Числовое программное управление (ЧПУ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Числовое программное управление (ЧПУ)

Содержание

1. Устройство станков с ЧПУ

1.1 Движение исполнительных органов станка

1.2 Системы координат станков с ЧПУ

1.3 Направления движения исполнительных органов станков с ЧПУ

1.4 Положение и обозначение координатных осей в станках с ЧПУ

1.5 Нулевые и исходные точки станков с ЧПУ

1.6 Установка нулевой точки заготовки на токарном станке с ЧПУ

1.7 Установка нулевой точки заготовки на фрезерном станке с ЧПУ

2. Числовое программное управление станков

2.1 Траектория движений инструмента

2.2 Классификации систем ЧПУ

Литература

1. Устройство станков с ЧПУ

1.1 Движение исполнительных органов станка

Для обработки заготовок на станках с ЧПУ также, как и на универсальных станках, необходимо сообщить режущему инструменту и заготовке определенный, как правило достаточно сложный, комплекс согласованных друг с другом движений. Эти движения подразделяются на основные (рабочие) и вспомогательные.

Основные движения - это движения исполнительных органов станка, благодаря которым непосредственно осуществляется процесс снятия стружки режущим инструментом с обрабатываемой заготовки. К основным движениям относятся главное движение и движение подач.

Главное движение обусловливает скорость процесса резания. Оно определяется как прямолинейное поступательное или вращательное движение заготовки, происходящее с наибольшей скоростью в процессе резания. При токарной обработке таким движением является вращательное движение заготовки. При фрезерной обработке, а также при сверлильной и расточной работах - вращательное движение режущего инструмента.

Движение подач обусловливает величину, скорость и характер взаимного перемещения инструмента и заготовки, предназначенного для того, чтобы распространить отделение срезаемого слоя материала на всю обрабатываемую поверхность заготовки. Движение подач может быть прямолинейным или по дуге, непрерывным или прерывистым, и оно всегда имеет скорость меньшую, чем главное движение. При токарной обработке движением подач являются перемещения суппорта с режущим инструментом. При фрезерной обработке и расточной работе - перемещения рабочего стола с заготовкой, при сверлильной работе - перемещения пиноли и т.п.

Вспомогательные движения - это движения исполнительных органов станка и приспособлений, необходимые для подготовки процесса резания. К ним относятся движения, связанные с транспортировкой и закреплением заготовки, подводом и отводом режущего инструмента и т. п.

Количество, характер и направления перемещений исполнительных органов при движении подач у станков с ЧПУ и универсальных станков, как правило, совпадают. Например, токарные станки с ЧПУ (см. рис. 1-А) также, как и универсальные токарные станки, имеют движение подач как минимум по двум направлениям в виде прямолинейных перемещений исполнительных органов (показаны на рисунке жирными стрелками).

Рис. 1-А. Направления движений подач токарного станка с ЧПУ

Фрезерные станки с ЧПУ также, как и универсальные фрезерные станки, имеют движение подач не менее чем по трем направлениям в виде прямолинейных перемещений исполнительных органов (см. рис. 1-Б).

Рис. 1-Б. Направления движений подач фрезерного станка с ЧПУ

В более сложных модификациях фрезерных станков помимо прямолинейных перемещений исполнительных органов добавляются еще и круговые перемещения, совершаемые вокруг осей прямолинейных перемещений (см. рис. 1-В). Число дополнительных круговых перемещений может быть различным, в зависимости от сложности станка. Чаще всего число круговых перемещений не превышает трех.

Рис. 1-В. Дополнительные круговые направления движения подач фрезерного станка с ЧПУ

1.2 Системы координат станков с ЧПУ

Обработка заготовки на станке с ЧПУ выполняется по командам управляющей программы, которые в числовой форме задают величины отдельных перемещений исполнительных органов. Поэтому функционирование станка с ЧПУ в принципе невозможно без использования определенной системы координат, с помощью которой устанавливаются пространственные координаты любой точки в пределах рабочей зоны станка.

В станках с ЧПУ наиболее часто используются системы координат двух видов:

· прямоугольная.

· полярная.

Прямоугольная система координат. Прямоугольная система координат является наиболее распространенной системой координат для станков с ЧПУ. Она содержит либо две оси координат (двухмерная система) - для определения положения точек на плоскости, либо три оси (трехмерная система) - для определения положения точек в пространстве.

Для прямоугольной системы координат характерны следующие признаки:

· координатные оси располагаются взаимно перпендикулярно;

· координатные оси имеют общую точку пересечения (начало отсчета координат);

· координатные оси имеют одинаковый геометрический масштаб.

В прямоугольной системе координат на плоскости положение всех точек, лежащих на данной плоскости, описывается двумя координатами. На рис. 1.1 изображена такая система координат с осями координат X и Y. Расстояние до оси Y определяется как координата X, а расстояние до оси X как координата Y. Значения координат точек на плоскости могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Данная система координат широко применяется в токарных станках с ЧПУ и при обработке листовых материалов.

Рис. 1. Прямоугольная система координат на плоскости XY

Пример обозначений координат указанных на рисунке точек:

P1: X = 80, Y = 40; P2: X = - 80, Y = 70; P3: X = - 50, Y = - 40; P4: X = 40, Y = - 70.

С помощью пространственной прямоугольной системы координат описывается положение любых точек в геометрическом пространстве. Для определения положения любой точки в пространстве необходимо знать ее координаты по трем осям - X, Y и Z (рис. 1.2). Как и в случае с плоской системой координат, значения координат точек в пространстве могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Данная система координат позволяет описывать все точки рабочего пространства станка независимо от расположения заготовки и применяется во фрезерных, сверлильных и расточных станках с ЧПУ.

