Обозначение осей координат и направлений перемещений исполнительных органов на схемах станков с ЧПУ — Металлообрабатывающие станки и оборудование машиностроительных производств

Конструкции основных узлов станков с ЧПУ

В приводах главного движения токарных станков передняя бабка обычно является шпиндельной. Большие мощности и частоты вращения, большая нагруженность шпиндельных подшипников привели к необходимости интенсивного охлаждения, которое обеспечивается в основном путем оребрения бабки или пропусканием охлаждающей жидкости (рис. 5).

Рис. 5. Система оребрения шпиндельных узлов станков фирмы HAAS (США)

В качестве приводных двигателей в станках с ЧПУ обычно применяются регулируемые двигатели постоянного и переменного тока. Последние проще по конструкции и обладают большей надежностью благодаря отсутствию щеточных узлов (особенно в области высоких частот вращения, которые требуются для главного движения).

Диапазон регулирования двигателя с постоянной мощностью (Rд)р ограничен значением 3. . . 5 (в последних моделях двигателей 6. . . 8), что требует, как правило, применения в приводе главного движения механических устройств (коробок скоростей) с числом ступеней скорости от двух до четырех.

Предпочтение отдается варианту мотор — шпиндель, обеспечивающему большую мощность, но еще повсеместно движение от электродвигателя на шпиндель передается с помощью поликлино- вого или зубчатого ремня. Сам шпиндельный узел стал сменным. Частота вращения шпинделя за счет появления лучших инструментальных материалов для станков с патроном диаметром 250 мм сейчас составляет свыше 10 000 мин-1 при мощности, доходящей до 43 кВт.

В токарных станках вместо зубчатых кинематических цепей применены беззазорные шариковые винтовые передачи с высоко- моментными регулируемыми электродвигателями, что обеспечивает точное перемещение суппортов. При этом не только значительно уменьшаются силы трения (коэффициент трения покоя для направляющих качения в 20 раз меньше, чем для направляющих скольжения) и исключается прерывистость движения, вызванная при скольжении эффектом прилипания, но и уменьшается износ сопряжения.

Существенную долю выпускаемых станков (около трети) составляют токарные станки с ЧПУ с вертикальным расположением шпинделя или двух шпинделей. Общей практикой стало то, что заднюю бабку заменяют контршпинделем с характеристиками, равными или близкими характеристикам основного шпинделя Время для передачи заготовки из одного шпинделя в другой составляет около 10 с и достигается или за счет «наезда» контршпинделя, или с помощью манипулятора (станок INTEGREX 200-IIIST фирмы MAZAK (Япония)).

У токарных станков инструмент устанавливается в револьверной головке на 12, реже на 10 (8) позиций. Возможен вариант исполнения револьверной головки на 24 инструмента (рис. 6) .

Размер сечения резца, установленного в револьверной головке, колеблется от 20 до 32 мм, а диаметр осевого инструмента — от 32 до 50 мм. Приводными являются, как правило, все позиции револьверной головки (12, 24) или большая часть. Время смены соседних инструментов от 0,15 до 1 с, хотя еще не редкость смена инструмента за 4 с.

Рис. 6. Револьверная головка на 24 инструмента, из которых 18 приводные со скоростью 9000 мин-1 и мощностью 6 кВт

Рис. 7. Токарный обрабатывающий центр серии TD42-Triplex (без защитного ограждения) с двумя шпинделями и тремя револьверными головками

Как правило, станки оборудуются системами измерения как заготовки и детали, так и инструмента, что освобождает от необходимости точных измерений до начала обработки.

Положение направляющих станины в пространстве уже традиционно наклонное. Большинство современных станков средних размеров с ЧПУ имеет оригинальную компоновку, позволяющую повысить их жесткость, улучшить защиту направляющих и винтовых передач, обеспечить свободный отвод стружки и удаление ее из рабочей зоны, применять загрузочные устройства любых типов, обеспечить свободный доступ к инструменту и приспособлениям, повысить безопасность работы

Перейти от декартовой системы координат к полярной

Полярная система координат — это двумерная система координат, в которой каждая точка на плоскости определяется двумя числами — полярным углом и полярным радиусом. В случае с токарным станком полярный угол это угол поворота шпинделя относительно инструмента, а полярный радиус это положение инструмента по оси Х.

