История Развития Фрезерных Станков с Чпу

История развития фрезерных станков с чпу представляется довольно интересной. В этой статье мы рассмотрим динамику развития отрасли и отличия фрезерных станков с ЧПУ от станков с нечисловыми системами управления.

Принципы фрезерной обработки металла зародились в глубокой древности. Первые фрезерные станки были примитивными, а режущий инструмент в виде вращающегося напильника или доски с закрепленными на ней зубьями из камня и металла приводился в движение вручную.

Фрезерные станки с механическим приводом в современной истории появились в начале XIX века. В это время русский станкостроитель П. Д. Захава создал оригинальный станок для обрезки казенного конца у стволов ружей торцовой фрезой. В 1835 г. были изобретены первые консольно-фрезерные станки. В их конструкции отчетливо вырисовывались основные узлы:

• станина
• основание
• хобот
• стол
• оправка с фрезой

Вращение шпинделю передавалось от трансмиссионного вала на ступенчатый шкив (в результате чего можно было изменять частоту вращения фрезы), а от шпинделя через ременную передачу на телескопический вал (что позволяло осуществлять механическую продольную подачу стола и изменять скорость его перемещения). Но поперечная и вертикальная подачи стола все еще производились вручную.

Отечественное станкостроение как самостоятельная отрасль машиностроения было создано после победы Великой Октябрьской социалистической революции. В 1932 г. выдал первую продукцию крупнейший завод по производству фрезерных станков в г. Горьком. Далее, в истории развития фрезерных станков мы наблюдаем бурный рост, который привел к появлению крупных заводов по производству станков различных типов и размеров в городах Дмитрове, Ульяновске, Вильнюсе. В период бурного роста СССР входило в число крупнейших станкостроительных держав.

Важнейшей задачей советской станкостроительной промышленности было планомерное развитие станков с числовым программным управлением, позволяющих увеличить производительность труда до пяти раз, а точность обработки - до двух раз.

Фрезерные станки составляют одну из многочисленных групп станочного парка. Примерно каждый пятнадцатый станок, изготавливаемый станкостроительной промышленностью - фрезерный.

Станки с ручным управлением - универсальные станки, где рабочий, пользуясь чертежом детали или эскизом, преобразует прочитанную им информацию в определенную последовательность движения рук и воздействует на органы управления фрезерным станком. В этом случае человек задает и выполняет программу управления станком, то есть управляет циклом работы и величиной перемещений исполнительных органов станка. Достоинством такой системы управления является ее универсальность и гибкость. Однако использование человека в качестве основного элемента системы управления станком сдерживает рост производительности этого оборудования.

Универсальные фрезерные станки с ручным управлением стали оснащать системами ручного ввода данных и цифровой индикации (при изучении истории развития станков с чпу вы можете встретить обозначения отечественных моделей индексом Ф1). Рабочий на специальной панели задает численное значение координат, на которые должны выйти исполнительные органы станка после включения подачи. На подвижных органах таких станков устанавливаются датчики положения, которые подают сигналы в систему цифровой индикации. Числовые значения координат детали или инструмента непрерывно индицируются на световом табло (визуализаторе), что позволяет контролировать получаемые параметры в процессе обработки.

Системы ручного ввода данных и цифровой индикации обеспечивают, в некоторой степени, повышение производительности и точности обработки, снижают утомляемость рабочего. Применяются чаще всего в станках токарной и сверлильно-расточной групп. Однако, эти системы не автоматизируют рабочий цикл станка и не высвобождают рабочего.

Использование человека в качестве основного элемента системы управления станком сдерживает рост производительности. Поэтому, в истории дальнейшего развития металлообрабатывающих станков мы наблюдаем создание высокопроизводительных станков-автоматов и полуавтоматов, программа управления которыми задается на программоносителе. Рабочий цикл такого оборудования полностью автоматизирован.

В зависимости от способа задания на программоносителе информации, необходимой для реализации рабочего цикла, системы управления металлообрабатывающими станками делятся на числовые и нечисловые.

В нечисловых системах управления информация физически представлена в виде модели-аналога, управляющей исполнительными органами станка. Рабочий цикл фрезерных станков с нечисловыми системами управления формируется либо при разработке самой системы управления, либо при проектировании программоносителя. В качестве программоносителей в таких системах управления используются кулачки, копиры, шаблоны, путевые и временные командоаппараты. Гибкость такой системы управления обеспечивается за счет проектирования и изготовления новых программоносителей, переналадки командоаппарата и самого станка.

