В обработке числовое программное управление , также называемое компьютерным числовым программным управлением ( ЧПУ ), [1] представляет собой автоматизированное управление инструментами с помощью компьютера . [2] Оно используется для управления такими инструментами, как сверла , токарные станки , фрезерные станки , шлифовальные станки , маршрутизаторы и 3D-принтеры . ЧПУ преобразует кусок материала ( металл , пластик , дерево, керамика, камень или композит) в заданную форму, следуя закодированным программным инструкциям и без ручного оператора, непосредственно управляющего операцией обработки.
Станок с ЧПУ — это моторизованный маневренный инструмент и часто моторизованная маневренная платформа, которые оба управляются компьютером в соответствии с определенными входными инструкциями. Инструкции подаются на станок с ЧПУ в виде последовательной программы инструкций управления машиной, таких как G-код и M-код, а затем выполняются. Программа может быть написана человеком или, что гораздо чаще, сгенерирована графическим программным обеспечением автоматизированного проектирования (САПР) или автоматизированного производства (CAM). В случае 3D-принтеров деталь, которая должна быть напечатана, «нарезается» до того, как будут сгенерированы инструкции (или программа). 3D-принтеры также используют G-код. [3]
ЧПУ обеспечивает значительно более высокую производительность по сравнению с некомпьютеризированной обработкой для серийного производства, где станок должен управляться вручную (например, с помощью таких устройств, как маховики или рычаги) или механически с помощью готовых шаблонных направляющих (см. пантографный станок ). Однако эти преимущества обходятся дорого с точки зрения как капитальных затрат, так и времени настройки задания. Для некоторых прототипов и мелкосерийных работ хороший оператор станка может иметь детали, готовые к высокому стандарту, пока рабочий процесс ЧПУ все еще находится в настройке.
В современных системах ЧПУ проектирование механической детали и программа ее производства в высокой степени автоматизированы. Механические размеры детали определяются с помощью программного обеспечения CAD, а затем преобразуются в производственные директивы с помощью программного обеспечения CAM. Полученные директивы преобразуются (с помощью программного обеспечения « постпроцессора ») в конкретные команды, необходимые для конкретного станка для производства компонента, а затем загружаются в станок с ЧПУ.
Поскольку любой конкретный компонент может потребовать использования нескольких различных инструментов — сверл , пил , контактных щупов и т. д. — современные машины часто объединяют несколько инструментов в одну «ячейку». В других установках используются несколько различных машин с внешним контроллером и операторами-людьми или роботами, которые перемещают компонент от машины к машине. В любом случае последовательность шагов, необходимых для производства любой детали, высоко автоматизирована и производит деталь, которая соответствует всем спецификациям в исходном чертеже САПР, где каждая спецификация включает допуск.
Движение — это управление несколькими осями, обычно не менее двух (X и Y), [4] и шпинделем инструмента, который перемещается по оси Z (глубина). Положение инструмента управляется шаговыми двигателями с прямым приводом или серводвигателями для обеспечения высокоточных движений или, в более старых конструкциях, двигателями через ряд понижающих передач. Управление с открытым контуром работает до тех пор, пока силы остаются достаточно малыми, а скорости не слишком большими. На коммерческих металлообрабатывающих станках управление с закрытым контуром является стандартным и требуется для обеспечения требуемой точности, скорости и повторяемости .
По мере развития аппаратного обеспечения контроллера, развивались и сами станки. Одним из изменений стало помещение всего механизма в большой ящик в качестве меры безопасности (с защитным стеклом в дверцах, чтобы оператор мог контролировать работу станка), часто с дополнительными защитными блокировками, чтобы оператор находился на достаточном расстоянии от обрабатываемой детали для безопасной работы. Большинство новых систем ЧПУ, выпускаемых сегодня, на 100% управляются электроникой.
Системы типа ЧПУ используются для любого процесса, который можно описать как движения и операции. К ним относятся лазерная резка , сварка , сварка трением с перемешиванием , ультразвуковая сварка , резка пламенем и плазмой , гибка , прядение, пробивка отверстий, закрепление штифтами, склеивание, резка ткани, шитье, размещение ленты и волокна, 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 с помощью двигателей, перемещавших инструмент или деталь в соответствии с точками, введенными в систему на перфоленте . [3] Эти ранние сервомеханизмы были быстро дополнены аналоговыми и цифровыми компьютерами, что привело к появлению современных станков с ЧПУ, которые произвели революцию в процессах обработки.