Иными словами, чтобы определить точку в пространстве, необходимо указать радиус и угол отклонения от оси Х. На практике использовать такую систему координат, как правило, неудобно, поэтому ЧПУ преобразовывает угловое значение поворота шпинделя в более понятную линейную координату.

Системы программного управления ЧПУ

На машиностроительных заводах, работающих в условиях массового и крупносерийного производства, рост производительности достигается широким применением станков-автоматов, полуавтоматов и автоматических линий В условиях серийного и мелкосерийного производства применение таких станков нецелесообразно, так как их очень сложно перестраивать с обработки одних деталей на другие.

На универсальных станках основное время, затрачиваемое на обработку детали, составляет 40. . .45 % штучного времени. На станках с программным управлением его доля возрастает до 70. . .75 % . На станках с программным управлением на 50. . .60 % уменьшается штучное время на обработку детали по сравнению со штучным временем на универсальных станках при обработке одинаковых деталей.

Появились станки с ЧПУ в 1950-е гг. На Чикагской машиностроительной выставке 1960 г. из примерно 1000 станков программное управление имели 85.

Программное управление — это автоматическое управление работой станка для выполнения им определенной работы по заранее заданной программе Программирование работы станка может быть полным или частичным При частичном автоматизируются только отдельные элементы цикла В зависимости от рода выполняемых работ различают три системы программного управления:

1. Простейшие системы позволяют инструменту устанавливаться в отдельных точках поверхности детали. Такие системы называют координатными, или ступенчатыми, и примеряют в сверлильных и иногда в координатно-расточных станках.
2. Системы с линейным перемещением двигают инструмент в направлении подачи по прямой с постоянной или переменной скоростью (строгальные, токарно-револьверные станки).
3. Системы с контурным перемещением позволяют перемещать инструмент по любой траектории и применяются в токарных и фрезерно-копировальных станках и т. п.

Программу работы можно задавать разными способами: механическим, гидравлическим, электрическим и электронным. Программа может иметь вид копира (рис. 1, а), распределительного вала с кулачками (рис. 1, б), барабана или линейки с упорами и конечных выключателей (рис. 1, в), штырьковой панели (рис. 1, г), магнитной или бумажной ленты, дискеты, флэш- карты.

Рис. 1. Программоносители

С позиций функциональности устройства ЧПУ можно укрупненно разбить на несколько групп:

• программное управление (ПУ). Управление станком по детерминированной программе;
• цикловое программное управление (ЦПУ). Управление циклами перемещений или режимами обработки по программе с заданием параметров на путевых переключателях или других измерительных преобразователях;
• числовое ПУ (ЧПУ) (международное обозначение numerical control — NC) . Управление обработкой на станке по программе, заданной в алфавитно-цифровом коде;
• разновидность устройств ЧПУ (hand NC — HNC) с ручным заданием программы с пульта устройства ЧПУ (на клавишах, переключателях и т п );
• разновидность устройств ЧПУ (speicher NC — SNC, memory NC — MNC), имеющая память для хранения всей управляющей программы;
• автономная система ЧПУ станком (Computer numerical control — CNC), содержащая в своем составе ЭВМ или процессор для выполнения основных функций управления;
• система управления группой станков от общей ЭВМ (direkt numerical control — DNC), хранящей программы и распределяющей их по запросам от устройств управления станков (на станках могут быть установлены устройства NC, HNC, CNC) .

Применение ЧПУ прошло несколько этапов:

1. создание станков с ЧПУ и обкатка в промышленности, неавтоматизированный расчет программ;
2. широкое внедрение в промышленность станков с автономными устройствами ЧПУ постоянной структуры, освоение систем автоматического программирования;
3. создание устройств централизованного управления от ЭВМ и автономных устройств с переменной структурой;
4. включение станков с ЧПУ в автоматизированную систему управления технологическими процессами (АСУ ТП).