Фрезерные станки с программоносителем в виде модели-аналога имеют важное достоинство, состоящее в том, что возможности увеличения производительности станков не ограничиваются субъективным фактором – участием человека в реализации рабочего цикла.

История развития станков выявила основные недостатки аналоговых программоносителей:

• невозможность быстрой переналадки станков на обработку заготовки другой детали;
• высокая стоимость переналадки фрезерного станка;
• неудовлетворительная точность обработки вследствие повышенного износа программоносителей, т. к. они передают не только закон перемещения исполнительных органов станка, но и усилия для его реализации.

В силу этих особенностей аналоговые программоносители используются в станках для массового и крупносерийного производств с устойчивой во времени конструкцией выпускаемых изделий.

В серийном производстве применение нашли фрезерные станки с цикловой системой программного управления (в обозначении модели станка отмечаются индексом Ц). В этих станках в программоноситель вводится технологическая информация, а геометрическая информация задается расстановкой упоров на специальных линейках или барабанах.

Различают следующие виды систем циклового программного управления: кулачковые, аппаратные, микропрограммные и программируемые.

Функциональная схема цикловой системы кулачкового управления, выполненная на командоаппарате с шаговым приводом или на штекерной панели, приведена на рис. 1. Устройство задания и ввода программы обеспечивает систему управления станком технологической информацией и осуществляет поэтапный ввод этой информации. Устройство задания программы чаще всего выполняют в виде штекерной или кнопочной панели, устройство поэтапного ввода – в виде шагового искателя или счетно-релейной схемы.

Рис. 1. Функциональная схема цикловой системы программного управления фрезерным станком

Программа управления формируется расстановкой штекеров в соответствующие гнезда панели с тем, чтобы составить такие электрические схемы включения исполнительных органов станка, которые, сменяя друг друга, осуществляют последовательные этапы обработки.

При наличии стандартных циклов система управления иногда содержит дополнительную штекерную панель.

Для облегчения программирования станка используют трафареты, заготавливающиеся заранее. Их накладывают на панель, и в отверстия вставляют штекеры.

Штекерные панели могут быть выполнены также по типу функциональных программных полей. В этом случае всё поле штекерной панели разделяется на функциональные участки. Программа задается путем соединения отдельных гнезд различных функциональных участков панели.

В истории развития станков с чпу мы увидим, что кроме штекерных панелей, применяются кулачковые командоаппараты, представляющие собой цилиндрические барабаны с рядами гнезд. Число гнезд по окружности барабана определяет количество возможных этапов программы, а число гнезд вдоль образующей – возможное число программируемых параметров. В гнезда барабана закладывают шарики или штифты, воздействующие на электрические контакты, включая цепи соответствующих исполнительных органов станка. Устройство управления, усиливая и размножая команды, обеспечивает управление элементами, перемещающими исполнительные органы станка. Принцип работы аппаратного управления основан на формировании необходимых электрических схем включения исполнительных органов станка с использованием контактной или бесконтактной аппаратуры.

В микропрограммных системах весь набор необходимых циклов программного управления хранится в запоминающих устройствах. За последнее время широкое применение получило программируемое цикловое управление, основанное на использовании бесконтактных устройств программируемой логики, получивших название программируемых контроллеров. В качестве элементной базы программируемых контроллеров используются микроэлектронные интегральные схемы. Программу обработки задают нажатием клавиш с обозначениями логических элементов. По сравнению с релейно-контактной аппаратурой, бесконтактные электронные блоки имеют высокую надежность в работе и малые габариты.

Для задания геометрической информации часто используют групповые путевые переключатели, состоящие из упоров и блоков переключателей. Упоры устанавливают на панели или барабане с пазами в соответствии с размерами, заданными на эскизе обработки. Панели обычно выполняются съемными, что позволяет проводить их настройку вне станка. Упоры бывают нерегулируемые (грубые) и регулируемые (точные) с микрометрическими винтами. В качестве упоров могут использоваться штрихи из ферромагнитного материала на латунном барабане (в качестве групповых переключателей). Магнитная головка, встречая такой штрих, дает сигнал об окончании перемещения. Окончание отработки этапа программы может контролировать реле времени, реле давления и т. п.

Цикловая система программного управления отличается высокой надежностью в работе и простотой составления программы обработки. Однако наладка и переналадка станков с цикловой системой управления требует значительного времени, поэтому эти станки используют в средне- и крупносерийном производствах при относительно больших партиях запуска заготовок, обеспечивающих работу станка без переналадки в течение не менее одной смены.