Рис. 1.2. Пространственная прямоугольная система координат

Пример обозначений координат указанных на рисунке точек:

P1: X = 30, Y = 20, Z = 0; P2: X= 30, Y = 0, Z = - 10.

Принятая для станков с ЧПУ пространственная прямоугольная система координат имеет определенную ориентацию координатных осей друг относительно друга. Эта ориентацию подчиняется правилу правой руки (см. рис. 1.3), при которой пальцы правой руки указывают положительное направление каждой оси. Поэтому данная система координат получила название правой системы.

Рис. 1.3. Правило правой руки

Полярная система координат. Если обрабатываемый контур представляет собой ломаную линию, то с помощью прямоугольной системы координат можно легко задать все характерные точки его профиля. Однако ситуация меняется, если необходимо, например, выполнить на плоскости сверление группы отверстий, расположенных по окружности (см. рис. 1.4). Если для отверстия 1 координаты расположения его оси в прямоугольной системе координат можно рассчитать достаточно просто, то расчет расположения осей для всех других отверстий будет гораздо более трудоемким.

Рис. 1.4. Деталь с группой отверстий, расположенных по окружности

В этом случае вычисления удобнее выполнять в полярной системе координат (см. рис. 25 и рис. 26). В полярной системе координат положение точки на плоскости определяется расстоянием (радиусом) r от точки до начала координат и углом между определенной осью координат и радиусом, проведенным в точку из начала координат. Как правило, в полярной системе координат на плоскости XY угол указывается от оси X. Угол может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Положительное значение - если он отложен в направлении противоположном движению часовой стрелки от области положительных значений координат по оси X (рис. 1.5-А); отрицательное значение - если он отложен в направлении по ходу движения часовой стрелки от области положительных значений координат по оси X (рис. 1.5-Б).

А) Б)

Рис. 1.5. Положительное (А) и отрицательное (Б) значения угла в полярной системе координат

Дополнительные поворотные оси координат. Несмотря на то что с помощью 3-х координатной прямоугольной системы координат описывается положение любых точек в геометрическом пространстве, в современной механообработке часто возникает необходимость в изготовлении столь сложных поверхностей, что их невозможно изготовить на станке, используя перемещение исполнительных органов только по трем осям координат.

В таких ситуациях используют пространственную прямоугольную систему координат с дополнительными осями координат. Дополнительные оси координат являются поворотными осями, которые располагаются вокруг основных линейных осей X, Y и Z (см. рис. 1.6). Ось вращения вокруг оси X обозначается как ось А, ось вращения вокруг оси Y - как ось В, ось вращения вокруг оси Z - как ось С.

Рис. 1.6. Прямоугольная система координат с дополнительными поворотными осями

Координаты по поворотным осям также могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. За положительное направление (от "минуса" к "плюсу") поворотной координатной оси принимается направление по часовой стрелке, если смотреть на ось вращения в положительном направлении соответствующей ей линейной оси.

Прямоугольную систему координат с дополнительными поворотными осями можно также представить также как пространственную полярную систему координат (см. рис. 1.7).

Рис. 1.7. Пространственная полярная система координат

1.3 Направления движения исполнительных органов станков с ЧПУ

Координатная система станка с ЧПУ. Для станков с ЧПУ принята единая система координат, рекомендуемая Международной организацией по стандартизации (ISO), - прямоугольная система координат. Число координатных осей, их расположение в пространстве и начало отсчета (нулевая точка станка) устанавливаются производителем станка и не подлежит изменению пользователем (см. рис. 29). Система координат станка является основной расчетной системой для ЧПУ, в которой определяются предельные перемещения, начальные и текущие положения исполнительных органов станка.

Для удобства программирования процесса обработки в станках с ЧПУ принято координатные оси всегда ориентировать параллельно направляющим станка. В зависимости от типа станка расположение осей координат в пространстве может быть различным, но существуют следующие общие правила.

1. Ось Z всегда совмещена с осью вращения шпинделя. Ее положительное направление всегда совпадает с направлением перемещения от устройства для крепления заготовки к режущему инструменту.

2. Если в системе координат станка имеется хотя бы одна ось, расположенная горизонтально и не совпадающая с осью вращения шпинделя, то это будет обязательно ось X.

3. Если ось Z расположена горизонтально, то положительным направлением оси X считается направление перемещения вправо, если встать лицом к левому - относительно передней плоскости - торцу станка. (Передняя плоскость станка - сторона, с которой располагаются пульт и основные органы управления станком).

4. Если ось Z расположена вертикально, то положительным направлением оси X считается направление перемещения вправо, если встать лицом к передней плоскости станка.

5. Положительное направление оси Y определяется по одному из следующих правил:

- Смотря вдоль оси Z в положительном направлении, мысленно повернуть ось X на 90° по часовой стрелке вокруг оси Z.

- Правило правой руки: если мысленно поместить ладонь правой руки в начало координат таким образом, чтобы ось Z выходила из ладони перпендикулярно ей, а отогнутый под углом 90° к ладони большой палец показывал положительное направление оси X, то указательный палец будет показывать положительное направление оси Y.

Координатная система заготовки. Система координат заготовки задается технологом или программистом при разработке технологии изготовления детали на станке с ЧПУ (см. рис. 1.8). Исходная точка, от которой система ЧПУ отсчитывает перемещения исполнительных органов станка при обработке заготовки по управляющей программе, называется нулевой точкой заготовки. Нулевая точка заготовки не имеет постоянных координат. Каждый раз при изменении конфигурации и размеров детали нулевая точка заготовки назначается заново - в зависимости от конфигурации детали, технологии обработки и удобства наладки станка.

