ДонНТУ   Портал магистров

ЧПУ оборудование

История знакомства с чпу

Станки с ЧПУ (числовым программным управлением) – это высокотехнологичное оборудование, в котором исполнительные устройства (приводы) управляются автоматически. Приводы, управляемые по определенной программе, приводят в действие рабочий элемент станка – таков принцип работы оборудования с ЧПУ.

ЧПУ оборудование давно уже стало неотьемлемой частью как крупного производства, так и мелких частных мастерских. Еще с детства меня интересовало автоматизация каких либо механизмов, а так как занимался судомоделизмом, соответственно с малой частью исполнительных механизмов, такие как сервоприводы уже был знаком. Будучи уже студентом, стал больше интересоваться данным вопросом и познакомился с таким агрегатом как 3Д принтер.

Первые шаги изучения

На тот момент это устройство казалось непостижимо сложным и дорогостоящим оборудованием. Однако данное устройство уж сильно заинтересовало своим функционалом, ведь с помощью 3Д печати можно сделать практически любую пластиковую деталь и эта мысль не давала покоя. Начал изучать материалы по самостоятельной сборке принтера, так как покупать готовое оборудование не было финансовых возможностей. С течением времени я все же смог собрать свое первое ЧПУ устройство. И радости данному событию не было предела. Однако для изготовления деталей мало иметь одно оборудование, помимо этого нужно еще уметь создавать 3Д модель требуемой детали. С этого началось мое знакомство с 3Д моделированием. Для изучения я выбрал пакет SolidWorks. Данная программа является программой для параметрического моделирования и хорошо ориентирована на создание 3Д моделей технического назначения, что мне в принципе и было нужно. Спустя некоторое время я научился создавать простые модели. Первой печатью был игральный кубик и это были непередаваемые ощущения, когда картинка на компьютере воплотилась в реальность! Конечно же я не останавливался изучать данную программу и спустя время я смог починить все поломанные блендеры мясорубки и т.д. которые лежали дома со слизанными шестернями, разбитыми втулками и тд. Возможность создавать пластиковые детали открыла новые двери в ремонте!

Разновидности ЧПУ оборудования с которым пришлось поработать

Многие слышали уже о таком оборудовании как 3Д принтер, а для тех кто узнал об этом только из моей статьи, предлагаю не много познакомиться с этим и еще несколькими видами ЧПУ станков.

Что такое 3Д-принтер и как он работает?

Будущее, о котором мечтали наши предки, уже наступило. Правда, мы этого не замечаем, но от этого оно никуда не делось. Представьте себе ситуацию: ваша любимая кружка разбилась, а в магазине уже таких нет и в ближайшее время не предвидится. Казалось бы, мелочь, на которую не стоит обращать внимание. Однако если у вас дома есть 3D-принтер, то путем нехитрых манипуляций вы легко сможете создать точную копию разбившегося предмета. Ничего фантастического в том нет, поскольку трехмерная печать уже давно и громко стучится в двери наших домов [1].

Что такое 3D-принтер

3D-принтер – это такое устройство для послойного создания трехмерных объектов на основе цифровой трехмерной модели. В качестве исходников обычно используются несколько видов пластика, хотя в последнее время начинают появляться и другие материалы. Настольный 3D-принтер выглядит как небольшой ящик с металлическими направляющими, по которым двигается рабочий элемент принтера: экструдер или лазер. Как правило, такие принтеры используются для создания различных прототипов, литейных форм и сложных деталей, которые обычным способом изготовить невозможно или крайне тяжело [1].

Технологии печати

Впервые о трехмерной печати заговорили в 80–х годах прошлого века. Именно тогда появилась технология стереолитографии, использующая для создания объектов специальный фотополимерный пластик. Если коротко, то ее суть заключается в следующем: под действием лазера фотополимер застывает, превращаясь в твердый пластик. Таким образом, луч лазера буквально попиксельно ,рисует будущий объект, создавая его из жидкого вещества. Еще одна технология, в которой используется лазер, называется лазерное спекание. В ней в качестве рабочего материала используется порошок легкоплавкого пластика, который нагревается лазером до температуры плавления и таким образом спекается в общую массу. Дабы материал не загорелся и не окислился, в рабочую камеру добавляют инертный газ азот. Обе технологии обычно используются в установках промышленных размеров, в то время как струйная печать прекрасно подходит для небольших домашних моделей. Струйный 3Д-принтер – это такое устройство, которое в качестве рабочего элемента использует специальную головку-экструдер, нагревающую пластиковую нить до температуры плавления. Расплавленный пластик постепенно выдавливается через сопло, после чего застывает при комнатной температуре. Эта технология абсолютно безопасна и относительно недорога (килограмм пластика стоит в районе 50 &ndash 60 долларов), чем и обеспечивается ее популярность в непрофессиональной среде [1].