В силу ограниченных технологических возможностей, системы циклового программного управления позволяют проводить обработку деталей простой геометрической формы и сравнительно невысокой точности. Эти системы наиболее широко используют в токарно- револьверных станках.

История развития станков с чпу доказала высокую эффективность современного оборудования. Отличие фрезерных станков с ЧПУ от станков с нечисловыми системами управления заключается не только в принципе построения программного управления. Реализация идеи ЧПУ выдвинула ряд требований к конструкции самого станка, без выполнения которых применение системы ЧПУ остается малоэффективным. Так, система ЧПУ позволяет обеспечить высокую точность перемещения исполнительных органов фрезерного станка (до 10 нм). Для создания возможности получения высокой точности размеров детали при обработке необходимо, чтобы механические узлы станка удовлетворяли соответствующим требованиям. Поэтому оснащение станков системами ЧПУ потребовало пересмотреть требования к их конструкции.

Рабочий цикл фрезерного станка с ЧПУ осуществляется автоматически от управляющей программы. Управляющая программа – это совокупность команд на языке программирования, соответствующих заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной заготовки. Управляющая программа содержит как геометрическую, так и технологическую информацию фрезерного станка с чпу.

В качестве программоносителя используют перфоленты, магнитные ленты, гибкие магнитные диски, постоянные запоминающие устройства, Flash – накопители или подключение к компьютерной локальной сети предприятия.

Рассмотрим алгоритм работы первых станков с ЧПУ, как часть истории развития, с записью программ на перфолентах, перфокартах и т.д. В автоматических системах с числовым программным управлением (ЧПУ) вся информация о работе управляемого объекта записывается в едином программоносителе и при считывании воспроизводится подвижными узлами станка. Поэтому отпадает необходимость в изготовлении сложных копиров или продолжительной расстановке кулачков, ограничивающих величину перемещений в станке. Переналадка на изготовление новой детали в этом случае включает в основном смену программированной ленты (карты) и регулировку исходного положения заготовки относительно фрезы соответственно началу программы. Кроме того, такая система позволяет осуществлять за одну установку заготовки на станке практически неограниченное количество технологических переходов. Все это способствует широкому распространению станков с ЧПУ в различных типах производств.

Программа записывается на перфорированных лентах или картах (просечкой отверстий), на магнитных лентах (нанесением магнитных черточек) или реже на кинолентах (в виде прозрачных черточек). Ленты продольно разделены на дорожки, вдоль которых располагаются отверстия или черточки программной записи.

Считывание программ, то есть превращение отверстий или черточек в командные электрические сигналы, осуществляется в электроконтактных, электромагнитных или фотоэлектрических головках.

При записи программы перемещений узлов станка каждый электрический импульс соответствует строго определенной величине пути, то есть имеет определенную цену. Так, например, если стол фрезерного станка должен переместиться на 89 мм при цене импульса 1 мм, то понадобится длинная лента, которая в определенной дорожке должна иметь 89 отверстий или черточек (рис. 2, а). Такой код записи называется унитарным и применяется в основном для нанесения командных импульсов на магнитную ленту, обладающую высокой плотностью записи программы (до пяти и более черточек на длине 1мм).

Рис. 2. Примеры изображения числа 89 в различных кодах записи: а - унитарном; б - десятичном; в - двоичном; г – двоично-десятичном

С целью укорочения ленты и уменьшения количества подаваемых импульсов величина перемещения задается суммой импульсов больших и малых перемещений, которые располагаются в разных дорожках ленты. Для этого в десятичной системе счисления иногда пользуются натуральным кодом записи, при котором для того же числа 89 понадобится два ряда: один для единиц, второй для десятков. В первом ряду пробивают девять, во втором восемь, а всего 17, отверстий, которые располагаются на таком же количестве строк (рис. 2, б).

Более удобной является двоичная система счисления, которая позволяет любое число записать одноименным кодом (рис. 2, в) в одной строке ленты. Число в двоичной системе представляют в виде суммы чисел, каждое из которых является степенью двойки. Например, число 89 можно изобразить суммой 1*2(6)+0*2(5)+1*2(4)+1*2(3)+0*2(2)+0*2(1)+1*2(0)=89 и записать условно 1011001. Здесь единица означает наличие сигнала данной величины, нуль - отсутствие его.

