Что такое числовое программное управление (ЧПУ): как оно работает и где используется

Компьютерное числовое управление или ЧПУ, стенды как одно из самых влиятельных изобретений в производстве за последнее столетие. Оно изменило работу фабрик и мастерских, переместив труд с чисто физических задач на более квалифицированный контроль. Это изменение позволило производителям повысить скорость производства, усилить контроль качества и взяться за более сложные конструкции, чем когда-либо прежде.

В этой статье мы рассмотрим, что такое ЧПУ, как оно выполняет свою работу, где оно применяется в реальных условиях и какое будущее его может ожидать.

Что такое числовое программное управление?

Числовое программное управление (ЧПУ) – это система, в которой компьютер управляет движением режущих и формовочных станков. Станок с ЧПУ может выполнять ряд задач —бурение, резка, фрезерование или измельчениия— просто загрузив другую компьютерную программу. Такая гибкость устраняет необходимость в замене оборудования при изготовлении новых деталей.

Термин «числовой» в ЧПУ означает, что станок считывает числовые данные — координаты, скорости и углы — для управления инструментами. Управляющий компьютер интерпретирует эти данные и преобразует их в точные движения. Производители могут изменять размер или форму детали, просто редактируя программу, не прикасаясь к самому станку.

Краткая история ЧПУ

Первые системы числового программного управления появились в конце 1940-х годов и использовали перфоленту для хранения простых команд. Эти команды приводили в движение кулачки и шестерни станков, выполняя простые операции резки. Инженеры Джон Парсонс и Фрэнк Стулен Один из первых настоящих методов ЧПУ был разработан в 1950-х годах, когда компания Sikorsky работала над вертолётами. Развитие современных компьютеров в 1960-х и 1970-х годах позволило программистам создавать более гибкое программное обеспечение. Современные станки с ЧПУ используют микропроцессоры и сложные пользовательские интерфейсы вместо физических лент.

Основные части системы ЧПУ

Типичная установка ЧПУ состоит из четырех основных элементов:

Устройство управления

Блок управления станком (MCU) действует как «мозг» станка с ЧПУ. Он считывает программу, которая указывает станку, как двигаться. Он посылает сигналы, которые вращают станок. шпинделей, перемещать столы и управлять насосами или лазерами. Он также отслеживает сигналы от датчиков, чтобы корректировать движения в режиме реального времени.

Интерфейс программного обеспечения

Дизайнеры используют Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (САПР) для рисования деталей в 2D или 3D. Затем они переключаются на Автоматическое производство Программное обеспечение (CAM), которое преобразует эти чертежи в машинный код. Выходные данные CAM сообщают ЧПУ, как именно перемещать инструменты.

Ссылки для связи

Файлы передаются между компьютерами, на которых проектируются изделия, и станком по Ethernet-кабелям, USB-накопителям или последовательным портам (RS-232, RS-422). В современных системах «умного завода» станок может отправлять данные о производительности на центральный сервер по сети Интернета вещей.

Компоненты движения

Высокоточные шариковые винты, линейные направляющие, а также серво- или шаговые двигатели преобразуют электронные сигналы в плавные, точные движения по нескольким осям.

Устройства ввода и вывода

Станки получают информацию о настройках через клавиатуры, сенсорные экраны или USB-накопители. На мониторах и индикаторных лампах отображаются обновления состояния, сообщения об ошибках и время цикла. Операторы регулируют скорость подачи, скорость шпинделя и расход СОЖ с помощью этих панелей ввода/вывода.

Как работают системы ЧПУ

Системы ЧПУ преобразуют чертежи проекта в движения машины. Проектировщики начинают с Компьютерное проектирование (САПР) модель. Программное обеспечение САПР фиксирует геометрию детали в двух- или трёхмерном виде. Программисты ЧПУ Импортируйте эту модель в систему автоматизированного производства (CAM). CAM-система генерирует траектории движения инструмента на основе материала, его размера и параметров резания. Результат отображается в виде набора инструкций, называемых G-кодом и M-кодом.

Контроллер ЧПУ считывает эти коды строка за строкой. Контроллер служит «мозгом» системы. Он интерпретирует каждую команду и посылает электрические сигналы двигателям, приводам и клапанам. Затем система управления движением перемещает каждую ось — X, Y, Z и любые дополнительные поворотные оси — в соответствии с программой. Датчики обратной связи передают контроллеру фактические положения, и система корректирует их для поддержания точности.

Как ЧПУ обрабатывает координаты и движение

Станки с ЧПУ работают в трёхмерной системе координат, называемой декартовой. Каждое перемещение измеряется по:

• Ось X: Горизонтальное движение слева направо.
• Ось Y: Горизонтальное движение вперед-назад.
• Ось Z: Вертикальное движение вверх-вниз.

