Числовое управление - Numerical control

«ЧПУ» перенаправляет сюда. Для использования в других целях см. ЧПУ (значения).
"Числа" перенаправляются сюда. В области информатики см. Численный анализ.
Станок с ЧПУ, работающий по дереву

Числовое управление (также компьютерное числовое программное управление, и обычно называемый ЧПУ) это автоматизированный контроль из механическая обработка инструменты (такие как сверла, токарные станки, мельницы ) и 3D принтеры с помощью компьютер. Станок с ЧПУ обрабатывает кусок материала (металл, пластик, дерево, керамика или композит) в соответствии со спецификациями, следуя кодированной запрограммированной инструкции и без ручного оператора, непосредственно управляющего операцией обработки.

Станок с ЧПУ - это моторизованный маневренный инструмент и часто моторизованная маневренная платформа, которые управляются компьютером в соответствии с конкретными входными инструкциями. Инструкции доставляются на станок с ЧПУ в виде последовательной программы команд управления станком, таких как G-код и M-код, затем выполняется. Программа может быть написана человеком или, гораздо чаще, сгенерирована графическим системы автоматизированного проектирования (CAD) программное обеспечение и / или автоматическое производство (CAM) программное обеспечение. В случае 3D-принтеров печатаемая часть «нарезается» до того, как будут созданы инструкции (или программа). 3D-принтеры также используют G-Code.

ЧПУ - это значительное улучшение по сравнению с некомпьютеризированной обработкой, которой необходимо управлять вручную (например, с использованием таких устройств, как ручные колеса или рычаги) или с механическим управлением готовыми направляющими для выкройки (кулачки ). В современных системах ЧПУ проектирование механической части и ее производственная программа в высокой степени автоматизированы. Механические размеры детали определяются с помощью программного обеспечения САПР, а затем переводятся в производственные директивы. автоматическое производство (CAM) программное обеспечение. Результирующие директивы преобразуются (на "постпроцессор «программное обеспечение») в конкретные команды, необходимые для конкретного станка для производства компонента, а затем загружаются в станок с ЧПУ.

Поскольку для любого конкретного компонента может потребоваться использование ряда различных инструментов - сверла, пилы и т. д. - современные станки часто объединяют несколько инструментов в одну «ячейку». В других установках используется ряд 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, в высшей степени автоматизирована и позволяет получить деталь, которая близко соответствует исходному САПР.

Описание

Движение управляет несколькими осями, обычно как минимум двумя (X и Y),[1] и инструментальный шпиндель, который перемещается по Z (глубина). Положение инструмента регулируется прямым приводом шаговые двигатели или серводвигатели для обеспечения высокоточных перемещений, или, в более старых версиях, двигатели через серию понижающих передач. Управление без обратной связи работает до тех пор, пока силы достаточно малы, а скорости не слишком велики. О коммерческих металлообработка станки, системы управления с обратной связью являются стандартными и необходимы для обеспечения точности, скорости и повторяемость потребовал.

Описание частей

По мере развития аппаратного обеспечения контроллера развивались и сами фабрики. Одно из изменений заключалось в том, чтобы в качестве меры безопасности поместить весь механизм в большую коробку, часто с дополнительными блокировками безопасности, чтобы оператор находился достаточно далеко от обрабатываемой детали для безопасной работы. Большинство новых систем ЧПУ, построенных сегодня, имеют 100% электронное управление.

Системы, подобные ЧПУ, используются для любого процесса, который можно описать как движения и операции. Они включают лазерная резка, сварка, сварка трением с перемешиванием, ультразвуковая сварка, пламя и плазменная резка, изгиб, прядение, пробивка отверстий, скрепление булавками, склеивание, резка ткани, шитье, укладка лент и волокон, фрезерование, сборка и укладка, а также распиловка.

История

Основная статья: История числового программного управления

Первые станки с ЧПУ были построены в 1940-е годы и 1950-е годы, основанный на существующих инструментах, которые были модифицированы двигателями, которые перемещали инструмент или деталь в соответствии с точками, введенными в систему на перфолента. Те ранние сервомеханизмы были быстро дополнены аналоговыми и цифровыми компьютерами, создав современные станки с ЧПУ, которые произвели революцию механическая обработка процессы.