В последние годы наблюдается тенденция использования для ЧПУ металлообрабатывающего оборудования, наряду с микропроцессорными устройствами, мини-ЭВМ, что позволяет сделать более гибким процесс подготовки программ и внесение изменений в программу непосредственно на станке.

Эти изменения привели к появлению гибких производственных систем (ГПС). Созданию гибких производственных модулей (ГПМ) как составляющих частей ГПС предшествовала разработка многоцелевых станков с магазинами инструментов, загрузочных роботов-манипуляторов и микропроцессорных систем управления, обеспечивающих развитую диагностику состояния оборудования.

Перспективным является использование ЭВМ для управления станками непосредственно через промежуточное управляющее устройство без кодирования команд на программоносителях (перфолентах, магнитных лентах) — CNC. В этих случаях ЭВМ выполняет следующие функции: передает информацию исполнительным органам станка, отрабатывающим соответствующие перемещения или скорость, хранит информацию в памяти, выполняет другие работы.

Устройство 3-х осевого станка с ЧПУ

Типовую схему движения на 3-х осевом станке с ЧПУ вы можете видеть на картинке ниже:

3-х осевая координатная система станка с ЧПУ

Компоновки токарных станков с ЧПУ

Компоновка первых токарных станков с ЧПУ мало отличалась от компоновки серийных, на базе которых они были сделаны. Так, токарный станок модели 16К20Ф3, в отличие от серийного токарно-винторезного станка модели 16К20, имел изменения в некоторых узлах с добавлением следующих устройств и механизмов:

• электронного устройства ЧПУ для управления работой станка;
• отдельных приводов по каждой координате (один для движения суппорта в продольном, другой — в поперечном направлении);
• автоматической коробки скоростей (АКС), передачи в которой включаются электромагнитными муфтами при поступлении команды на изменение скорости, отключение или торможение вращения шпинделя станка;
• поворотной резцедержки, в шести позициях которой можно устанавливать разные инструменты для обработки заготовки;
• беззазорных шариковых винтовых передач, обеспечивающих более точное перемещение суппорта в продольном и поперечном направлениях

В современных станках с ЧПУ полностью автоматизирован цикл обработки детали с установлением необходимых режимов резания. Без участия оператора выполняются все вспомогательные движения и функции: ускоренное перемещение рабочих органов, смена инструмента, устанавливаемого в револьверных головках или магазинах, зажим заготовки, перемещение задней бабки и люнета, включение и выключение механизмов стружкодробления и стружкоудаления, включение системы охлаждения, введение коррекции на положение заранее настроенных на размер инструментов и т. д.

• базовые узлы выполняются более жесткими с удобным доступом к обрабатываемой заготовке и свободным сходом стружки;
• для снижения удельного давления на направляющие они выполняются широкими и на максимальном расстоянии с надежной защитой от грязи;
• узлы привода главного движения обеспечивают бесступенчатое регулирование;
• в шпиндели встраиваются устройства автоматического зажима и разжима;
• узлы привода подач выполняются с максимально короткими кинематическими цепями, обеспечивающими высокую жесткость, плавность хода, минимальные потери на трение;
• направляющие выполняются более износостойкими, с малым коэффициентом трения;
• в станки встраиваются автоматические устройства смены инструмента, уборки стружки, смазки, загрузочные и др ;
• шпиндельная бабка устанавливается отдельно от коробки скоростей;
• предусмотрена автоматическая измерительная система с обратной связью

Использовать дополнительную ось перемещения

Вторым способом является установка дополнительной оси перемещения (ось Y). Такая опция позволяет значительно расширить возможности станка, и, в отличие от полярных координат, пригодна для выполнения любых фрезерных операций. Недостаток такой опции — это её стоимость и сравнительно небольшой диапазон перемещений.

Движение вдоль системы координат всегда основано на том, как движется инструмент, а не стол с заготовкой. Например, увеличение значения координаты X приведёт к смещению стола влево, но если смотреть с точки зрения инструмента, он движется вправо вдоль заготовки.