Много фрезерные станки добавить поворотные оси — называемые A, B и C— которые вращаются вокруг осей X, Y или Z. Наличие пяти или шести осей позволяет станку обрабатывать деталь под разными углами, создавая сложные формы за одну установку.

ЧПУ разделяет движение на три основных типа:

Быстрое движение (G00)

Контроллер посылает команды типа G00, чтобы максимально быстро переместиться в новую точку. Машина следует по наиболее безопасному маршруту на максимальной скорости. Оператор использует этот режим для смены позиции без резки.

Линейное движение (G01)

Такие команды, как G01, перемещают инструмент по прямой между двумя точками. Оператор задаёт подачу с помощью F-кода. Система делает короткую паузу в конце каждого линейного сегмента, чтобы проверить его положение перед началом следующего.

Круговое движение (G02/G03)

Для создания круговых траекторий используются коды G02 или G03 для создания дуг заданного радиуса. Программист указывает центр дуги и её направление. Контроллер плавно перемещает инструмент по кривой.

Внутри блока управления машиной

MCU состоит из двух внутренних частей:

• Блок обработки данных (DPU): Этот мини-компьютер выполняет расчёты. Он считывает CAM-файл, вычисляет скорость вращения каждого двигателя и преобразует команды в электрические импульсы.
• Блок контура управления (CLU): Этот блок считывает показания датчиков машины — энкодеров положения, концевых выключателей или датчиков температуры — и отправляет обратную связь в блок обработки данных (DPU). Блок обработки данных затем корректирует движение в режиме реального времени, чтобы оставаться на заданной траектории.

Распространенные процессы ЧПУ и их применение

Технология ЧПУ поддерживает различные методы производства. виды обработки на станках с ЧПУ следующие:

• Превращение: Вращающаяся деталь вращается, в то время как неподвижный инструмент обрабатывает внешнюю или внутреннюю поверхность. К токарной обработке относятся валы, кольца и конусы.
• Фрезерование: Вращающийся резец снимает материал с неподвижной заготовки. Многокоординатные фрезы могут наклонять и поворачивать инструменты для обработки под разными углами.
• Электроэрозионная обработка (EDM): Крошечные электрические искры постепенно разрушают металл. Электроэрозионная обработка позволяет обрабатывать твёрдые металлы и материалы необычных форм.
• Пробивка: Пресс с фигурным штампом штампует отверстия или формы в металле. Этот метод обеспечивает быструю и повторяющуюся резку.
• Маршрутизация: Вращающаяся фреза режет древесину, пластик или мягкие металлы. CNC-маршрутизаторы вырезать декоративные фигуры на мебели или сделать вывески.
• Помол: Вращающийся круг шлифует поверхности с очень жёсткими допусками. Шлифование обеспечивает высокую точность и чистовую отделку.
• Плазменная резка: Горячая плазменная дуга быстро режет металл. В цехах плазменные резаки используются для изготовления крупных стальных деталей или панелей из листового металла.
• Сварка: Роботизированная горелка сваривает детали по заданным схемам в соответствии с программой. Сварка с ЧПУ обеспечивает стабильное качество сварных швов.
• Гидроабразивная резка: Струя воды, иногда смешанная с абразивными частицами, разрезает материалы без нагревания. Гидроабразивные машины справляются с любыми задачами: от стекла до камня.
• Лазерная резка: Сфокусированный лазерный луч плавит или испаряет материал по заданной траектории. Этот метод позволяет резать тонкие листы металла, пластика или дерева с высокой точностью.
• 3D Печать: Этот процесс, также называемый аддитивным производством, предполагает послойное изготовление деталей из пластика или металла. Система ЧПУ управляет печатающей головкой, прорисовывая каждый слой.

Если вам нужны услуги по обработке на станках с ЧПУ, пожалуйста, обращайтесь свяжитесь с BOYI TECHNOLOGY.

Как ЧПУ повышает производительность

Станки с ЧПУ повышают эффективность несколькими способами:

• Высокая точность при первом запуске уменьшает количество отходов, которые приходится перерабатывать или выбрасывать.
• Машины работают без присмотра в течение нескольких часов, позволяя персоналу заниматься программированием, настройкой или проверкой.
• Инструментальные магазины позволяют станкам автоматически менять инструменты. Переход со сверления на фрезерование может занять всего несколько секунд.
• Как только программа докажет свою надежность, предприятия смогут производить сотни или тысячи деталей с минимальной дополнительной настройкой.

Программирование станков с ЧПУ: G-коды и M-коды

Программисты ЧПУ используют два основных набора кодов:

G-коды (геометрические коды)

G-коды Прямые траектории инструмента и режимы движения. Например, G00 запускает ускоренное перемещение, G01 — линейную подачу, а G02/G03 — дуговую подачу. Команды включают в себя буквы координат (X, Y, Z), скорость подачи (F), скорость шпинделя (S) и выбор инструмента (T).