А) Б)

Рис. 1.8. Системы координат станка (А) и заготовки (Б)

Рекомендуемая система координат заготовки при фрезерной обработке. Широкие возможности фрезерной обработки на станках с ЧПУ позволяют использовать самые разные системы координат заготовки. Исходя из особенностей конструкции фрезерных станков и собственно процесса фрезерования, обычно рекомендуется следующая координатная система, в равной степени удобная для программирования и обработки.

Эта система координат заготовки представляет собой прямоугольную координатную систему с осями XYZ (см. рис. 1.9). Ось Z данной системы совпадает с осью главного рабочего шпинделя фрезерного станка, при этом положительным направлением оси является направление от заготовки к месту зажима инструмента в шпинделе.

Если заготовка имеет в плане прямоугольную форму, то оси X и Y совпадают со сторонами заготовки. Если заготовка имеет в плане форму, отличную от прямоугольной, то либо ось X, либо ось Y располагают по одной из сторон заготовки. При этом если смотреть со стороны передней плоскости станка, положительное направление оси X идет слева направо, а оси Y - от передней плоскости станка.

В качестве начала отсчета системы координат заготовки (нулевой точки заготовки) для облегчения расчета координат при составлении программы обычно выбирается точка на одном из наружных углов контура заготовки.

Рис. 1.9. Рекомендуемая система координат заготовки при фрезерной обработке

Рекомендуемая система координат заготовки при токарной обработке. Для токарной обработки на станке с ЧПУ наиболее распространенной является плоская прямоугольная система координат заготовки, оси которой обычно называются X и Z. В этой системе осью Z является ось главного шпинделя станка, при этом положительным направлением оси Z является направление от места крепления заготовки в шпинделе к режущему инструменту. Ось X расположена перпендикулярно оси Z, а ее положительное направление зависит от положения инструмента относительно оси Z (см. рис. 1.10). Но в любом случае положительным направлением оси X является перемещение, при котором инструмент отдаляется от заготовки.

А) Б)

Рис. 1.10. Система координат заготовки при токарной обработке, в которой инструмент направлен к оси вращения от лицевой плоскости станка (А), и в которой инструмент направлен к оси вращения в сторону лицевой плоскости станка (Б)

1.4 Положение и обозначение координатных осей в станках с ЧПУ

По технологическим признакам и возможностям станки с ЧПУ классифицируются по группам также, как универсальные станки. При этом в зависимости от компоновки станка с ЧПУ меняется вид и пространственное расположение его системы координат.

Для фрезерных станков с ЧПУ используется пространственная координатная система, как правило, прямоугольная. Определяющим фактором для пространственного расположения осей координатной системы является ориентация в пространстве оси рабочего шпинделя. Ось шпинделя фрезерного станка всегда совпадает с осью Z. Положительным направлением оси Z является направление от места крепления заготовки на рабочем столе к месту крепления режущего инструмента в шпинделе. Если ось Z (ось шпинделя) расположена вертикально, то такой станок является вертикально-фрезерным станком, если ось Z расположена горизонтально, то - горизонтально-фрезерным станком.

Пространственное расположение и положительное направление двух других основных осей координат X и Y определяется в соответствии с "правилом правой руки" (см.1.3). Если система координат фрезерного станка с ЧПУ содержит больше трех осей, то расположение дополнительных осей координат определяется расположением основных осей (см. рис. 1.6).

А) Б)

Рис. 1.11. Система координат вертикально-фрезерного станка (А) и горизонтально-фрезерного станка (Б)

Для токарных станков с ЧПУ наиболее распространенной является плоская прямоугольная система координат с осями Z и X. Как и в случае с фрезерными станками определяющим фактором для пространственного расположения осей координатной системы является ориентация в пространстве оси рабочего шпинделя, которая всегда совпадает с осью Z. Положительным направлением оси Z является направление от места крепления заготовки в шпинделе к режущему инструменту. Ось X расположена перпендикулярно оси Z, при этом положительное направление оси X совпадает с направлением перемещения, при котором инструмент отдаляется от заготовки (см. рис. 1.12).



А) Б)

Рис. 1.12. Система координат токарного станка с горизонтальным (А) и вертикальным (Б) расположением шпинделя

Если рабочий шпиндель токарного станка с ЧПУ управляется с помощью управляющей программы, то к двум линейным осям координат Z и X добавляется еще одна координатная ось - ось вращения C (см. рис. 1.13).

Рис. 1.13. Система координат токарного станка с программно управляемым шпинделем

Направления перемещений в станках с ЧПУ. Обработка резанием на станке осуществляется в процессе взаимного перемещения режущего инструмента и заготовки относительно друг друга. Количество перемещений, совершаемых инструментом и заготовкой, и их направления в пространстве в каждом конкретном случае зависят от вида обработки и конструкции станка. Например, при обработке на вертикально-фрезерном станке заготовка в реальности выполняет перемещения по горизонтальной оси X и вертикальной оси Z, а инструмент - по горизонтальной оси Y. При обработке на горизонтально-фрезерном станке заготовка выполняет перемещения по горизонтальной оси X и вертикальной оси Y, а инструмент - по горизонтальной оси Z. В результате, описания перемещений исполнительных органов для станков разной конструкции при обработке одной и той же заготовки имеют разный вид. чпу координатная нулевая станок

Чтобы описание направления и вида перемещений исполнительных органов станка имело одинаковый вид для станков разных конструкций, принято универсальное правило для станков с ЧПУ: считается, что в процессе обработки все перемещения совершает только инструмент, а заготовка остается неподвижной.