В настоящее время ЧПУ в области обработки производства стало очень обширным, не только традиционные фрезерные и токарные , другие машины и оборудование также устанавливаются с соответствующим ЧПУ, что делает обрабатывающую промышленность в его поддержку, значительно повышая качество и эффективность. Конечно, последняя тенденция в ЧПУ [5] заключается в объединении традиционного субтрактивного производства с аддитивным производством (3D-печать) для создания нового метода производства [6] - гибридного аддитивного субтрактивного производства (HASM). [7] Другая тенденция - это объединение ИИ , использующего большое количество датчиков , с целью достижения гибкого производства . [8]
Многие другие инструменты имеют варианты с ЧПУ, в том числе:
В ЧПУ «сбой» происходит, когда машина движется таким образом, что это наносит вред машине, инструментам или обрабатываемым деталям, иногда приводя к изгибу или поломке режущих инструментов, вспомогательных зажимов, тисков и приспособлений или вызывая повреждение самой машины из-за изгиба направляющих, поломки приводных винтов или вызывая трещины или деформацию структурных компонентов под действием напряжения. Легкий сбой может не повредить машину или инструменты, но может повредить обрабатываемую деталь, так что ее придется утилизировать. Многие инструменты с ЧПУ не имеют собственного чувства абсолютного положения стола или инструментов при включении. Их необходимо вручную «привести в исходное положение» или «обнулить», чтобы иметь какую-либо точку отсчета для работы, и эти ограничения предназначены только для определения местоположения детали для работы с ней и не являются жестким ограничением движения механизма. Часто возможно вывести машину за пределы физических границ ее приводного механизма, что приведет к столкновению с собой или повреждению приводного механизма. Во многих машинах реализованы параметры управления, ограничивающие движение оси за определенным пределом в дополнение к физическим концевым выключателям . Однако эти параметры часто могут быть изменены оператором.
Многие инструменты с ЧПУ также ничего не знают о своей рабочей среде. Станки могут иметь системы измерения нагрузки на приводах шпинделя и оси, но некоторые из них не имеют. Они слепо следуют предоставленному коду обработки, и оператор должен определить, происходит ли сбой или вот-вот произойдет, и вручную прервать активный процесс. Станки, оснащенные датчиками нагрузки, могут останавливать движение оси или шпинделя в ответ на состояние перегрузки, но это не предотвращает возникновение сбоя. Это может только ограничить ущерб, возникающий в результате сбоя. Некоторые сбои могут вообще не перегружать какие-либо приводы оси или шпинделя.
Если система привода слабее структурной целостности машины, то система привода просто толкает препятствие, и приводные двигатели «проскальзывают на месте». Станок может не обнаружить столкновение или проскальзывание, так, например, инструмент должен теперь находиться на 210 мм по оси X, но на самом деле находится на 32 мм, где он ударился о препятствие и продолжил проскальзывать. Все последующие движения инструмента будут смещены на -178 мм по оси X, и все будущие движения теперь недействительны, что может привести к дальнейшим столкновениям с зажимами, тисками или самой машиной. Это распространено в шаговых системах с открытым контуром, но невозможно в системах с замкнутым контуром, если только не произошло механическое проскальзывание между двигателем и приводным механизмом. Вместо этого в системе с замкнутым контуром машина будет продолжать пытаться двигаться против нагрузки до тех пор, пока либо приводной двигатель не перейдет в состояние перегрузки, либо серводвигатель не сможет достичь желаемого положения.
Обнаружение и предотвращение столкновений возможно с помощью датчиков абсолютного положения (оптических энкодеров или дисков) для проверки того, что движение произошло, или датчиков крутящего момента или датчиков потребляемой мощности на системе привода для обнаружения ненормальной деформации, когда машина должна просто двигаться, а не резать, но они не являются распространенным компонентом большинства любительских инструментов с ЧПУ. Вместо этого большинство любительских 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 идеально точен и никогда не ошибается, поэтому мониторинг положения инструмента просто включает подсчет количества импульсов, отправленных на шаговый двигатель с течением времени. Альтернативные средства мониторинга положения шагового двигателя обычно недоступны, поэтому обнаружение столкновений или проскальзывания невозможно.
Коммерческие металлообрабатывающие станки с ЧПУ используют замкнутые контуры обратной связи для перемещения осей. В замкнутой системе контроллер отслеживает фактическое положение каждой оси с помощью абсолютного или инкрементального энкодера . Правильное программирование управления снизит вероятность сбоя, но оператор и программист по-прежнему должны гарантировать безопасную эксплуатацию станка. Однако в 2000-х и 2010-х годах программное обеспечение для моделирования обработки быстро совершенствовалось, и уже не редкость, когда весь контур станка (включая все оси, шпиндели, патроны, револьверные головки, держатели инструментов, задние бабки, приспособления, зажимы и шток) точно моделируется с помощью 3D-моделей , что позволяет программному обеспечению моделирования довольно точно предсказывать, будет ли цикл включать сбой. Хотя такое моделирование не является новым, его точность и проникновение на рынок значительно меняются из-за достижений в области вычислительной техники. [11]
В числовых системах программирования ЧПУ генератор кода может предполагать, что управляемый механизм всегда идеально точен или что допуски точности идентичны для всех направлений резки или движения. Хотя обычное использование шариковых винтов на большинстве современных станков с ЧПУ устраняет подавляющее большинство люфтов, его все равно необходимо учитывать. Инструменты с ЧПУ с большим количеством механического люфта могут быть по-прежнему высокоточными, если привод или режущий механизм приводится в действие только для приложения силы резания с одного направления, и все приводные системы плотно прижаты друг к другу в этом направлении резания. Однако устройство с ЧПУ с большим люфтом и тупым режущим инструментом может привести к вибрации фрезы и возможному образованию бороздок на заготовке. Люфт также влияет на точность некоторых операций, включающих реверс движения осей во время резки, таких как фрезерование круга, где движение оси является синусоидальным. Однако это можно компенсировать, если величина люфта точно известна с помощью линейных энкодеров или ручного измерения.
