Принцип работы ЧПУ
Прежде чем понять принцип работы ЧПУ систем, для начала стоит почитать техническое описание автоматизированных систем. Подробно о принципе ЧПУ внутри статьи.
Основы числового программного управления
Для более четкого понимания всех возможных проблем, связанных с успешным применением данных, для выполнения механической обработки или резания с применением станков с ЧПУ, вам необходимо иметь представление о процессе и принципах числового программного управления. Надеемся, что этот небольшой справочный материал поможет вам понять принцип работы станков с ЧПУ.
Для начала — несколько определений
ЧПУ — Числовое Программное Управление. Принцип ЧПУ заключается в получении оцифрованных данных, после чего компьютер или САМ-программа обеспечивает управление, автоматизацию и мониторинг движений элементов машины. В роли машины может выступать токарный или фрезерный станок, роутер, сварочный автомат, шлифовальный станок, установка лазерной или водоструйной резки, листоштамповочный автомат, робот либо оборудование других типов. На крупногабаритных промышленных станках в качестве встроенного устройства управления обычно выступает компьютер. Но на большинстве станков любительского уровня или некоторых модернизированных моделях устройством управления может являться отдельный персональный компьютер. Контроллер ЧПУ функционирует совместно с электродвигателями и Настольный ЧПУ станок бывает нескольких разновидностей, предназначенных для любителей/макетчиков/моделистов. Такие станки имеют меньшую массу и уровень прочности, точности обработки и скорости работы и, кроме того, они дешевле своих промышленных аналогов, но при этом могут хорошо справляться с механической обработкой различных предметов, изготовленных из мягких материалов (пластик, пенопласт, воск). Работа некоторых настольных станков с ЧПУ может во многом напоминать работу принтера. Другие же имеют собственную замкнутую систему управления или даже встроенную специализированную CAM-программу. Некоторые модели также могут принимать данные в виде стандартного g-кода. Существуют промышленные станки настольного типа, предназначенные для выполнения мелких работ, требующих особой точности обработки, оснащенные специализированными устройствами числового программного управления.
CAM — автоматизированная механическая обработка или автоматизированное производство. Данный термин относится к применению различных пакетов ПО для управления траекторией движения режущего инструмента и генерации управляющей программы для работы станков с ЧПУ, основанных на использовании данных, получаемых путем компьютерного 3D-моделирования (CAD-файлы). В случаях когда два описанных понятия используются вместе, обычно применяется сокращение CAD/CAM.
Примечание: CAM-программа фактически не управляет станком с ЧПУ, а только создает программный код, которому следует станок.
Также это не автоматическая операция, которая импортирует 3D-модель и генерирует корректную управляющую программу. CAM-программирование, как и 3D-моделирование, требует наличия определенных знаний и опыта использования ПО такого типа, разработки технологий механической обработки, а также знаний о том, какие виды инструментов и технологических операций необходимо применять в той или иной ситуации для достижения наилучших результатов. Существует ряд несложных программ, позволяющих начинающим пользователям начать работать с ними без особых затруднений. Но есть и более сложные версии, которые требуют вложений времени и финансов для достижения максимальной эффективности их использования.
Управляющая программа — особый относительно простой машинный язык, который может понимать и исполнять станок с ЧПУ. Чтобы понимать принцип работы ЧПУ, очень важно понимать как подобная система управляется. Такие машинные языки изначально разрабатывались для непосредственного программирования обработки деталей путем ввода команд с клавиатуры станка без использования CAM-программ. Они указывают станку, какие движения он должен совершать, одно за другим, также осуществляют контроль выполнения станком других его функций, таких как скорость подачи, частота вращения шпинделя, подача СОЖ. Наиболее распространенным языком подобного рода является G-код или ISO-код — простой буквенно-цифровой язык программирования, разработанный в начале 1970-х годов для первых станков с ЧПУ. Подробнее о G-кодах в статье «Описание G»
Постпроцессор. В то время как g-код рассматривается в качестве стандартного машинного языка для станков с ЧПУ, любой производитель может изменять отдельные его части, такие как использование дополнительных функций, создавая ситуации, при которых g-код, разработанный для одного станка, может не работать для другого. Существует также множество производителей станков, разработавших собственные языки программирования. В связи с этим, для перевода данных траекторий движения инструмента, рассчитанных внутри CAM-программы, в особый код управляющей программы с тем, чтобы станок с ЧПУ мог понимать эти данные, существует связующее программное обеспечение, называемое постпроцессором. Постпроцессор, единожды сконфигурированный должным образом, генерирует соответствующий код для выбранного станка, который, по крайней мере теоретически, позволяет управлять любым станком с помощью любой CAM-программы. Принцип работы ЧПУ станков позволяет поставлять постпроцессоры вместе с CAM-программой бесплатно либо за отдельную плату.