Примеры станков с ЧПУ

Станок с ЧПУОписаниеОбраз
МельницаПереводит программы, состоящие из определенных цифр и букв, для перемещения шпинделя (или заготовки) в различные места и на различную глубину. Многие используют G-код. Функции включают в себя: торцевое фрезерование, фрезерование уступов, нарезание резьбы, сверление, а в некоторых даже возможность точения. Сегодня фрезерные станки с ЧПУ могут иметь от 3 до 6 осей. Большинство фрезерных станков с ЧПУ требуют размещения заготовки на них или в них и должны быть по крайней мере такими же большими, как и заготовка, но производятся новые 3-осевые станки, которые намного меньше.[2]
Токарный станокРежет детали во время вращения. Выполняет быстрые и точные пропилы, обычно используя индексируемый инструменты и сверла. Эффективен для сложных программ, предназначенных для изготовления деталей, которые было бы невозможно изготовить на ручных токарных станках. Характеристики управления аналогичны фрезерным станкам с ЧПУ, и часто можно прочитать G-код. Обычно имеют две оси (X и Z), но в более новых моделях осей больше, что позволяет обрабатывать более сложные задания.
Плазменный резакВключает в себя резку материала с помощью плазменная горелка. Обычно используется для резки стали и других металлов, но может применяться для обработки различных материалов. В этом процессе газ (например, сжатый воздух ) выдувается из сопла с большой скоростью; в то же время электрическая дуга образуется через этот газ от сопла к разрезаемой поверхности, превращая часть этого газа в плазма. Плазма достаточно горячая, чтобы расплавить разрезаемый материал, и движется достаточно быстро, чтобы сдувать расплавленный металл от разреза.
Плазменная резка с ЧПУ
Электроэрозионная обработка(EDM), также известный как искровая обработка, искровая эрозия, горение, опускание штампа или эрозия проволоки, представляет собой производственный процесс, в котором желаемая форма достигается с помощью электрических разрядов (искр). Материал удаляется с заготовки серией быстро повторяющихся текущий разряды между двумя электродами, разделенные диэлектрическая жидкость и при условии электрического Напряжение. Один из электродов называется инструментальным электродом или просто «инструментом» или «электродом», а другой называется электродом заготовки или «заготовкой».
Мастер вверху, заготовка штампа внизу, масляные форсунки слева (масло слито). Первоначальное плоское тиснение будет «выдавлено», чтобы получить искривленную поверхность.
Многошпиндельный станокТип винтовая машина используется в массовом производстве. Считается высокоэффективным за счет повышения производительности за счет автоматизации. Может эффективно разрезать материалы на мелкие кусочки, одновременно используя разнообразный набор инструментов. Многошпиндельные станки имеют несколько шпинделей на барабане, который вращается по горизонтальной или вертикальной оси. Барабан содержит сверлильную головку, которая состоит из ряда шпинделей, установленных на шарикоподшипники и ведомый шестерни. Есть два типа насадок для этих сверлильных головок: фиксированные и регулируемые, в зависимости от того, нужно ли изменять межосевое расстояние сверлильного шпинделя.[3]
Проволочный EDMЭтот процесс, также известный как электроэрозионный электроэрозионный станок с проволочной резкой, электроэрозионный электроэрозионный станок с подвижной проволокой, использует искровая эрозия для обработки или удаления материала с любого электропроводящего материала с помощью подвижного проволочного электрода. Проволочный электрод обычно состоит из латунь - или цинк латунь с покрытием. Электроэрозионный электроэрозионный станок позволяет создавать углы под углом около 90 градусов и оказывает очень небольшое давление на материал.[4] Поскольку в этом процессе проволока разрушается, электроэрозионный станок подает свежую проволоку с катушки, измельчая использованную проволоку и оставляя ее в бункере на переработка отходов.[5]
Sinker EDMПогружной электроэрозионный электродвигатель, также называемый электроэрозионным электродвигателем с полостью или объемным, состоит из электрода и детали, погруженных в масло или другую диэлектрическую жидкость. Электрод и деталь подключаются к подходящему источнику питания, который создает электрический потенциал между двумя частями. Когда электрод приближается к заготовке, в жидкости происходит пробой диэлектрика, образуя плазменный канал и небольшие искры. Производственные штампы и пресс-формы часто изготавливаются с использованием грузила EDM. Некоторые материалы, такие как мягкие феррит материалы и магнитные материалы с высоким содержанием эпоксидной смолы несовместимы с грузило EDM, поскольку они не электропроводны.[6]
Водоструйный резакИнструмент, также известный как "гидроабразивная резка", может разрезать металл или другие материалы (например, гранит ) с помощью струи воды с высокой скоростью и давлением или смеси воды и абразивный вещество, например песок. Его часто используют при изготовлении или производстве деталей для машин и других устройств. Водоструйная очистка является предпочтительным методом, когда разрезаемые материалы чувствительны к высоким температурам, создаваемым другими методами. Он нашел применение в различных отраслях промышленности от горнодобывающей до аэрокосмической, где он используется для таких операций, как резка, формирование, резьба, и расширение.
Станок для гидроабразивной резки Thibaut
Струя воды машина для резки всех материалов