Сам механизм с высоким люфтом не обязательно должен быть многократно точным для процесса резки, но для обнуления механизма можно использовать какой-либо другой эталонный объект или прецизионную поверхность, плотно прижав эталон и установив его в качестве нулевого эталона для всех последующих движений, закодированных ЧПУ. Это похоже на метод ручного станка, когда микрометр закрепляется на эталонной балке и регулирует шкалу нониуса на ноль, используя этот объект в качестве эталона. [ необходима цитата ]
В системах числового программного управления положение инструмента определяется набором инструкций, называемых программой обработки деталей . Управление позиционированием осуществляется с использованием системы с открытым или закрытым контуром. В системе с открытым контуром связь осуществляется только в одном направлении: от контроллера к двигателю. В системе с закрытым контуром обратная связь предоставляется контроллеру, чтобы он мог корректировать ошибки положения, скорости и ускорения, которые могут возникать из-за изменений нагрузки или температуры. Системы с открытым контуром, как правило, дешевле, но менее точны. Шаговые двигатели могут использоваться в обоих типах систем, тогда как серводвигатели могут использоваться только в закрытых системах.
Все позиции кода G & M основаны на трехмерной декартовой системе координат . Эта система представляет собой типичную плоскость, часто встречающуюся в математике при построении графиков. Эта система необходима для отображения траекторий движения инструмента станка и любых других действий, которые должны выполняться в определенной координате. Абсолютные координаты — это то, что обычно используется для станков и представляет собой точку (0,0,0) на плоскости. Эта точка устанавливается на заготовке, чтобы задать начальную точку или «исходное положение» перед началом фактической обработки.
G-коды используются для управления определенными движениями машины, такими как перемещения машины или функции сверления. Большинство программ G-кодов начинаются с символа процента (%) в первой строке, затем следует «O» с числовым именем программы (например, «O0001») во второй строке, затем еще один символ процента (%) в последней строке программы. Формат G-кода — это буква G, за которой следуют две-три цифры; например, G01. G-коды немного различаются между фрезерным и токарным приложениями, например:
[Code Miscellaneous Functions (M-Code)] [ требуется ссылка ] . M-коды — это различные машинные команды, которые не управляют движением осей. Формат M-кода — это буква M, за которой следуют две-три цифры; например:
%О0001G20 G40 G80 G90 G94 G54 (дюймы, отмена коррекции на резец, деактивация всех стандартных 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)G00 X0. Y0. (Быстрое перемещение к X=0. Y=0.)G00 Z.5 (Быстрый переход к z=.5)G00 Х1. Y-.75 (Ускоренный переход к X1. Y-.75)G01 Z-.1 F10 (Погружение в деталь по координате Z-.25 со скоростью 10 дюймов в минуту)G03 X.875 Y-.5 I.1875 J-.75 (дуга против часовой стрелки, вырезанная до X.875 Y-.5 с началом радиуса в точке I.625 J-.75)G03 X.5 Y-.75 I0.0 J0.0 (дуга против часовой стрелки, вырезаемая до X.5 Y-.75 с началом радиуса в точке I0.0 J0.0)G03 X.75 Y-.9375 I0.0 J0.0 (дуга против часовой стрелки, вырезанная до X.75 Y-.9375 с началом радиуса в точке I0.0 J0.0)G02 X1. Y-1.25 I.75 J-1.25 (дуга CW, вырезанная 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 CW, вырезанная до X.75 Y-1.5625 с тем же радиусом начала, что и у предыдущей дуги)G02 X.5 Y-1.25 I0.0 J0.0 (дуга CW, вырезанная до X.5 Y-1.25 с тем же радиусом начала, что и у предыдущей дуги)G00 Z.5 (Быстрый переход к z.5)M05 (шпиндель останавливается)G00 X0.0 Y0.0 (Мельница возвращается в исходное положение)M30 (Конец программы)%Наличие правильных скоростей и подач в программе обеспечивает более эффективную и плавную работу продукта. Неправильные скорости и подачи могут привести к повреждению инструмента, шпинделя станка и даже продукта. Самый быстрый и простой способ найти эти числа — воспользоваться калькулятором, который можно найти в Интернете. Также можно использовать формулу для расчета правильных скоростей и подач для материала. Эти значения можно найти в Интернете или в Machinery's Handbook .
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
Медиа, связанные с числовым программным управлением на Wikimedia Commons