Для станков с ЧПУ принято еще одно универсальное правило, касающееся направления перемещений исполнительных органов. Это правило, в отличие от первого носит не обязательный, а рекомендательный характер: желательно координатные системы станка и заготовки согласовать между собой таким образом, чтобы как можно большее количество осей координат закрепленной на станке заготовки совпадало или было параллельно координатной системе станка. Обычно в этом случае трудоемкость составления управляющей программы является минимальной, т. к. при составлении программы используются уже имеющиеся на чертеже координаты точек заготовки. В свою очередь минимизация и упрощение управляющей программы ведет к уменьшению вероятности появления ошибки, допущенной при составлении программы.

В современных станках с ЧПУ применяются два способа отсчета перемещений исполнительных органов станка - в абсолютной и относительной системах координат.

В абсолютной системе координат все перемещения, выполняемые станком, задаются в такой системе координат, начало отсчета которой остается неизменным при всех перемещениях (см. рис. 38). В качестве неизменного (фиксированного) начала координат заранее выбирается некоторая точка в пространстве, лежащая в области перемещений исполнительных органов станка. Как правило, в этом качестве выбирается нулевая точка заготовки.

В относительной системе координат каждое перемещение исполнительных органов станка задается относительно конечной точки последнего перемещения, т. е. задается в приращениях (см. рис. 1.14).

А) Б)

Рис. 1.14. Отсчет перемещений в абсолютной (А) и относительной системе координат

Более распространенным является способ отсчета перемещений в абсолютной системе координат. Это обусловлено тем, что в общем случае он имеет ряд преимуществ, а именно:

· расчеты в абсолютной системе координат менее сложны и требуют менее высокой квалификации оператора;

· указание от одного и того же начала координат пути, пройденного режущим инструментом, позволяет проще отслеживать этапы реализации управляющей программы;

· ошибка при программировании в абсолютной системе координат приводит к неправильному назначению координат только одной точки, тогда как в результате ошибки при назначении относительных координат ошибочным будет не только конкретное неправильно заданное перемещение, но и все последующие за ним перемещения;

· изменения в перемещения, вносимые при доработке изделия или программы, не влияют на последующие перемещения;

· погрешности изготовления и измерения, лежащие в пределах допустимых, не накапливаются (не суммируются).

Тем не менее назначение перемещений в относительной системе координат в ряде случаев может оказаться более удобным для программирования, например, в случае выполнения целого ряда перемещений, каждое из которых задано на чертеже в приращениях относительно предыдущего.

1.5 Нулевые и исходные точки станков с ЧПУ

При работе на универсальных станках с ручным управлением требуемые размеры изготавливаемых деталей достигаются, как правило, путем обработки заготовки относительно ее базовых поверхностей. На станках с ЧПУ требуемые размеры деталей достигаются путем обработки заготовки относительно начала отсчета выбранной по определенным соображениям системы координат.

Фактически, при работе на станке с ЧПУ приходится иметь дело не с одной, а одновременно с несколькими системами координат, важнейшими из которых являются следующие три:

1. Координатная система станка. Система координат станка является главной расчетной системой, в рамках которой определяются предельные перемещения исполнительных органов станка, а также их исходные и текущие положения. У различных станков с ЧПУ в зависимости от их типа и модели координатные системы располагаются по-разному. Начало отсчета этой системы координат находится в определенной производителем станка точке и не подлежит изменению пользователем. Точка, представляющая собой начало отсчета координатной системы станка, называется нулем станка или нулевой точкой станка.

2. Координатная система детали. Система координат детали является главной системой для программирования обработки и назначается чертежом или эскизом технологической документации. Она имеет свои оси координат и свое начало отсчета, относительно которого определены все размеры детали и задаются координаты всех опорных точек контуров детали. Опорными точками в этом случае считаются точки начала, конца и пересечения или касания геометрических элементов детали, которые образуют ее контур и влияют на траекторию инструмента на технологических переходах. Точка начала отсчета координатной системы детали называется нулем детали или нулевой точкой детали.

3. Координатная система инструмента. Система координат инструмента предназначена для задания положения его режущей части относительно державки в момент обработки. Началом отсчета координатной системы инструмента является точка, от которой начинается запрограммированное перемещение рабочего инструмента. Эта точка называется нулем инструмента или нулем обработки. Как правило, координаты нуля обработки задаются в координатной системе детали, но при этом координаты нуля обработки могут не совпадать с нулем детали.

При разработке технологического процесса обработки детали на станке с ЧПУ необходимо определить исходную точку перемещений, с которой начинается выполнение команд управляющей программы. Наиболее желательно такое расположение исходной точки перемещений, при котором она совпадает с нулем инструмента, а координатные оси детали и станка параллельны друг другу. В этом случае процесс программирования траекторий перемещения исполнительных органов станка значительно упрощается и, следовательно, снижается вероятность появления ошибок в управляющей программе.

Нулевые и исходные точки основных систем координат, используемых при работе на станках с ЧПУ, как правило, имеют специальные обозначения, с помощью которых указывается их расположение на пульте станка или на эскизах технологической документации. Эти обозначения обычно состоят из пиктограммы и прописной буквы латинского алфавита. К сожалению, в отечественных государственных стандартах эти обозначения не определены. Существует лишь несколько отраслевых стандартов (например, в авиационной промышленности), но они плохо согласуются между собой.

В отечественной технической литературе по ЧПУ у разных авторов нулевые точки основных систем координат обозначены по-разному - в зависимости от того, какую систему ЧПУ они принимали за основу. Поэтому специалисту надо быть готовым к тому, что он встретит на пульте станка или в документации непривычную для себя систему условных обозначений. В данном учебном пособии принята система, принятая в Германии, которая является европейским лидером по станкам с ЧПУ (см. табл. 1.1).

В связи с тем, что нет общепринятой системы условных обозначений и их расшифровки, в приведенной таблице для некоторых обозначений дается не одно значение, а два наиболее распространенных.