Общие сведения о станках с ЧПУ
Станки с ЧПУ могут иметь несколько осей перемещения, а сами движения могут быть линейными либо поворотными. Многие станки совмещают в себе оба вида движения. Станки, предназначенные для резки, такие как установки лазерной или водоструйной резки, как правило, имеют всего две линейные оси — X и Y. Фрезерные станки обычно имеют как минимум три оси — X, Y и Z, а также могут иметь дополнительные поворотные оси. Фрезерный станок, имеющий пять осей перемещения — это станок с тремя линейными и двумя поворотными осями, позволяющий фрезе совершать технологические операции под углом 180º (в полусфере), а иногда и под большими углами. Также существуют установки лазерной резки, имеющие пять осей перемещения. Робот-манипулятор может иметь более пяти осей.
Некоторые ограничения для станков с ЧПУ
В зависимости от возраста и сложности конструкции, станки с ЧПУ могут иметь определенные ограничения в части функциональных возможностей систем управления и приводных систем. Большинство контроллеров ЧПУ понимают только движения строго по прямой линии или по кругу. Во многих станках перемещения по кругу ограничены главными плоскостями координатных осей XYZ. Перемещения по поворотной оси могут восприниматься контроллерами как линейные перемещения, только вместо расстояния будут использоваться градусы. Для создания перемещений по круговой дуге или линейных перемещений, проходящих под углом по отношению к главным координатным осям, две или более оси должны интерполироваться (их движения должны быть точно синхронизированы) между собой. Линейные и поворотные оси могут также одновременно интерполироваться. В случае использования станка, имеющего пять координатных осей, все пять осей должны быть идеально синхронизированы друг с другом, что является непростой задачей.
Скорость, с которой контроллер станка способен получать и обрабатывать входящие данные, передавать команды на драйверы, а также отслеживать скорость и положение рабочих органов, является критически важным показателем. Более старые и бюджетные модели станков, очевидно, обладают менее высокими показателями, что во многом схоже с тем, насколько менее производительными являются старые модели компьютеров в части выполнения требуемых операций по сравнению с их более современными аналогами.
Сначала интерпретируйте данные 3D-моделей и сплайнов
Наиболее часто возникающая проблема заключается в организации файлов и кода CAM-программы таким образом, чтобы станок, выполняющий обработку заготовок, работал с заложенными в него данными плавно и эффективно. Так как многие контроллеры ЧПУ понимают только формы дуги и прямой линии, любую другую геометрическую форму, которую невозможно описать в данном языке программирования, необходимо конвертировать в более применимую. Обычно конвертации подвергаются сплайны, то есть общие неоднородные рациональные B-сплайны, которые не являются дугами или линиями, а представляют собой трехмерные поверхности. Некоторые станки настольного типа также не способны воспринимать дуги окружности, поэтому все подобные фигуры необходимо конвертировать в полилинии.
Сплайны могут быть разбиты на ряд линейных сегментов, касательных дуг или их сочетание. Вы можете представить себе первый вариант в виде серии хорд на вашем сплайне, касающихся его концами и имеющих определенное отклонение в середине. Другим способом конвертации является преобразование вашего сплайна в полилинию. Чем меньше сегментов вы используете в процессе преобразования сплайна, тем грубее будет аппроксимация, а результат преобразования будет состоять из отрезков большего размера. Использование более мелкого масштаба сглаживает аппроксимацию, но при этом значительно увеличивается и количество сегментов. Представьте себе, что серия дуг могла бы сгладить ваш сплайн в пределах допустимых значений с использованием небольшого количества длинных отрезков. Данный факт является главной причиной того, что преобразование сплайнов в дуги предпочтительнее, нежели преобразование в полилинии, особенно в если вы работаете на станках старых моделей. С более современными моделями станков в этом плане возникает меньше проблем.
