называемых программой обработки детали . Управление позиционированием осуществляется с использованием либо разомкнутой, либо замкнутой системы. В разомкнутой системе связь осуществляется только в одном направлении: от контроллера к двигателю. В системе с обратной связью контроллеру предоставляется обратная связь, позволяющая корректировать ошибки положения, скорости и ускорения, которые могут возникнуть из-за изменений нагрузки или температуры. Системы с разомкнутым контуром обычно дешевле, но менее точны. Шаговые двигатели можно использовать в системах обоих типов, а серводвигатели — только в закрытых системах.
Все позиции кода G&M основаны на трехмерной декартовой системе координат . Эта система представляет собой типичную плоскость, которую часто можно увидеть в математике при построении графиков. Эта система необходима для определения траектории движения станка и любых других действий, которые должны выполняться в определенной координате. Абсолютные координаты чаще всего используются в машинах и представляют точку (0,0,0) на плоскости. Эта точка устанавливается на заготовке, чтобы указать начальную точку или «исходное положение» перед началом фактической обработки.
G-коды используются для управления определенными движениями машины, такими как движения машины или функции сверления. Большинство программ G-кода начинаются с символа процента (%) в первой строке, за которым следует буква «O» с числовым именем программы (например, «O0001») во второй строке, а затем еще один процент (% ) символ в последней строке программы. Формат G-кода — буква G, за которой следуют две-три цифры; например G01. G-коды немного различаются для фрезерных и токарных станков, например:
[Различные функции кода (M-код)] [ нужна ссылка ] . М-коды — это разные машинные команды, которые не управляют движением оси. Формат М-кода — буква М, за которой следуют две-три цифры; например:
%О0001G20 G40 G80 G90 G94 G54 (дюймы, комп. фрезы. Отмена, деактивация всех постоянных циклов, перемещение осей в координаты станка, подача в минуту, исходная система координат)M06 T01 (Смена инструмента на инструмент 1)G43 H01 (Компенсация длины инструмента в положительном направлении, компенсация длины инструмента)M03 S1200 (Шпиндель вращается по часовой стрелке со скоростью 1200 об/мин)Г00 Х0. Ю0. (Ускоренный переход к X=0. Y=0.)G00 Z.5 (Ускоренный ход до z=.5)G00 Х1. Y-.75 (Ускоренный переход к X1. Y-.75)G01 Z-.1 F10 (Врезание в деталь по Z-.25 со скоростью 10 дюймов в минуту)G03 X.875 Y-.5 I.1875 J-.75 (дуга против часовой стрелки, разрезаемая до X.875 Y-.5 с началом радиуса в I.625 J-.75)G03 X.5 Y-.75 I0.0 J0.0 (дуга против часовой стрелки разрезается до X.5 Y-.75 с началом радиуса в I0.0 J0.0)G03 X.75 Y-.9375 I0.0 J0.0 (дуга против часовой стрелки разрезается до X.75 Y-.9375 с началом радиуса в I0.0 J0.0)G02 Х1. Y-1,25 I,75 J-1,25 (дуга по часовой стрелке обрезается до X1. Y-1,25 с началом радиуса в точке I,75 J-1,25)G02 X.75 Y-1.5625 I0.0 J0.0 (дуга по часовой стрелке обрезается до X.75 Y-1.5625 с тем же началом радиуса, что и предыдущая дуга)G02 X.5 Y-1.25 I0.0 J0.0 (дуга по часовой стрелке обрезается до X.5 Y-1.25 с тем же началом радиуса, что и предыдущая дуга)G00 Z.5 (Ускоренный подвод к z.5)M05 (остановка шпинделя)G00 X0.0 Y0.0 (Фреза возвращается в исходное положение)M30 (окончание программы)%Наличие правильных скоростей и подач в программе обеспечивает более эффективный и плавный ход продукта. Неправильные скорости и подачи могут привести к повреждению инструмента, шпинделя станка и даже изделия. Самый быстрый и простой способ найти эти числа — использовать калькулятор, который можно найти в Интернете. Формулу также можно использовать для расчета подходящих скоростей и подач для материала. Эти значения можно найти в Интернете или в Справочнике машинного оборудования .
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
СМИ, связанные с числовым программным управлением на Викискладе?