Другие инструменты с ЧПУ

Многие другие инструменты имеют варианты ЧПУ, в том числе:

Сбой инструмента / станка

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, вспомогательных зажимов, тисков и приспособлений или вызывает повреждение самого станка из-за изгиба направляющих рельсов, поломки приводных винтов или растрескивания или деформации элементов конструкции под действием напряжения. Легкая авария может не повредить станок или инструменты, но может повредить обрабатываемую деталь, и ее придется утилизировать. Многие инструменты с ЧПУ не ощущают абсолютного положения стола или инструментов при включении. Они должны быть вручную "привязаны" или "обнулены", чтобы иметь какую-либо ссылку для работы, и эти ограничения предназначены только для определения местоположения детали, с которой будет работать, и на самом деле не являются никаким ограничением жесткого движения для механизма. . Часто возможно вывести машину за пределы физических границ ее приводного механизма, что приведет к столкновению с самим собой или повреждению приводного механизма. Многие станки реализуют параметры управления, ограничивающие движение оси сверх определенного предела в дополнение к физическим. концевые выключатели. 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 шпиндельных и осевых приводах, но некоторые из них не имеют. Они слепо следуют предоставленному коду обработки, и оператор должен определить, происходит ли сбой или вот-вот произойти, а оператор должен вручную прервать активный процесс. Станки, оснащенные датчиками нагрузки, могут останавливать движение оси или шпинделя в ответ на состояние перегрузки, но это не предотвращает аварии. Это может только ограничить ущерб, нанесенный в результате аварии. Некоторые сбои могут не привести к перегрузке приводов оси или шпинделя.

Если система привода слабее, чем структурная целостность машины, тогда система привода просто отталкивается от препятствия, и приводные двигатели «скользят на месте». Станок может не обнаруживать столкновение или проскальзывание, поэтому, например, инструмент теперь должен находиться на 210 мм по оси X, но на самом деле он находится на 32 мм, когда он ударяется о препятствие и продолжает скользить. Все следующие движения инструмента будут отклоняться 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 механическое проскальзывание между двигателем и приводным механизмом. Вместо этого в системе с замкнутым контуром машина будет продолжать попытки двигаться против нагрузки до тех пор, пока либо приводной двигатель не перейдет в состояние перегрузки, либо серводвигатель не перейдет в желаемое положение.

Обнаружение и предотвращение столкновений возможно за счет использования датчиков абсолютного положения (полос или дисков оптического кодировщика) для проверки того, что произошло движение, или датчиков крутящего момента или датчиков потребления энергии в системе привода для обнаружения аномального напряжения, когда машина должна просто двигаться и не резка, но они не являются обычным компонентом большинства хобби-инструментов с ЧПУ. Вместо этого большинство любительских инструментов с ЧПУ просто полагаются на предполагаемую точность шаговые двигатели которые поворачиваются 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 в себя подсчет количества импульсов, отправленных на шаговый двигатель с течением времени. Альтернативные средства контроля положения шагового двигателя обычно недоступны, поэтому обнаружение столкновения или скольжения невозможно.