Представьте себе поверхности с тем же уровнем аппроксимации сплайнов, только многократно увеличенные и с разрывом между ними (обычно называемым перемещением инструмента между проходами). Обычно поверхности создаются с применением только линейных сегментов, но бывают ситуации, при которых могут также использоваться дуги или сочетания прямых линий и дуг.
Размер и количество сегментов определяются требуемым уровнем точности обработки, а также применяемым методом, и напрямую влияют на качество обработки. Слишком большое количество коротких сегментов может привести к сбою в работе станков старых моделей, а слишком малое — к появлению на заготовке слишком больших граней. CAM-программы обычно применяются в тех случаях, когда необходим подобный уровень аппроксимации. У опытных операторов станков, понимающих требования к детали и знающих, какие операции способен выполнить станок, обычно не возникает с этим проблем. Но некоторые CAM-программы не способны выполнить обработку тех или иных сплайнов или определенных типов поверхностей, поэтому вам может понадобиться предварительное конвертирование данных в CAD-программе (Rhino) перед использованием CAM-программы. Процесс перевода данных из CAD-программы в CAM-программу (посредством использования нейтрального файлового формата — IGES, DXF и т.д.) также может вызвать определенные проблемы, в зависимости от качества функций импорта/экспорта самих программ.
Общепринятые термины, используемые при описании станков с ЧПУ
Поняв принцип ЧПУ, следует убедиться, что вы имеете представление об основных терминах, часто использующихся в станкооборудовании. Следует понимать, что ваш проект может быть:
2-осевым, в случае если резание производится в одной плоскости. В данном случае инструмент не имеет возможности двигаться по плоскости оси Z (вертикальной). В целом координатные оси X и Y могут быть одновременно интерполированы между собой для формирования линий и дуг окружностей.
2,5-осевым, если резание производится в плоскостях, параллельных главной плоскости, но необязательно на той же высоте и глубине. При этом для изменения уровня инструмент может двигаться по плоскости оси Z (вертикальной), но не одновременно с перемещением по осям X и Y. Исключение могут составлять случаи, когда траектория движения инструмента может интерполироваться спирально, то есть описывать круг в плоскостях X и Y, одновременно двигаясь по оси Z для создания винтовой линии (например, при резьбофрезеровании).
Разновидностью вышеуказанного способа интерполяции является способ, при котором станок может интерполировать движение в двух любых плоскостях одновременно, но не в трех. Данный способ интерполяции позволяет проводить обработку ограниченного количества разновидностей трехмерных объектов, напрмиер, путем фрезерования в плоскостях XZ или YZ, но является более ограниченным по сравнению с трехосевой интерполяцией.
3-осевым, если для необходимой технологической операции требуется одновременное управляемое перемещение режущего инструмента в трех координатных осях — X,Y,Z, что необходимо для обработки большинства поверхностей произвольной формы.
4-осевым, если он включает в себя перемещение по трем осям, указанным выше, плюс перемещение по одной поворотной оси. Тут есть два варианта: одновременная 4-осевая интерполяция (полноценная 4-я ось) либо только позиционирование по 4-й оси, при котором 4-я ось может менять положение заготовки, перемещая ее между тремя координатными осями, фактически не перемещаясь в процессе обработки. 5-осевым, если он включает в себя перемещение по трем осям, указанным выше, плюс перемещение по двум поворотным осям. Кроме полноценной обработки в 5 осях (5 осей перемещаются одновременно), в вашем распоряжении часто есть вариант обработки с применением 3-х осей плюс еще 2 дополнительные оси или 3-осевая механическая обработка + позиционирование с помощью 2-х независимых осей. Также в редких случаях есть вариант обработки с применением 4-х осей плюс одной дополнительной оси или непрерывная механическая обработка по 4 осям + позиционирование по 5-й оси. Звучит запутанно, не правда ли?