Какими бывают ЧПУ-станки и как их выбрать?

Станки с ЧПУ – главное средство станочной массовой обработки деталей. Оно является важной составляющей систем автоматического проектирования. Принцип создания ЧПУ – упрощение производства однотипных деталей.

Станок с ЧПУ – устройство с числовым программным управлением. Его главная особенность – легкое копирование однотипных и одновидовых деталей: записанная в постоянном запоминающем устройстве программа-образ, по которой вытачиваются и пилятся детали из заготовок, закладываемых в рабочую зону с помощью механизма конвейерной подачи. Станки, оснащённые лазерно-плазменной пушкой, выполняющей идеально ровный раскрой первичных и вторичных заготовок, отличаются высокой пропускной способностью. Чуть ниже их по технологическому оснащению стоят токарные и фрезерные станки, осуществляющие нелазерную (с помощью резаков) обточку, распиловку и рассверливание (сверление) заготовок.

В современных станках с ЧПУ незачем подключать внешний ПК или ноутбук – роль предварительного (управляемого оператором) программатора, задающего параметры, исполняет бортовой микрокомпьютер, установленный в защищённом от электрических помех отсеке станка. Современные ЧПУ-станки также могут быть подключены к локальной серверной сети (ЛСС) через LAN-интерфейс и управляться с любого ПК на территории предприятия, которому администратором сети разрешён доступ к данному станку, как это уже 20 лет срабатывает, например, с сетевыми принтерами и сканерами.

Устройство ЧПУ-станка таково, что техническая (электромеханическая) часть жёстко связана с электронной (ЭБУ) и одновременно отделена от неё, разнесена с ней в ограниченном внутреннем пространстве агрегата. Одной из конструктивных особенностей ЧПУ-агрегата является экранировка (защита) ЭБУ от помех, порождаемых электромеханическими цепями в рабочей зоне и зоне переключения режимов работы. Эти помехи могут «сбить» программу, поэтому бортовой одноплатный ПК не просто удалён от электромеханики (двигателей, датчиков), но и помещён в защищённую стальную коробку, которая надёжно заземлена и практически полностью исключит попадание статики и помех в ЦП и другие жизненно важные электронные органы управления ЧПУ-агрегата.

Преимущество домашнего мини-станка в том, что он является достойным решением для молодых специалистов, начавших осваивать азы работы оператора машинного ЧПУ. Классифицируются станки с ЧПУ по перечню выполняемых операций и по характеристикам управляющей системы. Несмотря на первое и обманчивое впечатление новичка о том, что этот «монстр» слишком сложен, на овладение основными приёмами работы может уйти от получаса до нескольких часов. Новичок довольно быстро может составить свой первый алгоритм обработки деталей, процессом производства которых он заинтересовался. К примеру, ему необходимо изготовить крепление мотора-генератора на велосипед – на таком станке он быстро его начертит, раскроит и выточит.

Станки с ЧПУ могут работать по камню, дереву и его производным, по цветмету, стали, пластику и композиту. Всё определяется лишь мощностью шпиндельного двигателя – в таком агрегате он является главным движущим функциональным узлом. Второе значение для выбора обрабатываемого материала имеет длина, диаметр, покрытие стальных фрез – к примеру, если станок фрезерный. Если вы имеете дело со сверлильным станком, то его возможности и возможности фрезерного агрегата зачастую объединены. Работу пильного станка выполняет и фрезерный, а работу сверлильного – токарный.

Такие станки – многоцелевые: они сочетают в себе возможности универсального (агрегат пилит и вытачивает, рассверливает детали в разных проекциях), настольного (весит не более нескольких десятков килограммов, умещается на верстаке с площадью столешницы в 2 м2). Мощность шпиндельного привода для обработки пластика и дерева, как правило, не превышает нескольких сотен ватт в час, потребляемых от сети. Для цветмета уже потребуется мощность до киловатта, а для сталей – в 1,5-2 кВт. Привязка к конкретным видам материала в многоцелевом станке зачастую отсутствует. Соответственно, необходимо приобрести фрезы, свёрла, коронки, пильно-раскроечные диски из быстрорежущей стали, а также с абразивом.

По видам обработки классификация станков с ЧПУ предусматривает горизонтальные (выполняют раскрой деталей в их положении «лёжа») и вертикальные (наоборот, эти аппараты работают со «стоячими» деталями, осуществляя разрезание вверх и вниз) устройства. Комбинированные агрегаты выполняют резку и сверление деталей по всем трём плоскостям.