Кроме трёх или двух осей, в любой системе координат задаётся исходная точка. Каждый станок с ЧПУ имеет свою собственную внутреннюю исходную точку, которая называется Machine Home или Референтная позиция. 

Компоненты осей ЧПУ

Каждая ось станка содержит следующие компоненты:

• Направляющие оси

• Вал винтовой передачи

• Мотор оси

• Концевой датчик

Направляющие фрезерного станка с ЧПУ

Направляющие фрезерного станка с ЧПУ должны выполнять три основных задачи:

1. Движение в направлении заданной оси. Тут основную роль играет низкий коэффициент трения.

2. Обеспечить точное перемещение, исключая вибрации и люфты. Основное требование — качество направляющих и каретки.

3. Направляющая должна воспринимать и гасить вторичные нагрузки. Основное требование — жесткость.

В зависимости от формы профиля различают несколько видов линейных направляющий, в их числе:  

Вал винтовой передачи

Задача данного вала-преобразовывать вращательное движение в  поступательное вдоль оси с как можно меньшим трением и как можно меньшим люфтом.

Кинематическая схема токарного полуавтомата с ЧПУ

Станок модели 1734Ф3 (рис. 8) предназначен для черновой и чистовой обработки в патроне деталей типа дисков, фланцев, шестерен, чашек с наибольшим диаметром 320 мм и высотой до 200 мм. В несколько проходов на нем может выполняться обработка наружных и внутренних поверхностей с криволинейными и ступенчатыми образующими.

Станок 1734Ф3 оснащен разомкнутой системой числового программного управления типа Н55-1, имеющей линейно-круговой интерполятор Программоносителем является восьмидорожечная перфолента, программа задается в коде ISO-7bit.

Рис. 8. Кинематическая схема токарного полуавтомата с ЧПУ модели 1734Ф3

Шпиндель станка получает вращение от двухскоростного электродвигателя 1 через клиноременную передачу и четырехскоростную коробку скоростей 2 с электромагнитными муфтами и сменными зубчатыми колесами а и b. В любом из четырех диапазонов можно получать по шесть автоматически переключаемых ступеней частоты вращения шпинделя. Из рисунка видно, что кинематическая схема данного станка с ЧПУ существенно проще схем обыкновенных станков.

На каждом из двух суппортов находится четырехпозиционная револьверная головка 3. Правый суппорт получает вертикальную подачу от электрогидравлического шагового привода 5, в состав которого входят электрический шаговый двигатель ШД5-Д1 и гидроусилитель крутящего момента с аксиально-поршневым гидродвигателем Движение на суппорт передается через беззазорную зубчатую передачу и шариковую винтовую пару.

Горизонтальное перемещение он получает от электрогидравлического шагового привода 4 через редуктор. Такую же конструкцию имеет левый суппорт Величина перемещения суппортов на один импульс в вертикальном направлении равна 0,01 мм, в горизонтальном — 0,005 мм.

Концевой датчик или «концевик» Оси

 Концевой датчик для фрезерного станка с ЧПУ

Концевой датчик, или «концевик» сообщают фрезерному станку с ЧПУ, когда он достигает предела перемещения по оси. Обычно он нужен для двух целей:

• Положение «дом»: это нулевая координата, точка отсчета «0» для текущей оси.

• Лимит оси: противоположное от нулевой координаты положение инструмента на заданной оси

В большинстве станков используется один концевик на ось, и это датчик нулевого положения. Лимиты движения по осям задаются программно.

Первое, что нужно сделать, когда мы включаем станок — это отправить его в «дом» или позицию нуль. Моторы приводят в движение каретки станка по координатам до концевиков, и встает в так называемое домашнее положение. 

У концевиков есть погрешность повторяемости, которая обычно определяется конструкцией датчика и используемыми компонентами. Это значит, что каждый раз отправляя станок в «дом», оси останавливаются с некоторым отклонением, предположим с погрешностью в 0.1 мм.

Допустим, мы выключили станок на ночь, и включили утром, что бы продолжить работу. Отправив станок в дом, мы получили отклонение по оси 0.1 мм. Единственный возможный вариант — вручную перенастраивать станок с помощью щупа, что отнимает значительное время.