В коммерческих металлообрабатывающих станках с ЧПУ используется система управления с обратной связью для перемещения оси. В замкнутой системе контроллер отслеживает фактическое положение каждой оси с абсолютным или инкрементальный энкодер. При правильном программировании управления это снизит вероятность аварии, но оператор и программист по-прежнему должны гарантировать, что машина будет эксплуатироваться безопасным образом. Однако в течение 2000-х и 2010-х годов программное обеспечение для моделирования обработки быстро развивалось, и это уже не является чем-то необычным для всего диапазона станков (включая все оси, шпиндели, патроны, револьверные головки, держатели инструментов, задние бабки, приспособления, зажимы, и сток) для точного моделирования с 3D твердотельные модели, что позволяет программному обеспечению для моделирования достаточно точно предсказать, приведет ли цикл к аварии. Хотя такое моделирование не ново, его точность и проникновение на рынок значительно меняются из-за компьютерных достижений.[7]

Числовая точность и люфт оборудования

В числовых системах программирования ЧПУ генератор кода может предполагать, что управляемый механизм всегда идеально точен или что допуски точности идентичны для всех направлений резания или движения. Это не всегда истинное состояние инструментов с ЧПУ. Инструменты с ЧПУ с большим количеством механических люфт может быть очень точным, если привод или режущий механизм приводится в действие только так, чтобы прикладывать силу резания в одном направлении, и все приводные системы плотно прижаты друг к другу в этом одном направлении резания. Однако устройство с ЧПУ с высоким люфтом и затупившимся режущим инструментом может привести к вибрации резца и возможной строжке заготовки. Люфт также влияет на точность некоторых операций, связанных с изменением направления движения оси во время резания, например, фрезерование круга, где движение оси является синусоидальным. Однако это можно компенсировать, если величина люфта точно известна линейным энкодерам или ручным измерениям.

Сам механизм с высоким люфтом не обязательно требует многократной точности для процесса резки, но для обнуления механизма можно использовать какой-либо другой эталонный объект или прецизионную поверхность путем сильного давления на эталон и установки его в качестве нулевого эталона для все последующие движения с ЧПУ. Это похоже на метод зажима на ручном станке. микрометр на опорный луч и отрегулировав Верньер набрать до нуля, используя этот объект в качестве ссылки.[нужна цитата ]

Система управления позиционированием

В системах числового программного управления положение инструмента определяется набором инструкций, называемых программа детали. Управление позиционированием осуществляется с помощью системы разомкнутого или замкнутого контура. В системе без обратной связи связь осуществляется только в одном направлении: от контроллера к двигателю. В системе с обратной связью контроллеру предоставляется обратная связь, чтобы он мог корректировать ошибки положения, скорости и ускорения, которые могут возникать из-за изменений нагрузки или температуры. Системы с открытым контуром обычно дешевле, но менее точны. Шаговые двигатели могут использоваться в обоих типах систем, в то время как серводвигатели могут использоваться только в закрытых системах.

Декартовы координаты

Все позиции кода G и M основаны на трехмерном Декартова система координат. Эта система представляет собой типичную плоскость, которую часто можно увидеть в математике при построении графиков. Эта система требуется для отображения траекторий станка и любых других действий, которые должны происходить в определенных координатах. Абсолютные координаты обычно используются для машин и представляют собой точку (0,0,0) на плоскости. Эта точка устанавливается на материал заготовки, чтобы задать начальную точку или «исходное положение» перед началом фактической обработки.

Кодирование

G-коды

G-коды используются для управления определенными движениями станка, такими как движения станка или функции сверления. Большинство программ G-кода начинаются с символа процента (%) в первой строке, за которым следует «O» с числовым названием программы (например, «O0001») во второй строке, затем еще один процент (% ) в последней строке программы. Форматом G-кода является буква G, за которой следуют две-три цифры; например G01. G-коды незначительно различаются между фрезерными и токарными станками, например:

[G00 Rapid Motion Positioning]
[G01 Движение с линейной интерполяцией]
[G02 Круговая интерполяция, движение по часовой стрелке]
[G03 Движение с круговой интерполяцией - против часовой стрелки]
[G04 Dwell (Group 00) Mill]
[G10 Задать смещения (Группа 00) Фрезерование]
[G12 Круглые карманы - по часовой стрелке]
[G13 Круглые карманы - против часовой стрелки]

М-коды

[Код Разные функции (M-код)][нужна цитата ]. M-коды - это разные машинные команды, которые не управляют движением оси. Формат M-кода - это буква M, за которой следуют две-три цифры; Например:

[M02 Конец программы]
[M03 Пуск шпинделя - по часовой стрелке]
[M04 Пуск шпинделя - против часовой стрелки]
[M05 Stop Spindle]
[M06 Смена инструмента]
[M07 Охлаждающая жидкость на тумане охлаждающей жидкости]
[M08 Затопление охлаждающей жидкости включено]
[M09 Coolant off]
[M10 Chuck open]
[M11 Chuck close]
[M13 ОБА M03 и M08 Шпиндель по часовой стрелке вращение и залив СОЖ]
[M14 BOTH M04 & M08 Шпиндель против часовой стрелки и залив охлаждающей жидкости]
[Вызов специального инструмента M16]
[Ориентация шпинделя M19]
[Режим M29 DNC]
[M30 Программа сброса и перемотки]
[Дверь M38 открыта]
[M39 Дверь закрывается]
[Шпиндельная шестерня M40 посередине]
[M41 Выбор пониженной передачи]
[M42 Выбор высокой передачи]
[M53 Retract Spindle] (поднимает инструментальный шпиндель выше текущего положения, чтобы оператор мог делать все, что ему нужно)
[Закрытие гидравлического патрона M68]
[Гидравлический патрон M69 открыт]
[Задняя бабка M78 выдвигается]
[M79 Реверс задней бабки]

пример

%
O0001
G20 G40 G80 G90 G94 G54 (Дюйм, Отмена Коррекции Фрезы, Деактивировать все стандартные циклы, перемещает оси в координаты станка, подача в мин., Исходная система координат)
M06 T01 (замена инструмента на инструмент 1)
G43 H01 (Коррекция длины инструмента в положительном направлении, коррекция длины инструмента)
M03 S1200 (шпиндель вращается по часовой стрелке при 1200 об / мин)
G00 X0. Y0. (Ускоренный переход к X = 0. Y = 0.)
G00 Z.5 (ускоренный ход до z = 0,5)
G00 X1. Y-0,75 (ускоренный ход до X1. Y-0,75)
G01 Z-.1 F10 (Погружение в деталь на Z-.25 со скоростью 10 дюймов в минуту)
G03 X.875 Y-.5 I.1875 J-.75 (дуга против часовой стрелки срезана до X.875 Y-.5 с началом радиуса I.625 J-.75)
G03 X.5 Y-.75 I0.0 J0.0 (дуга против часовой стрелки срезана 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 срезана до X.75 Y-.9375 с началом радиуса в I0.0 J0.0)
G02 X1. Y-1.25 I.75 J-1.25 (дуга по часовой стрелке до X1. Y-1.25 с началом радиуса в I.75 J-1.25)
G02 X.75 Y-1.5625 I0.0 J0.0 (дуга по часовой стрелке 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 на X.5 Y-1.25 с тем же началом радиуса, что и предыдущая дуга)
G00 Z.5 (ускоренный ход до z.5)
M05 (шпиндель останавливается)
G00 X0.0 Y0.0 (фрезерный станок возвращается в исходное положение)
M30 (конец программы)
%

Наличие в программе правильных скоростей и подач обеспечивает более эффективный и плавный прогон продукта. Неправильная скорость и подача могут привести к повреждению инструмента, шпинделя станка и даже продукта. Самый быстрый и простой способ найти эти числа - использовать калькулятор, который можно найти в Интернете. Формулу также можно использовать для расчета правильной скорости и подачи материала. Эти значения можно найти в Интернете или в Справочник по машинам.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Майк Линч, «Ключевая концепция ЧПУ № 1 - Основы ЧПУ», Современный механический цех, 4 января 1997 г.. Доступ 11 февраля 2015 г.
  2. ^ Грейс-Флуд, Лиам (10.11.2017). «Голиаф представляет новую породу станков с ЧПУ». Wevolver. Получено 2018-01-20.
  3. ^ «Многошпиндельные станки - подробный обзор». Машина Давенпорта. Получено 2017-08-25.
  4. ^ "Типы обработки - детали Барсук". Запчасти Badger. Получено 2017-07-07.
  5. ^ «Как это работает - электроэрозионный электроэрозионный станок | Современный мир механической обработки». todaysmachiningworld.com. Получено 2017-08-25.
  6. ^ "Sinker EDM - Электроэрозионная обработка". www.qualityedm.com. Получено 2017-08-25.
  7. ^ Зелинский, Питер (2014-03-14), «Новые пользователи внедряют программное обеспечение для моделирования», Современный механический цех.

дальнейшее чтение

внешние ссылки