Запись чисел двоичным кодом также выполняется на различных дорожках ленты соответственно цене импульсов. Так, при наименьшей цене импульса 1 мм отверстие в первой дорожке будет соответствовать перемещению 2(0) = 1 мм, во второй - 2(1) = 2 мм, в третьей - 2(2) = 4 мм, в четвертой - 2(3) = 8 мм и т. д.

Обладая существенным достоинством, двоичный код в то же время нуждается в значительном увеличении ширины ленты для записи больших чисел. В связи с этим при фиксировании программы действий станка на перфолентах в основном используется комбинированный код записи - двоично-десятичный, с помощью которого каждая цифра десятичного числа кодируется четырьмя разрядами двоичного числа - 8, 4, 2, 1 (рис. 2, г).

Исходными документами для составления программы являются чертеж детали и технологическая карта. По ним определяют последовательность и величину перемещений подвижных узлов станка, которые фиксируют на программоносителе в определенной системе счисления.

При обработке сложных фасонных поверхностей их профиль разбивают на элементарные участки, в пределах которых устанавливают величину одновременных продольных и поперечных перемещений.

История развития станков с ЧПУ помнит, что в промышленности использовалось значительное разнообразие фрезерных станков, работающих по программе, записанной на магнитной или перфорированной ленте. Принципиальная схема управления станком с помощью магнитной ленты изображена на рис. 3. В процессе воспроизведения программы магнитная лента 1 перемещается лентопротяжным механизмом с постоянной скоростью мимо электромагнитной считывающей головки 2. При этом каждый из элементарных магнитных штрихов ленты индуктирует в обмотках катушек головки электрические импульсы, которые, проходя через усилитель 3, поступают в секционные обмотки статора шагового двигателя 4. Последний с помощью гидроусилителя крутящих моментов 5 вращает ходовой винт 6 и перемещает подвижный узел станка 7 на величину, соответствующую цене и количеству командных сигналов. В таких схемах для управления шаговыми двигателями обычно используются девятидорожные магнитные ленты (по три дорожки для каждого двигателя) шириной 35 мм. Реверсирование двигателей осуществляется за счет записи на ленте магнитных черточек различной полярности.

Рис. 3. Схема управления станком с помощью магнитной ленты

В некоторых станках применяются более узкие ленты, на которых программа действия каждого шагового двигателя записывается только на одной дорожке, а их распределение по секциям двигателя выполняется особым коммутатором пульта управления.

С целью устранения зазоров в передачах станков с ЧПУ применяются винтовые шариковые передачи (рис. 4). Канавки винта I и гайки 4 полукруглой формы плотно заполняются стальными шариками 2. В начале и конце гайки просверлены отверстия, соединенные между собой трубкой 3. При вращении винта шарики, перекатываясь по винтовой канавке, попадают в отверстие гайки и, проходя по соединительной трубке, через второе отверстие снова возвращаются в канавку. Для полного устранения зазора в таких передачах на ходовом винте устанавливают одновременно две шариковые гайки, между которыми располагают жесткую пружину.

Рис. 4. Шариковая винтовая передача станка с ЧПУ

На магнитную ленту программа записывается с перфорированной ленты при помощи специального кодопреобразователя интерполятора, что намного усложняет процесс подготовки программы станка. Поэтому современные модели станков с ЧПУ оснащаются пультом программного управления со встроенным интерполятором. Последний преобразует двоично-десятичный код перфоленты в сигналы унитарного кода, которые с предусмотренной скоростью поступают на блок выхода к шаговым двигателям и далее (см. рис. 3). Такой принцип ЧПУ применен в вертикально-фрезерном станке 6Р13Ф3-37.

Станок предназначен для многооперационной обработки плоских и пространственных деталей торцовыми и концевыми фрезами, сверлами, зенкерами, развертками и, в отдельных случаях, расточными резцами. Для этого он оснащен инструментальным магазином с пронумерованными гнездами, смена инструмента из которых производится вручную. Кроме станка, на рабочем месте автономно расположены пульт программы с цифровым индикатором номера гнезда инструмента, необходимого для последующей обработки, и гидроагрегат для питания гидроусилителей привода стола, салазок и ползуна шпиндельной головки. Станок позволяет выполнять обработку поверхностей сложной формы одновременно по трем координатам.

Высокая эффективность применения станков с ЧПУ достигается концентрацией их в цехах на отдельных участках. Это создает возможность организации технологического потока обработки деталей сложной формы, многостаночного обслуживания, метода групповой обработки и повышения надежности работы станков.