Примеры включают в себя:

• G00 для быстрого перемещения
• G01 для линейной резки
• G02/G03 для дуг по часовой стрелке или против часовой стрелки

М-коды (разные коды)

М-коды Управление утилитами станка. Примеры: M00 (остановка программы), M03 (вращение шпинделя по часовой стрелке), M05 (выключение шпинделя), M08 (включение подачи СОЖ) и M09 (выключение подачи СОЖ). M-коды управляют функциями программы, не связанными с резанием.

Примеры включают в себя:

• M00 для остановки программы
• M08 для запуска охлаждающей жидкости
• M09 для остановки подачи охлаждающей жидкости
• M06 для смены инструмента

Программисты пишут код вручную или позволяют CAM-программе генерировать его автоматически. Каждая строка программы начинается с необязательного номера строки, за которым следуют G-коды, координаты и параметры. Программисты моделируют и отлаживают программы в CAM-программе перед их запуском на станке.

Каждая строка программы ЧПУ обычно начинается с номера строки (N), за которым следуют G-коды, M-коды и координаты (X, Y, Z). Например:

N10 G21 ; Set units to millimeters
N20 G90 ; Use absolute coordinates
N30 G00 X0 Y0 ; Rapid move to start point
N40 M03 S1500 ; Start spindle at 1,500 rpm
N50 G01 X50 Y0 F200 ; Cut in a straight line at 200 mm/min
N60 M05 ; Stop spindle
N70 M30 ; End program

Распространенные практики кодирования

Программисты группируют последовательности в блоки, каждый из которых начинается с номера строки (N-кода), чтобы упростить отладку. Они добавляют комментарии для пояснения сложных движений. Они запускают симуляцию для проверки столкновений и ошибок траектории инструмента перед загрузкой кода в реальный станок.

Программное обеспечение для обработки на станках с ЧПУ

ЧПУ использует три основных типа программного обеспечения:

САПР (автоматизированное проектирование)

Программное обеспечение CAD Предоставляет цифровое пространство для создания эскизов двухмерных фигур или создания трёхмерных объёмных фигур. Дизайнеры выбирают простые инструменты для рисования, функции поверхностей и элементы твёрдотельных моделей. Пакеты САПР обычно включают библиотеки стандартных деталей, таких как отверстия, карманы или крепёжные элементы.

CAM (автоматизированное производство)

CAM-системы импортируют CAD-модели и позволяют программистам выбирать инструменты и стратегии резания. Программа рассчитывает пошаговые инструкции для каждого инструмента. Современные CAM-системы могут оптимизировать обработку по скорости, стойкости инструмента и качеству поверхности. Они также моделируют траектории движения инструмента и проверяют на наличие столкновений.

CAE (Компьютерное проектирование)

Инструменты CAE выходят за рамки CAM, оценивая, как детали будут вести себя под нагрузкой, при воздействии тепла и вибрации. Инженеры используют CAE для анализа напряжений, проверки тепловых потоков и исследования движения. Эти проверки помогают обнаружить слабые места до резки металла.

Типичные отрасли, в которых используется ЧПУ

Технологию ЧПУ можно встретить практически в любой области, где требуется формовать материалы:

• Автомобилестроение: для блоков двигателей, коробок передач и деталей отделки.
• Авиационно-космическая промышленность: для крыльев, лопаток турбин и корпусов авионики.
• Электроника: для радиаторов, разъемов и корпусных деталей.
• Здравоохранение: для хирургических инструментов, протезов и имплантируемых деталей.
• Мебель и деревообработка: дверцы шкафов, вывески и индивидуальные столярные изделия.
• Оборона: для компонентов оружия, беспилотников и брони.
• Энергетика: для нефтепромысловых клапанов, деталей ветряных турбин и опорных конструкций солнечных батарей.
• Робототехника и автоматизация: для роботизированных манипуляторов, захватов и монтажных кронштейнов.
• Ювелирные изделия и предметы искусства: для сложных колец, скульптур и декоративных панелей.

Независимо от того, изготавливаете ли вы повседневные предметы или критически важные детали безопасности, ЧПУ обеспечивает повторяемость и точность, которые требуются современным конструкциям.