Единственный способ свести на нет большую погрешность — использовать более дорогие датчики. Наименее точными считаются механические концевики, открытые оптические — поточнее. Так же возможно использование в качестве концевика датчика Холла, который дает погрешность порядка 0.01мм.

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 5 осей

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 4 оси

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 3 оси

Что ж, а на этом у нас все! Надеемся статья была Вам полезна.

Приобрести станки с ЧПУ, 3D принтеры, расходные материалы к ним и другое оборудование, задать свой вопрос, или сделать предложение, вы можете, связавшись с нами:

В чем разница между сервомотором и шаговым двигателем?

Основное различие состоит в том, что сервомоторы имеют замкнутый контур, а шаговые двигатели — разомкнутый

К сервомотору прикреплено устройство, называемое энкодером.

В случае шагового двигателя контроллер сообщает ему, что нужно переместить шаг, и он просто должен предположить, что так и произошло.  

В большинстве случаев так и происходит, но изредка, обычно из за превышения нагрузки на валу, двигатель теряет шаги. Потерянные шаги влияют на точность станка с ЧПУ. Энкодер сервопривода отслеживает подобные потери и корректирует положение вала, пока оно не будет соответствовать заданному.

Сервомоторы также работают лучше в том смысле, что они производят мощность в более широком диапазоне и часто на более высоких оборотах. В результате имеем лучшую точность позиционирования, динамику разгона и отсутствие снижения момента при высоких скоростях.

Тогда как обычный шаговый двигатель обеспечивает точность перемещения рабочей оси в районе 0.01 мм, сервомотор дает 0.002 мкм.

У сервомоторов есть и минусы. В первую очередь — необходимость регулярно обслуживать и менять узлы. Так же сервомоторы станка должны быть оснащены дополнительной защитой при экстренной остановке. Цена на сервопривод гораздо выше, чем на шаговый двигатель.

Коробчатые направляющие и ласточкин хвост

Направляющие данного вида отличаются лишь профилем сечения, принцип работы же у них одинаков. После точной подгонки данные направляющие крепятся к станине станка, становясь её непосредственной частью. Движение осуществляет каретка, точно подогнанная по размеру к профилю рельсы. Минусом данных типов направляющих является сложность замены рельсы  и подгонки к ней размеров каретки в случае износа.

Данные направляющие чаще всего изготавливаются из чугуна, потому что он обладает хорошими свойствами с точки зрения скользящего контакта металл-металл.

Коррекция инструмента

Обычно для изготовления одной и той же детали используется несколько инструментов. Как отмечалось выше, разный инструмент имеет разные геометрические параметры, которые станок должен учитывать при перемещении. Для этого в станке существует таблица смещения инструмента, в которой указываются геометрические параметры инструмента (для токарных резцов: смещение от нулевой точки станка, для фрезерного инструмента длина и диаметр). Для записи коррекции используют несколько способов:

• Измерения касанием. Этот способ не требует каких либо специальных технических средств или дополнительного оснащения, но вместе с этим является наименее точным. Суть заключается в касании заготовки инструментом либо напрямую, либо через концевые меры. 

• Использование пресетера (необходимо наличие в цеху специального устройства — пресетора).

Пресетер позволяет точно измерить длину и диаметр инструмента. Это наиболее точный метод измерения, но вместе с тем наиболее затратный и наименее удобный, так как для проведения измерений инструмент необходимо извлекать из станка. 

• Измерение при помощи датчика измерения инструмента. В зависимости от типа датчика этот способ не уступает по точности предыдущему, но при этом менее затратный и наиболее эффективный, так как привязку инструмента можно осуществлять в автоматическом режиме. Суть данного способа заключается в установке в рабочую зону станка высокоточного датчика для измерения инструмента:

Инструмент касается контактной поверхности датчика, а датчик в свою очередь передает сигнал на ЧПУ, которая фиксирует данные в таблице инструментов. Измерение может проводиться как в ручном режиме, так и в автоматическом (в зависимости от типа датчика).