Управляющая система в станках с ЧПУ – обычные «компьютерные» характеристики, как-то: количество мегагерц каждого из ядер процессора, число его ядер, а также количество мегабайт (или гигабайт) оперативной памяти (ОЗУ, оперативного запоминающего устройства). В качестве накопителя, как и в обычных настольных ПК и ноутбуках, применяется магнитооптический накопитель («жёсткий диск»), SSD (твердотельный «жёсткий диск») или память eMMC (как на одноплатных ноутбуках, планшетах и смартфонах, выполняющих преимущественно офисную работу).

Однако никакое «железо» полностью не проявит себя, пока на нём не установлена управляющая программа. В современных портативных ЧПУ-станках используется операционная система на базе программно-графического ядра Linux или Windows: в целях производства в памяти станка «прошита» специальная «урезанная» версия, созданная исключительно для работы, а не к примеру, для полноценного веб-сёрфинга, запуска игр или просмотра видео. На нём вы сможете лишь обрабатывать детали, для всего остального же он недоступен.

Модель 1325 – один из лучших станков с ЧПУ, созданный как устройство начального уровня овладения навыками станочного специалиста. Невелик по затратам на обслуживание – относится к классу Start (для новичков). Выполняет трёхосевую гравировку заготовок из дерева. Способен нанести несложные узоры с двусторонней симметрией. Спецподготовка для новичка при работе на таком устройстве не нужна.

Рабочая зона 130х250х200 см. Запускается от межфазного напряжения 380 вольт. Управляется средствами системы Mach3, оснащён охлаждаемым шпиндельным механизмом, работает от управляющего инвертора, развивает оборотистость до 24000 оборотов ежеминутно. Смазывается при работе вручную. Управляется на базе ПО Artcam, режет МДФ и дерево, акрил и другие (включая композит) чисто неметаллические материалы.

Модель 2040 УВД с ЧПУ. Работает на основе ЧПУ с АТС. Есть встроенный магазин резаков, который позволяет с лёгкостью выбрать нужный резак. Режет, штробит неметаллические материалы, нарезает в них канавки и штампует заготовки, фрезерует их. Смена инструментов – автоматическая. Карусельно-фрезерная модель ATC CNC с рабочей зоной в 200х400х20 см. Питается от трёхфазной сети. Шпиндель потребляет от сети мощность до 9 кВт, оснащён японскими сервоприводами на 11 кВт.

Построен на основе Т-образного вакуумного рабочего стола, в рабочую и зону крутящихся механизмов автоматически вводится смазка. Вакуумный насос удаляет стружку из рабочей зоны, помогая этим поддерживать относительную чистоту рабочего места. Мощность вакуумного насоса – 3 кВт. Станок годится для обточки алюминия.

Модель 1625 обладает рабочей зоной площадью 2х5 м. А также работает от трёхфазной сети. Настольный аппарат с характеристиками, аналогичными предыдущему варианту. Отличие – в наличии осцилляторного резака, позволяющего разрезать кожу и материю. Фрезы позволяют работать с алюминием и любыми неметаллическими простыми и составными материалами. Точность разрезания – 10 микрометров. Есть возможность продолжить гравировку неметаллов и алюминия с места прерывания операции.

Другие модели позволяют работать со сталью, бронзой, дюралем, однако их мощность, габариты и оснащение оборачиваются как минимум в несколько раз более высокой стоимостью, чем три вышеописанные модели. Они поддерживают 5-осевой (управление по 5 координатам) режим работы. Самые дорогие аппараты оснащены лазерной пушкой, формирующей до сотен ватт мощности в точке диаметром менее 1 мм, что позволяет резать сталь с высочайшей точностью.

Обычная комплектация станков с ЧПУ включает в себя раму (станину), коробки переключения скоростей и узел подачи, переднюю и заднюю шпиндельные бабки, стержневой механизм и суппорт. На раме станка закрепляются все детали и узлы, без которых это устройство работать не сможет. КПП (коробка переключения передач) ответственна за передачу крутящего усилия от шпиндельного привода. Далее передаваемый крутящий момент воспринимается суппортовым функциональным узлом.

Передняя шпиндельная бабка включает в себя коробку переключения скоростей и сам шпиндель, фиксаторы и вращающие детали, которые поворачивают обтачиваемую комплектующую. С помощью задней бабки обтачиваемая деталь закрепляется с противолежащей стороны – в моменты обработки центральной части заготовки. Стержнем служит развёрточная деталь или сверлящий резак, задающий центровку.