Что могут 3D-принтеры?

Сегодня уже создано несколько моделей 3D-принтеров, которые могут печатать объекты с точностью в 100 микрон. Такие принтеры могут создавать довольно сложные трехмерные объекты, начиная от детских игрушек и заканчивая архитектурными моделями. В научной деятельности такие принтеры позволяют не просто взглянуть на прототип, но и пощупать его руками. В ювелирном производстве 3D-принтеры активно используются для создания отливочных форм, а в археологии – для воссоздания первоначального вида найденных фрагментов. Многие ученые-футурологи прогнозируют, что технологии 3D-печати кардинально изменят нашу жизнь. Сейчас предпринимаются попытки создания пищевых принтеров, которые способны печатать настоящие продукты питания из базовых ингредиентов: белков, углеводов и т.д. Еще более потрясающе выглядит возможность печати человеческих органов. Никакой фантастики в этом нет – ученые уже сегодня способны печатать межпозвонковые диски из стволовых клеток [1].

В общем, прогресс не стоит на месте и похоже, что наши дети будут спрашивать нас о том, что такое 3d принтеры, гораздо чаще, чем мы спрашивали своих родителей о том, откуда берутся дети. Ну а о походах в магазин за всякими бытовыми предметами можете забыть уже сейчас – на сайтах Cubify.com и Thingiverse.com можно легко найти цифровые модели всего необходимого, начиная от гаечных ключей и заканчивая самими гайками, так что словосочетание скачать кружку бесплатно уже не выглядит таким бредовым, как это было еще пару лет назад [1].

Лазерные ЧПУ станки

Технология лазерной обработки

Сфокусированный лазерный луч несёт в себе достаточную концентрацию энергии для проникновения в материал заготовки. Под действием луча материал в зоне обработки может расплавляться, испаряться, воспламеняться или иным образом изменять свою структуру, фактически исчезая. В этом случае процесс обработки напоминает механическое резание с той лишь разницей, что режущий инструмент заменён лучом, а отходы материала не отводятся в виде стружки, а испаряются. При достаточной мощности (и/или небольшой толщине материала), лазерный луч способен осуществлять сквозную резку. При меньшей мощности — оставлять на поверхности чёткий след (узор гравировки). Достоинством лазерной обработки является очень тонкий срез при малой «области вмешательства» в материал (в том числе с минимальной температурной нагрузкой и деформацией), благодаря чему обработка заготовки осуществляется с очень высоким качеством. Кроме того, лазер способен обрабатывать практически любые конструкционные материалы и заготовки различных форм и габаритных размеров (в том числе тончайшие или мягкие, не поддающиеся из-за этого обработке фрезой – например, бумагу, резину, полиэтилен и пр.) [2].

Лазерно-гравировальные станки

Преимущества технологии лазерной обработки перед обработкой резанием привели к появлению лазерно–гравировальных станков. По принципу действия эти машины очень схожи с фрезерными станками с ЧПУ. Лазерный станок также имеет монолитный корпус, горизонтальный рабочий стол, размещённый над ним подвижный инструментальный портал с головкой лазерного излучателя (аналога шпинделя с фрезой). Движение портала (и соответственно, головки излучателя) обеспечивается шаговыми электродвигателями под воздействием управляющих импульсов, генерируемых системой ЧПУ (в соответствие с заложенной в память станка программой обработки). Процессор ЧПУ также управляет мощностью лазерного луча и обеспечивает функционирование прочих узлов станка. Оптическая система станка состоит из лазерной трубки, отражающих зеркал и головки излучателя с фокусирующей линзой. Трубка имеет сложную «многослойную» конструкцию и заключает в себе активную среду (для современных станков – газовую смесь СО2, азота и гелия). При подаче внешнего напряжения (через повышающий трансформатор) в газовой среде инициируется лазерный луч. Система зеркал и фокусирующая линза головки излучателя направляет луч на поверхность материала. Движение головки излучателя над заготовкой позволяет вести обработку согласно заданному алгоритму по самым сложным (двух- или трёхмерным) траекториям. Для охлаждения лазерной трубки предусмотрена циркуляция жидкости (воды) в специальных магистралях под действием внешнего насоса [2].