Обозначение осей координат и направлений перемещений исполнительных органов на схемах станков с чпу

Передача винт-гайка

Данный вид передачи был наиболее распространен до появления ШВП, но всё же до сих пор используется на некоторых видах станков в силу простоты конструкции и её дешевизны. Для уменьшения люфта на таком соединении может применяться разрезная гайка, которая позволяет путем сжатия регулировать натяг, устраняя тем самым увеличивающийся со временем люфт.

Минусом и одновременно плюсом такой пары является повышенное трение в передаче, что с одной стороны ведет к досрочному износу винта, и требует более мощного мотора, но с другой стороны компенсирует вращательные колебания винта при использовании шагового двигателя.

Профильные рельсовые направляющие

Профильный направляющий рельс с кареткой.

Профильные рельсовые направляющие по принципу работы похожи на предыдущий тип направляющих, но все же имеет несколько ключевых от него отличий:

• Скольжение осуществляется по заранее определенным профилям дорожек рельсы, с очень тонкой подгонкой зазоров между кареткой и рельсом.

• Минимальное трение в данном случае обеспечивают шарики внутри каретки

• С боков каретки обычно стоят сальники и пыльники, что исключает попадание пыли и стружки внутрь подвижных элементов

Обычно, на одну ось используется 2 рельсы, а на одной рельсе находятся 2 каретки, но конструкция позволяет разместить на рельсе сколько угодно кареток в зависимости от её длинны и конструктивных особенностей станка.

Роль системы координат

Станок должен понимать положение заготовки в физическом пространстве — просто поместить кусок металла в ЧПУ станок и нажать кнопку «Пуск» недостаточно. Для решения этой задачи используется рабочая система координат станка.

Задача усложняется, когда в процессе обработки используется несколько инструментов. Каждый из них имеет различную длину, которая изменяет расстояние между базовой точкой шпинделя и заготовкой. Например, точка начала для 3-мм фрезы с небольшой длиной будет отличаться от точки начала для 6-мм сверла, предназначенного для сверления глубоких отверстий.

Система координат позволяет сообщить управляющей программе:

• где в пространстве находится заготовка;

• как далеко от неё находится инструмент;

• как должен двигаться инструмент в процессе обработки детали.

Используя декартову систему координат, можно управлять движением инструмента вдоль каждой оси, что уже позволит сделать из заготовки деталь. 

Система координат классического фрезерного станка с точки зрения оператора:

• ось X задаёт перемещение «влево» и «вправо»;

• ось Y — «вперед» и «назад»;

• ось Z — «вверх» и «вниз».

Система координат классического токарного станка:

• ось X задаёт перемещение «вперед» и «назад»;

• ось Z — «влево» и «вправо».

Сервомотор

Недостатком шагового двигателя является то, что он не отслеживает текущую позицию вала и количество сделанных оборотов, что в некоторых ситуациях может вести к пропуску шагов. Поэтому в промышленных станках используется другой тип моторов — сервомоторы.

Цилиндрические направляющие

По своей сути это — шлифованный цилиндрический вал, по которому движутся каретки с литыми втулками, либо линейными подшипниками. Сами рельсы крепятся на несущую конструкцию корпуса. Точность станка с такими направляющими будет ниже, нежели с линейными направляющими за счет повышенных люфтов и меньшего сопротивления вторичным нагрузкам.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель для фрезерного станка с ЧПУ.

На фотографии выше показан типичный шаговый двигатель для фрезерного станка с ЧПУ. Шаговые Двигатели называются так потому, что они предназначены для перемещения по дискретным шагам
. В зависимости от типа шагового двигателя, количество шагов на один оборот варьируется от 100 до 400, а угол одного шага — от 0.9 до 3.6 градусов.

Как правило двигатель имеет водонепроницаемый корпус, поэтому в случае протекания, например, охлаждающей жидкости двигатель не выходит из строя.

Шаговые двигатели очень распространены как в проектах DIY с ЧПУ, так и в большинстве коммерческих станков ЧПУ. Однако, в станках промышленного качества чаще всего используются так называемые сервомоторы.