Этот элемент жёстко соединён с задней бабкой. Суппорт определяет, насколько жёстко зафиксирован резак, и в каких направлениях он перемещается. Комплектность ЧПУ-устройства дополнена вакуумным столом, вакуумным насосом, собирающим стружку, а также устройством охлаждения режущих инструментов. Чтобы иметь возможность ненадолго отойти от рабочего места, рабочий (оператор станка) применяет портативный пульт.

Выбирают ЧПУ-станок по следующим параметрам.

• Потребляемая мощность. Не в каждом производственном цехе присутствует возможность подключиться к трёхфазному питающему напряжению, не говоря о частных домах, например, в дачном жилом районе. Домашняя проводка вряд ли выдержит более 3,5 кВт: обычные 16-амперные автоматы, установленные на счётчике, равно как и сам счётчик, не могут работать при токе нагрузки более 16 ампер. Выбирайте станки с мощностью не более 2-3 кВт.
• Обороты шпиндельного мотора должны быть не ниже 10000 в минуту. В противном случае обточка деталей окажется не вполне качественной, в частности, тонкую гравировку и обточку с мельчайшими контурами осуществить будет проблематично.
• Работа с металлами. Даже не вполне мощные станки, обладающие высоким КПД и оборотистостью от 20000 оборотов в минуту, могут обточить хотя бы сталь 3 и бронзу. Работа по металлу значительно расширяет вашу востребованность как мастера своего дела.
• Рабочая зона должна быть как можно большей. Это позволит либо обтачивать большее количество деталей в одной плоскости, либо производить более габаритные заготовки.
• Лёгкость закрепления и смены фрез, сверлящих резаков – без этой характеристики устройства с ЧПУ ваша оперативность, чёткое выполнение больших планов могут пострадать, в частности, из-за незакрепленного должным образом резака вы рискуете получить значительный процент забракованных деталей.
• Качество исполнения и охлаждающая система. От того, насколько высококачественными и безотказными окажутся эти две составляющие, зависит не только ресурс фрез и сверловочных резаков, но и общий срок службы механики в ЧПУ-станке.
• Наличие вакуумного отсоса и козырька-визора. От этих двух составляющих зависит, насколько чистым окажется ваше рабочее место после завершения работ.

Работа с ПО DeskProto, VCarve Pro, ConstruCAM-3D, ArtCAM, NX CAM, SprutCAM и Mach3 отличается лишь программным интерфейсом и набором функций.

Применение станков с ЧПУ оправдано в камне- и деревообрабатывающей промышленности, в металлообрабатывающем производстве и даже в автосервисе, где, к примеру, к карбюраторным моторам автомобилей вытачиваются сменные детали. Но станок с ЧПУ поможет в изготовлении декоративных фигур, ювелирных украшений, а также отфрезерует, либо разрежет с помощью лазера заготовки из любых сталей. На ЧПУ выполняется, к примеру, раскрой МДФ-дверей (дверного полотна), обточка деталей для замков и противовзломной фурнитуры металлопластиковых окон. Список этот грозит стать бесконечным. Один из характерных примеров – вытачивание бронзовых статуэток по портретам выдающихся личностей, отрисованным в трёхмерном формате.

Наладка станка к работе выполняется по следующей схеме.

• Подберите резак согласно вашей решаемой задаче. Проверьте остроту его режущих кромок.
• Установите резак в предназначенный для него зажимной патрон. Проверьте, надёжно ли он зафиксирован.
• Запустите станок без заготовок.
• Запрограммируйте устройство. Старые ЧПУ-агрегаты программируются при помощи перфокарт, более новые – с помощью всё той же AutoCAD (ввод параметров вытачиваемой детали).
• Приостановите станок, и поместите заготовку на предметный стол, включите насос. Запустите станок повторно.
• Обточив деталь, остановите станок и извлеките обточенную заготовку. Поместите следующую. При необходимости измените введённые параметры, и запустите станок.
• Если предстоит множественное вытачивание (копирование) деталей, то поместите нужное количество заготовок в рабочую зону, запрограммируйте ЧПУ-устройство, и запустите шпиндель. Обточка деталей выполняется автоматически.

Модернизации поддаются не все модели станков. На первом этапе возможно лишь установить более высокопроизводительный одноплатный бортовой компьютер – и сменить Windows, к примеру, на систему Linux.

О том, как выбрать станок с ЧПУ, смотрите в следующем видео.