[Sibikin_M.YU.]_Sovremennoe_metalloobrabatuevayush(BookZZ.org)

ка вызывают погрешности размеров, форм и взаимного расположения обра батываемых на нем поверхностей изделия.

В зависимости от точности выполняемых работ станки подразделяют на пять классов: нормальной (Н); повышенной (П), высокой (В), особо высокой (А) точности и прецизионные (С).

Использование классификации, согласно табл. 1.5, позволяет записать модель станка в виде определенного набора цифр и букв. Первая цифра обо значает номер группы, вторая — тип, последующие одна или две цифры ха рактеризуют какой либо отличительный параметр. Буква, стоящая после пер вой цифры, указывает на модернизацию основной базовой модели станка, а буквы в конце определяют модификацию (класс точности, систему управле ния и др.). В станках с программным управлением в обозначение вводят ин дексы Ц, Т, Ф1…Ф4, которые указывают, что этот станок с цикловой (Ц) или

оперативной (Т) системами, с цикловой индексацией и преднабором координат (Ф1), с позиционной и прямоугольной (Ф2), контурной (Ф3) и универсальной

(Ф4) системами. Иногда станкостроительные заводы отступают от этой клас сификации, но каждому заводу присвоен свой индекс из одной или двух букв, после которого проставляется порядковый номер модели станка.

Классификация станочных систем строится на классификации металлоре жущих станков на основе их специализации и возможности встраивания в ав томатические линии или станочные системы любой сложности.

При изучении действующих и создании новых станков и станочных сис тем нужно знать, какие поверхности на них обрабатывают. Все многообразие геометрических, внутренних и наружных поверхностей можно разделить на следующие классы: плоские, вращения, винтовые, зубчатые и пр.

На всех металлорежущих станках обработку поверхностей и придания им формы и размеров детали, предусмотренных чертежом, осуществляют согла сованием между собой движения инструмента и заготовки. Снятие припусков с заготовки может быть реализовано путем перемещения инструмента отно сительно заготовки, заготовки относительно инструмента, одновременным движением инструмента и заготовки.

Механизмы станков сообщают заготовке и режущему инструменту два ос новных движения: главное и движение подачи. Главным (ГОСТ 25762—83) на зывают движение, имеющее наибольшую скорость v резания, а движение, скорость которого определяет величину подачи, — движением подачи s. В то карных, фрезерных, сверлильных и расточных станках главное движе ние — вращательное, в строгальных, долбежных — возвратно поступательное.

Скорость резания v (м/с или м/мин) — перемещение в единицу времени произвольной точки, взятой на активной части главной режущей кромки, от носительно обрабатываемой поверхности заготовки.

Подача — перемещение режущей кромки инструмента относительно обра батываемой поверхности заготовки в единицу времени. При токарной обра ботке различают оборотную подачу Sо, мм/об, т. е. перемещение режущей кромки инструмента за один оборот заготовки и минутную подачу S, мм/мин, т. е. перемещение за 1 мин. При этом S = 60Sоn, где n — частота вращения шпинделя, с–1.

Обозначение осей координат и направлений движений рабочих органов в станках связывают с ориентацией обрабатываемой заготовки и инструмента.

20

За основу при программировании операции обработки принимают перемеще ние инструмента относительно системы координат неподвижной заготовки, оси которой параллельны прямолинейным перемещениям рабочих органов станков. В качестве примера на рис. 1.1 показано обозначение осей коорди нат и положительные направления вращения при программировании в стан ках с числовым программным управлением (ЧПУ). Ось Z принимается парал лельной оси шпинделя. Движение по оси Z в положительном направлении соответствует направлению отвода инструмента от заготовки. Ось X принима ется параллельной поперечным направляющим. Положительное движение по оси X соответствует отводу инструмента, установленного на главном резце держателе поперечных салазок, от оси вращения заготовки. Буквами А, В и С обозначают вращательные движения относительно осей X, Y и Z соответст венно и осей, параллельных им.

Рис. 1.1. Обозначение осей координат и направлений движения рабочих органов в станках с ЧПУ:

кальный; 9 — продольно фрезерный с подвижным порталом; 10 — одно , двухстоечный; 11 — продольно фре зерный с подвижным порталом; 12 — одностоечный продольно строгальный

21

При назначении элементов режимов резания учитывают характер обра ботки, тип и размеры инструмента, материал его режущей части, материал и состояние заготовки, тип и состояние оборудования. Обычно режимы реза ния устанавливают в следующем порядке: глубину резания t при черновой (предварительной) обработке назначают по возможности максимальную, рав ную всему припуску на обработку или его большей части, при чистовой (окончательной) обработке — в зависимости от требований точности разме ров и параметра шероховатости обработанной поверхности. Подачу S при черновой обработке выбирают максимально возможную, исходя из жесткости и прочности упругой технологической системы, мощности привода станка, прочности твердосплавной пластинки и других ограничивающих факторов, при чистовой обработке — в зависимости от требуемой степени точности и шероховатости обработанной поверхности.