Таблица 1

Пиктограмма	Буквенное обозначение	Значение
	M	Нулевая точка станка (нуль станка, машинная нулевая точка)
	R	Исходная точка станка (относительная нулевая точка)
	W	Нулевая точка заготовки (нулевая точка детали)
	E	Нулевая точка инструмента (исходная точка инструмента)
	B	Точка установки инструмента
	N	Точка смены инструмента

Нулевая точка станка M. Нулевая точка станка M является исходной точкой системы координат, относящейся к данному станку. Положение этой точки на станке устанавливается производителем и не подлежит изменению. Обычно точку М совмещают с базовой точкой исполнительного органа, несущего заготовку, находящегося в положении, при котором все перемещения исполнительных органов будут находиться в области положительных значений координат.

Как правило, у токарных станков точка М располагается на оси вращения шпинделя на его базовом торце; у вертикально-фрезерных станков - на левом углу рабочего стола с лицевой стороны станка.

А) Б)

Рис. 1.15. Расположение нулевых точек на токарном (А) и на вертикально-фрезерном (Б) станке с ЧПУ

Исходная точка станка R. Исходная точка станка R используется для контроля над перемещениями исполнительных органов станка при отсчете перемещений в приращениях (в относительной системе координат). Координаты точки R имеют постоянное значение относительно точки М, при этом положение точки R по каждой оси координат фиксируется датчиком и учитывается управляющей программой. С помощью точки R устанавливается связь между нулевой точкой станка М и точкой автоматического выхода в нуль следящих приводов подач после каждого включения и выключения питания на станке. После включения питания на станке для калибровки системы отсчета относительных перемещений необходимо по каждой оси координат вывести исполнительные органы в точку R.

Нулевая точка заготовки W. Нулевая точка заготовки W является началом системы координат заготовки. Ее расположение в системе координат станка назначается свободно, исходя из особенностей процесса обработки данной заготовки. Из практических соображений обычно стремятся к совмещению точки W с началом отсчета размеров на чертеже. В этом случае при составлении управляющей программы можно использовать размерные данные непосредственно с чертежа.

Например, при токарной обработке (рис. 1.16) точку W, как правило, назначают по оси вращения шпинделя по левому или правому торцу заготовки (в зависимости от относительного расположения инструмента). Расположение точки W в процессе обработки одной заготовки может меняться, если, например, заготовка обрабатывается с двух сторон.

Рис. 1.16. Расположение нулевой точки заготовки при работе на токарном станке с ЧПУ

Рис. 1.17. Расположение нулевой точки заготовки при работе на фрезерном станке с ЧПУ

На чертежах фрезерных деталей за базу при простановке размеров обычно принимается один из углов ее наружного контура. Этот же угол рекомендуется выбирать для назначения нулевой точки заготовки W при составлении управляющей программы для фрезерной обработки (см. рис. 1.17).

Нулевая точка инструмента E. Нулевая точка инструмента Е является базовой точкой элемента станка, несущего державку с инструментом. Положение этой точки на станке устанавливается производителем и не подлежит изменению. Обычно нулевая точка инструмента располагается:

· у токарных станков - на пересечении оси державки револьверной головки и торца револьверной головки;

· у фрезерных станков - на пересечении оси шпинделя и его торца.

При проведении наладки станка расположение вершины режущей части закрепленного в державке инструмента должно быть точно измерено или выставлено относительно нулевой точки инструмента. Вершина режущей части инструмента характеризуется радиусом закругления R и координатами расположения теоретической вершины P в координатной системе инструмента. Настройка инструмента производится либо на самом станке - обычно при помощи оптической измерительной системы, либо вне станка - при помощи специального приспособления для установки инструментов. При этом если настройка производится на самом станке, то данные измерений координат вершины режущей части инструмента заносятся автоматически в систему ЧПУ станка с помощью клавиш пульта управления.

Специальное приспособление для установки инструментов имеет такое же посадочное место для державки с инструментом и такую же базовую точку для инструмента, что и станок. Инструмент в сборе с державкой устанавливается в данном приспособлении, после чего производится измерение координат вершины режущей части инструмента. Затем данные измерений заносятся вручную в систему ЧПУ станка.

При настройке инструмента вне станка используются еще одна исходная точка, относящаяся к координатной системе инструмента. Это точка установки инструмента В.

Точка установки инструмента В является базовой точкой для инструмента в сборе с державкой (см. рис. 1.19 и рис. 1.20). Она используется в том случае, когда державка с инструментом не установлена на станке, например, при наладочных работах вне станка. При установке державки с инструментом на станке точка В, как правило, совмещается с нулевой точкой инструмента Е.

Рис. 1.19. Расположение точки установки инструмента на токарном станке с ЧПУ

Рис. 1.20. Расположение точки установки инструмента на фрезерном станке с ЧПУ

Точка cмены инструмента N. Точка cмены инструмента N является координатной точкой в рабочем пространстве станка, в которой происходит cмена одного инструмента на другой. В большинстве систем ЧПУ положение точки замены инструмента является переменной величиной и назначается при составлении управляющей программы.

1.6 Установка нулевой точки заготовки на токарном станке с ЧПУ

Нулевая точка заготовки W при работе на токарном станке с ЧПУ обычно располагается на оси шпинделя на некотором удалении от нулевой точки станка М, то есть в системе координат токарного станка, как правило, X_w = 0. Величина смещения точки W относительно точки М по оси Z является в значительной степени произвольной и зависит во многом от квалификации разработчика программы. Желательно, чтобы нулевая точка заготовки была совмещена с нулевой точкой детали на чертеже. В этом случае можно непосредственно использовать указанные на чертеже размерные цепи при составлении управляющей программы.

Рис. 1.21. Установка нулевой точки заготовки на токарном станке с ЧПУ

Расположение нулевой точки заготовки задается относительно нулевой точки станка М.