Зачем использовать ЧПУ? Преимущества технологии ЧПУ

Производители получают множество преимуществ при использовании систем ЧПУ:

• Станки с ЧПУ могут перемещать режущие инструменты и заготовки быстрее, чем человек может управлять ручным инструментом.
• Одна и та же программа производит идентичные детали в течение сотен или тысяч циклов.
• При правильной настройке станки с ЧПУ выдерживают допуски в пределах микрометров.
• Для смены задания достаточно загрузить новую программу, а не перенастраивать станок.
• Операторы могут не приближаться к движущимся частям. Системы ЧПУ оснащены встроенными блокировками и аварийными выключателями.
• Датчики на станке могут измерять и отбраковывать детали, не соответствующие допускам.
• Многокоординатные станки с ЧПУ способны вырезать внутренние полости и выточки, которые невозможно выполнить вручную.
• Опытные операторы уделяют особое внимание настройке и качеству, а не ручной резке.
• Программное обеспечение CAM может плотно размещать детали или выбирать обработку, близкую к заданной, для сокращения отходов.

Несмотря на свои преимущества, ЧПУ имеет и некоторые недостатки:

• Первоначальные инвестиции в станки с ЧПУ и соответствующее программное обеспечение могут составлять шестизначную сумму и более.
• Компаниям нужны обученные CAM-обработка программисты, умеющие писать и отлаживать G-код.
• Высокоточные шарико-винтовые передачи, линейные направляющие и шпиндели требуют регулярной смазки, проверки выравнивания и замены фильтров.
• Мощные шпиндели и серводвигатели потребляют значительное количество электроэнергии. Расходы на электроэнергию могут существенно увеличиться.
• Очень крупные детали могут не поместиться в стандартные станки с ЧПУ и потребовать специальных порталов или роботизированных манипуляторов.

Небольшие мастерские и любители иногда выбирают ручные станки или настольные системы ЧПУ, поскольку они позволяют им иметь более ограниченный бюджет. Однако крупные производители, как правило, быстрее окупают инвестиции благодаря более высокой производительности и более низким трудозатратам на изготовление детали.

В чем разница между Числовой контроль и Компьютерное числовое управление?

Когда мы говорим о Числовой контроль (ЧПУ) и числового программного управления (ЧПУ) мы фактически рассматриваем два поколения одной и той же базовой идеи — использования программируемых инструкций для управления станками, — но с некоторыми важными различиями в том, как инструкции хранятся, редактируются и выполняются.

Особенность	Числовое программное управление (ЧПУ)	Компьютерное Числовое Управление (ЧПУ)
Метод управления	Механический/Аналоговый	Цифровой компьютерный
Создание программы	Перфолента или карты	Программы, созданные с помощью CAD/CAM, или ручное редактирование G-кода
Модификация программы	Перепрошивайте ленту после каждого изменения	Редактируйте текст на консоли, немедленно загружайте новый файл
Гибкость	Низкий (трудно сменить программу)	Высокий (легко модифицируется и обновляется)
Автоматизация	Базовая автоматизация	Расширенная автоматизация с обратной связью и диагностикой
Многоосное управление	Ограниченный	Поддерживает одновременное управление несколькими осями
Взаимодействие с пользователем	Минимальные	Интерактивные графические пользовательские интерфейсы
Компенсация ошибок	Ничто	Обнаружение и исправление ошибок в реальном времени
Сложность деталей	Ограниченные — простые, повторяющиеся формы	Очень высокая — многоосевая интерполяция, сложные контуры

Последние достижения и будущее ЧПУ

С ростом вычислительной мощности системы ЧПУ становятся умнее. Производители теперь подключают станки к Интернету вещей (IoT). Датчики передают данные о вибрации, температуре и износе инструмента на центральный сервер. Инструменты искусственного интеллекта (ИИ) затем выявляют закономерности в этих данных, прогнозируя возможный отказ шпинделя или замедление производства.

Такое подключение позволяет руководителям контролировать работу фабрик из любой точки мира. Кроме того, оно позволяет станкам корректировать настройки «на лету», поддерживая детали в пределах допусков даже при износе инструментов. В ближайшие несколько лет мы, вероятно, увидим больше универсальных станков с ЧПУ, которые обрабатывают весь материал от заготовки до готовой детали, не перемещая заготовку.

Заключение

Технология числового программного управления (ЧПУ) стала неотъемлемой частью современного производства. Её способность обеспечивать точность, скорость и гибкость делает её бесценной во многих отраслях. По мере развития технологий станки с ЧПУ будут становиться всё умнее, быстрее и производительнее, меняя будущее производства по всему миру.

Если вам нужна высокая точность Обработка с ЧПУ Наша команда BOYI TECHNOLOGY готова помочь вам в создании прототипов или запуске полномасштабного производства. Мы предлагаем широкий спектр услуг, включая многокоординатное фрезерование, точение, шлифование и финишную обработку на заказ, чтобы удовлетворить даже самые высокие требования.

Обратитесь в BOYI TECHNOLOGY сегодня, чтобы обсудить требования вашего проекта. отправить заявкуили узнайте больше о том, как наше передовое оборудование и опытные инженеры могут воплотить ваши проекты в жизнь.

FAQ