Фрезерное ЧПУ оборудование

Принцип работы фрезерного станка с ЧПУ

Современный станок с ЧПУ представляет собой сложный автоматизированный комплекс для фрезерования заготовок из дерева, пластика, металла, камня и пр. Автоматизированный комплекс, помимо «классических» механизированных узлов включает в себя электронные компоненты автоматического контроля и управления режимами обработки. Электронная система базируется на алгоритмах числового программного управления (ЧПУ) и в значительной степени упрощает работу на оборудовании (станок функционирует по заранее введённой программе и в течение рабочего цикла не требует вмешательства оператора). Механическая подсистема станка состоит из станины, рабочего стола с зажимными приспособлениями, подвижного портала со шпинделем, цанговым патроном и цанги для закрепления инструмента, шаговых электродвигателей и ряда других вспомогательных деталей. Одним из главных элементов станка, непосредственно осуществляющих обработку заготовки, является фреза. Режущая часть фрезы бывает различных форм и размеров — в соответствии с задачами обработки и видом материала заготовки. Цилиндрическая часть фрезы (т. н. «хвостовик») через цангу закрепляется в цанговом патроне, который, в свою очередь, закреплён на валу шпинделя. Электромотор шпинделя передаёт крутящий момент и сообщает фрезе вращательное движение. Соприкасаясь с обрабатываемой поверхностью, фреза снимает слой материала. Шпиндель подвешен на подвижном портале. Электромоторы станка, по командам от контроллера ЧПУ, перемещают портал по трём координатным осям и позиционируют фрезу над поворотным столом с закреплённой заготовкой. Таким способом и осуществляется фрезерование заготовки с целью получения готового изделия заданных форм и размеров. Электронная часть станка включает в себя контроллер ЧПУ, вспомогательные электронные компоненты и их соединения. Для управления системой, станок может комплектоваться специальным DSP-контроллером, или подключаться к PC [3].

Преимущества оборудования

Современные станки с ЧПУ обладают широким спектром возможностей, обеспечивают быструю и высокоточную обработку, обладают достаточным запасом надёжности и удобством эксплуатации. Точность обработки является не только следствием прецизионного автоматизированного управления, но и организацией специальных конструктивных мероприятий, направленных, прежде всего, на повышение жёсткости системы. Увеличение жёсткости достигается за счёт уменьшения длины кинематических цепей и количества механических передач, уменьшения зазоров между деталями, снижения потерь на трение, а также увеличения быстродействия. Надёжность и длительная бесперебойная работа достигается увеличением износостойкости подвижных деталей, а также мерами по снижению теплопотерь и механического трения. Для этого в частности скользящие направляющие изготавливаются в виде «твёрдый материал — мягкий» (например, сталь/чугун по пластику/фторопласту). Сопрягаемые пары качения (в наплавляющих, подшипниках) отличаются ещё меньшими потерями и повышенной долговечностью. В качестве рабочих тел используются ролики с преднатягом, исключающим биение и износ. Дополнительные системы, такие как вакуумный стол, улавливатель стружки, охлаждение режущего инструмента, переносной пульт (DSP-контроллер) и ряд других, значительно облегчают управление фрезерным комплексом и увеличивают культуру производства [3].

Работа на оборудовании

Функции оператора станочного комплекса, оборудованного ЧПУ, сводятся к смене и закреплению заготовок, установке требуемого типа фрезы, инсталляции управляющей программы, активации процесса и общим наблюдением за процессом работы станка. Перед началом обработки работоспособность станка проверяется запуском специальной тестирующей программы. Оператору следует проверить надёжность крепления заготовки и фрезы, её соответствия обрабатываемому материалу. Перед началом серийного цикла следует обработать первую заготовку, проконтролировать размеры и убедиться в их соответствии чертежу [3].

Планы на развитие данной деятельности

Автоматизация технологических процессов стала уже не отьемлемой частью нашей жизни. Применяя ЧПУ оборудование мы существенно облегчаем себе работу, особенно если это производство серийных изделий. Теперь токарю не требуется часами стоять у станка вытачивая необходимую деталь и литейщик может переквалифицировать себя в оператора ЧПУ оборудования облегчив свой труд. Я так же стремлюсь автоматизировать изготовление своих изделий и конечно же с помощью ЧПУ оборудования. На данный момент поставлена цель собрать лазерное ЧПУ оборудование, ведь оно так же открывает огромные возможности деревообработки, пластика и металла, а главное с поразительной точностью! Возможно это увлечение перерастет в полноценную работу, во что очень хочется верить, ведь работа которая является хобби является самой продуктивной и приятной.

1. http://3dpr.ru - 3Д принтеры.

2. https://infolaser.ru - Лазерное ЧПУ оборудование.

3. https://infofrezer.ru - Фрезерное ЧПУ оборудование.