Нуль токарного станка в стандартной системе координат располагается на оси вращения шпинделя на его базовом торце (рис. 1.21).

Расстояние между нулем станка M и нулем заготовки W называется смещением нуля отсчета и обозначается как Zw. Численное значение смещения нуля отсчета должно быть обязательно учтено в управляющей программе.

Последовательность действий при установке нулевой точки заготовки на токарном станке с ЧПУ. Предварительные условия для установки:

· геометрические размеры режущей части необходимых для обработки режущих инструментов измерены и учтены в управляющей программе;

· отобранные инструменты закреплены в зажимных устройствах револьверной головки и выставлены в поперечном направлении;

· вылеты инструментов относительно револьверной головки измерены и учтены в управляющей программе;

· заготовка должным образом закреплена в шпинделе.

1. Убедиться, что при повороте револьверной головки исключено столкновение инструментов с закрепленной заготовкой и деталями станка.

2. Включить вращение шпинделя, выбрав направление вращение, соответствующее расположению режущих инструментов относительно закрепленной заготовки.

3. При помощи соответствующей команды с управляющего пульта переместить один из закрепленных в револьверной головке резцов (например, подрезной) в рабочее положение.

4. Осторожно подвести рабочий инструмент к свободной от шпинделя наружной торцевой поверхности заготовки либо при помощи ручного управления, либо при помощи соответствующих клавиш на пульте станка. Коснуться вершиной режущей части инструмента поверхности вращающейся заготовки до появления заметного визуально следа и остановить перемещение инструмента.

5. Определить по системе индикации ЧПУ текущее значение положения суппорта станка по оси Z.

6. Ввести данное значение координаты в качестве смещения нуля отсчета в систему ЧПУ и нажать клавишу обнуления системы отсчета координат. Если необходимо учесть припуск на обработку торцевой поверхности заготовки, то его рекомендуется учесть заранее перед вводом координаты текущего положения суппорта в систему ЧПУ, внеся соответствующую коррекцию в численное значение этой координаты.

1.7 Установка нулевой точки заготовки на фрезерном станке с ЧПУ

Нулевая точка заготовки W при работе на фрезерном станке с ЧПУ может располагаться в любом месте в пределах рабочей зоны станка. Желательно, чтобы, как и в случае токарной обработки, нулевая точка заготовки была совмещена с нулевой точкой детали на чертеже.

Для упрощения разработки управляющей программы при выборе координат расположения нулевой точки заготовки и ориентации ее координатной системы рекомендуется руководствоваться следующими правилами:

· нуль заготовки назначать таким образом, чтобы все или как можно большая часть опорных точек имели положительные значения координат;

· координатные оси заготовки совмещать с осями симметрии детали или с выносными линиями, относительно которых проставлено наибольшее количество размеров;

· координатные плоскости заготовки совмещать с поверхностями технологических баз или располагать параллельно;

· направление осей координат заготовки совмещать с направлением осей координат станка.

В качестве примера рассмотрим вариант назначения нулевой точки заготовки, закрепленной на рабочем столе вертикально фрезерного станка, который соответствует вышеперечисленным критериям.

Рис. 1.22. Установка нулевой точки заготовки на вертикально фрезерном станке с ЧПУ

Расположение нулевой точки заготовки задается относительно нулевой точки станка М.

Нуль вертикально фрезерного станка с ЧПУ в стандартной системе координат располагается обычно над левым краем рабочего стола с лицевой стороны станка (рис. 1.22).

Расстояние между нулем станка M и нулем заготовки W называется смещением нуля отсчета, определяется как смещение по каждой из трех осей координат и обозначается как Xw, Yw и Zw. Численные значения смещения нуля отсчета должны быть обязательно учтены в управляющей программе.

Последовательность действий при установке нулевой точки заготовки на фрезерном станке с ЧПУ. Предварительные условия для установки:

· геометрические размеры режущей части необходимых для обработки режущих инструментов измерены и учтены в управляющей программе;

· отобранные инструменты закреплены в устройстве автоматической смены инструмента;

· вылеты инструментов относительно устройства автоматической смены инструмента учтены в управляющей программе (если станок не укомплектован устройством коррекции вылета инструмента);

· заготовка установлена и надежно закреплена на рабочем столе в положении, при котором ее оси координат параллельны осям координат станка;

· первый по порядку применения инструмент установлен и закреплен в шпинделе;

· вращение шпинделя включено.

А) Б) В)

Рис. 1.23. Установка нулевой точки заготовки по оси Z (А), по оси Х (Б) и по оси Y (В)

Установка нулевой точки заготовки по оси Z:

1. Убедиться, что нижний торец рабочего инструмента гарантированно расположен выше верхней поверхности заготовки.

2. При помощи ручного управления или соответствующих клавиш на пульте станка переместить заготовку в плоскости XY под рабочий инструмент.

3. Осторожно подвести рабочий инструмент к верхней плоскости заготовки, коснуться поверхности заготовки вершиной режущей части инструмента до появления заметного визуально следа и остановить перемещение инструмента.

4. Определить по системе индикации ЧПУ текущее значение положения шпинделя станка по оси Z.

5. Ввести данное значение координаты в качестве смещения нуля отсчета в систему ЧПУ и нажать клавишу обнуления системы отсчета координат. Если необходимо учесть припуск на обработку верхней плоскости заготовки, то его рекомендуется учесть заранее перед вводом координаты текущего положения шпинделя в систему ЧПУ, внеся соответствующую коррекцию в численное значение этой координаты.

Установка нулевой точки заготовки по оси X:

6. При помощи ручного управления или соответствующих клавиш на пульте станка переместить рабочий инструмент вверх по оси Z на высоту, исключающую его соприкосновение с заготовкой.

7. Переместить заготовку вдоль оси X в сторону отрицательных значений координат в положение, при котором диаметральный габарит режущей части рабочего инструмента с гарантированным зазором выходит за габарит заготовки в указанном направлении.

8. Переместить рабочий инструмент по оси Z вниз до положения, при котором режущая часть инструмента будет расположена ниже верхней плоскости заготовки.

9. Осторожно подвести рабочий инструмент по оси X к боковой поверхности заготовки, коснуться поверхности заготовки вершиной режущей части инструмента до появления заметного визуально следа и остановить перемещение инструмента.

10. Определить по системе индикации ЧПУ текущее значение положения шпинделя станка по оси X.

11. Пересчитать данное значение координаты с учетом радиуса режущей части инструмента и внести полученное значение в систему ЧПУ в качестве смещения нуля отсчета. Например, если радиус фрезы равен 15 мм, то в систему ЧПУ вносится значение Xw = - 15.

12. Нажать клавишу обнуления системы отсчета координат на пульте управления станка.

Установка нулевой точки заготовки по оси Y. Порядок установки нулевой точки заготовки по оси Y полностью идентичен порядку установки по оси X.

Примечание: если по каким-либо причинам контакт режущего инструмента с заготовкой при установке нулевых точек должен быть исключен, то настройка производится при выключенном шпинделе с помощью концевых мер длины или измерительных индикаторов.

2. Числовое программное управление станков

2.1 Траектория движений инструмента

Любую траекторию перемещения, которую должен пройти режущий инструмент при механообработке, можно разложить на элементарные перемещения из отрезков прямых линий и дуг окружности. Такие перемещения в ЧПУ называются интерполяциями (от латинского слова interpolatio - "обновление", "изменение"). Все производимые в настоящее время системы ЧПУ оснащаются специальным электронным блоком - интерполятором, благодаря которым они имеют способность управлять взаимным перемещением инструмента и заготовки по прямой линии или по окружности путем автоматического расчета промежуточных точек траектории выполняемого перемещения.

Современные изделия, производимые на станках с ЧПУ, отличаются разнообразной и сложной формой, часто состоящей из параболических, винтовых или сплайновых поверхностей (сплайн - это гладкая кривая, которая проходит через заданный набор точек в прямоугольной системе координат). Каждую такую поверхность также можно представить в виде сочетания элементарных отрезков прямых линий и круговых дуг. Но при этом количество элементарных перемещений становится неоправданно большим, а управляющая программа громоздкой и сложной (объем такой управляющей программы может составить больше 100 мегабайт и более). Для того чтобы многократно уменьшить и упростить управляющую программу по обработке поверхностей сложной формы, системы ЧПУ большинства современных станков оснащаются не только линейными и круговыми интерполяторами, но и винтовыми, параболическими, сплайновыми и т.п.

Если на станке с ЧПУ необходимо выполнить прямолинейное перемещение инструмента (линейную интерполяцию) вдоль одной из осей координат станка, то такое перемещение система ЧПУ исполняет включением привода подач по данной оси, а по другим осям привод подач не включается. Если же необходимо выполнить круговую интерполяцию или линейную интерполяцию в направлении, непараллельном какой-либо оси координат, то механизм работы системы ЧПУ существенно усложняется.

В этом случае система ЧПУ реализует перемещение инструмента при помощи аппроксимации. Под аппроксимацией в теории ЧПУ понимается замена одной функциональной зависимости на другую более простую функцию с определенной степенью точности. В данном случае аппроксимация сводится к тому, что вместо одного прямолинейного перемещения или перемещения по дуге от исходной точки до точки с заданными координатами система ЧПУ задает инструменту перемещения по ломаной линии, элементарные отрезки которой параллельны координатным осям.

На рис. 1.26 показан случай прямолинейного перемещения режущего инструмента (линейная интерполяция), на рис. 1.27 - аппроксимация данного перемещения системой ЧПУ станка. На рис. 1.28 - случай перемещения режущего инструмента по дуге окружности (круговая интерполяция), на рис. 1.29 - его аппроксимация.

Рис. 1.26. Прямолинейное перемещение режущего инструмента (линейная интерполяция)



Рис. 1.27. Аппроксимация линейной интерполяции

Рис. 1.28. Перемещение режущего инструмента по дуге (круговая интерполяция)

Рис. 1.29. Аппроксимация круговой интерполяции

На рисунках 1.27 и 1.29 линиями от точки a до точки b показаны траектории перемещения инструмента, заданные управляющей программой. Отрезками от X1 до Xi и от Y1 до Yi показаны замены заданного перемещения на элементарные перемещения соответственно вдоль координатных осей X и Y. Как видно из изображений элементарные перемещения не всегда одинаковы по своей величине в процессе одного заданного перемещения. Система ЧПУ сама определяет величину каждого элементарного перемещения, исходя из двух условий:

· отклонение траектории элементарного перемещения от траектории заданного перемещения не должно превышать установленную программой величину аппроксимации (общепринятым считается погрешность аппроксимации равная 15-25 % всего поля допуска на неточность обработки данного размера);

· элементарные перемещения вдоль разных координатных осей должны быть так согласованы между собой, чтобы они одновременно начались в исходной точке и прекратились также одновременно при достижении конечной точки заданного перемещения.

2.2 Классификации систем ЧПУ

Существуют различные классификации систем ЧПУ - в зависимости от группы рассматриваемых признаков. Наиболее известны следующие классификации:

· по уровню технических возможностей;

· по технологическому назначению;

· по числу потоков информации;

· по принципу задания программы;

· по типу привода;

· по числу одновременно управляемых координат.

Например, при классификации систем ЧПУ по технологическому назначению определяющим признаком является тип и количество программируемых перемещений исполнительных органов станка. По этому признаку системы ЧПУ подразделяются на следующие виды:

· позиционные;

· прямоугольные;

· формообразующие;

· контурно-позиционные.

В отечественных стандартах на станки с ЧПУ принято учитывать в обозначении станка установленный на нем вид системы ЧПУ. Станки с позиционными и прямоугольными системами управления имеют индекс "Ф 2", станки с формообразующими системами - индекс "Ф 3", многоцелевые (сверлильно-фрезерно-расточные) станки с контурно-позиционными системами управления - индекс "Ф 4".

Ниже показаны примеры обозначения некоторых станков и систем ЧПУ.

Система ПУ	Условное обозначение	Примеры
		Модель станка	Наименование
Цифровая индикация с предварительным набором координат	Ф 1	6560Ф 1 3ЕЭ 11ВФ 1	Фрезерный станок с устройством цифровой индикации Плоскошлифовальный станок высокой точности с цифровой индикацией и преднабором координат подач
Позиционная система ЧПУ	Ф 2	2Н 55Ф 2 2А 622Ф 2	Радиально-сверлильный станок Горизонтально-расточной станок
Контурная система. ЧПУ	Ф 3	16К 20Ф 3 6Р 11Ф 3	Токарный станок Фрезерный станок
Комбинированная система ЧПУ	Ф 4	53А 20Ф 4 243ВФ 4	Зубофрезерный полуавтомат Сверлильно-фрезерно-расточной станок
Цикловая система управления	Ц	171Ц	Токарный многорезцово-копировальный полуавтомат
Оперативная система управления	Т	16К 20Т 1	Токарный станок

Ниже показаны примеры отечественных систем ЧПУ для станков основных групп.

Таблица. Примеры отечественных УЧПУ для станков основных групп

Станки	Устройства ЧПУ
	3-го поколения	3-го поколения с расшир. функциями	4-го поколения (микропроцессорные)	5-го поколения (микропроцессорные многоцелевые)
Токарные	Н 22	1Н 22	1Р-22 НЦ-31 2Р-32	ИЦО-П ИЦО-ПБ НЦ-80-31 "Размер-5" 2С 85-61 2У 32-61
Фрезерные	Н 33	1Н 33-6	2У-32 2Р-32
Сверлильно-расточные	2П 32-8 3П 32-3М	2П 52 2П 62-3Н "Размер 2М"
Шлифовальные	ПШ-13
Многоцелевые обрабатывающие центры		У 85 "Размер-4"	2С 42 2С 85

Из Иностранных систем ЧПУ можно отметить FANUC (Япония), BOСH (Германия), Sinumeric и др.

Ниже приводятся характеристика и назначение разновидностей различных систем ЧПУ.

Рис. 1.30. Позиционная система ЧПУ

Позиционные системы ЧПУ представляют собой наиболее простой вид управляющей системы. По каждой координатной оси программируется только величина перемещения исполнительного органа до заданной позиции, а траектория перемещения может быть произвольной. Перемещение из позиции в позицию совершается на максимальной скорости. Перемещение в процессе обработки после достижения заданной позиции допускается исключительно по прямой линии и с рабочей подачей.

Позиционные системы ЧПУ используются, когда обработка происходит только в определенных позициях на плоскости, например, в сверлильных и координатно-расточных станках.

Рис. 1.31. Прямоугольная система ЧПУ

Прямоугольные системы ЧПУ программируют перемещения исполнительных органов станка только поочередно вдоль одной из координатных осей. Скорость подачи при перемещении в заданную позицию и в процессе обработки задается управляющей программой.

Прямоугольные системы ЧПУ используются в тех случаях, когда обрабатываемые контуры заготовки можно расположить параллельно осям координат, например, при продольном точении или плоскопараллельной фрезеровке.

Формообразующие системы ЧПУ реализуют движение исполнительного органа станка одновременно по двум и более осям координат, за счет чего появляется возможность производить обработку контуров и поверхностей сложной формы. В данных системах используют многокоординатный (как минимум двух координатный) интерполятор, выдающий управляющие сигналы сразу на соответствующее количество приводов подач.

Рис. 1.32. Формообразующая система ЧПУ

Прямоугольные и формообразующие системы ЧПУ относятся к контурным (непрерывным) системам. Контурные системы ЧПУ обеспечивают автоматическое перемещение исполнительных органов станка по управляющей программе, которая задает траекторию перемещения и контурную скорость, с которой оно выполняется. Многоцелевые (сверлильно-фрезерно-расточные) станки с ЧПУ оснащаются, как правило, гибридными контурно-позиционными системами управления, позволяющие оптимизировать управление станка в зависимости от вида обработки.

Формообразующие системы ЧПУ в настоящее время являются наиболее распространенным видом ЧПУ. Они имеют несколько уровней сложности, в зависимости от количества одновременно управляемых осей координат:

· 2D-формообразующие;

· 2ЅD-формообразующие;

· 3D-формообразующие;

· 4D- формообразующие;

· 5D- формообразующие.

Рис. 1.33. 2D-формообразующая система ЧПУ

2D - формообразующая система ЧПУ осуществляет одновременное управление двумя осями координат станка. В результате на станке можно выполнять перемещения исполнительных органов по прямой линии и по дуге. Обычно данная система ЧПУ применяется на токарных станках (см. рис. 64). На фрезерных станках 2D-формообразующая система ЧПУ, как правило, не устанавливается, т.к. фрезерный станок имеет три оси координат, и одна из осей станка остается без управления системой ЧПУ. Например, если система ЧПУ управляет осями X и Y, то без управления остается ось Z (рис. 1.33).

Рис. 1.34. 2ЅD-формообразующая система ЧПУ (управляемые перемещения в плоскости XY)

...