Скорость резания v рассчитывают по эмпирическим формулам, установ ленным для каждого вида обработки.

Для осуществления оптимальных режимов резания станки оснащают ме ханизмами регулирования частоты вращения валов и шпинделей, величины подачи столов и суппортов в определенных диапазонах. Различают три спосо ба регулирования частоты вращения: бесступенчатый, ступенчатый и комби нированный. В первом случае может быть получена любая величина скорости в заданном диапазоне, во втором — ряд определенных значений регулируемо го параметра в заданном диапазоне. Чтобы иметь возможность обрабатывать детали любого диаметра в заданных пределах с оптимальной скоростью реза ния, необходимо бесступенчатое (плавное) регулирование частоты вращения шпинделя, которое достигается применением соответствующего привода (ме ханического, электрического или гидравлического). Однако еще не разрабо таны экономически выгодные способы бесступенчатого регулирования для всех областей станкостроения, поэтому современные станки имеют в боль шинстве случаев приводы со ступенчатым рядом чисел оборотов. Механизмы, осуществляющие ступенчатое регулирование, надежны в эксплуатации и име ют наибольшее распространение. В станках с ЧПУ в настоящее время все большее распространение получает комбинированный способ регулирования частоты вращения.

Скорость вращения для станков с вращательным главным движением зави сит от частоты вращения шпинделя и диаметра обрабатываемой поверхности:

где d — диаметр обрабатываемой поверхности, мм; n — частота вращения шпинделя, с 1.

Если vmin и vmax — минимальная и максимальная скорости резания, м/с; а dmin и dmax — наименьший и наибольший диаметры обрабатываемой заготов ки, то пределы регулирования частот вращения шпинделя должны удовлетво рять равенствам

22

Отношение предельных значений частот вращения называют диапазоном регулирования:

Dn n max . (1.10)

n min

У станков с прямолинейным движением рабочий орган совершает рабо чий ход, когда осуществляется процесс резания, и обратный (холостой) ход, когда движущаяся часть станка возвращается в исходное положение. Рабочий и обратный ходы составляют двойной ход.

Время одного двойного хода составляет

где vp, vо — скорости рабочего (прямого) и обратного ходов рабочего органа, м/мин; tp, to — среднее время прямого и обратного ходов, мин; L — длина хода, мм.

Отсюда число двойных ходов

Отношение максимального числа двойных ходов к минимальному опре деляет диапазон двойных ходов, или диапазон регулирования:

где nmax дв.х и nmin дв.х — максимальное и минимальное числа двойных ходов в мин; Dv и DL — диапазон рабочих скоростей и диапазон длин рабочих ходов соответственно.

При рассмотрении всего множества обрабатываемых деталей и используе мых технологических процессов также устанавливают диапазон регулирования скоростей подач.

Диапазон регулирования минутной подачи равен

где H — ход кинематической пары, преобразующей вращательное движение в поступательное; H = kp — для кинематической пары винт—гайка, H = mz — для кинематической пары рейка—шестерня; k — число заходов; p — шаг вин та; m — модуль; z — число зубьев реечного колеса.

Диапазон регулирования подачи за один оборот

23

1.3.Технические характеристики технологического оборудования

Каждый станок является сложной технической системой, описывается большим числом характеристик, которые можно разбить на четыре группы:

геометрические, точностные, скоростные и силовые.

Кгеометрическим характеристикам относят: основной размер, размеры рабочего пространства (максимальные величины перемещений рабочих орга нов станка), основные присоединительные размеры, габаритные размеры станка. Под рабочим пространством подразумевают пространство, в котором размещается обрабатываемая деталь. Размеры рабочего пространства опреде ляются величиной наибольших перемещений исполнительных органов. При соединительными размерами станка являются размеры поверхностей, по ко торым осуществляется присоединение приспособлений или обрабатываемой детали к рабочему органу станка.

Кточностным характеристикам относят: точность перемещения, или по зиционирование, рабочих органов станка, точность вращения шпинделя (ра диальное и осевое биение переднего конца), взаимного расположения рабо чих органов станка (неперпендикулярность направляющих суппорта и сала зок и т. п.), взаимного расположения отдельных конструктивных элементов деталей (непараллельность направляющих станины или стойки и т.д.).

Скоростные характеристики обеспечивают оптимальные режимы резания станка за счет оснащения его механизмами регулирования скорости резания и подачи.

Силовые характеристики станка определяются мощностью привода глав ного движения, привода подач, холостого хода и крутящим моментом.

Мощность двигателя для металлорежущих станков определяют по формуле

где Fz — усилие резания, преодолеваемое шпинделем; CFz — коэффициент, ха рактеризующий материал резца и вид токарной обработки. При наружном то чении или растачивании изделий из углеродистой стали для резцов из быст рорежущей стали CFz = 208, n = 0; для твердосплавных резцов CFz = 300, n = –0,15; при точении и растачивании изделий из серого чугуна для резцов из быстрорежущей стали CFz = 118, n = 0; для твердосплавных резцов CFz = = 92, n = 0; t — глубина резания (расстояние между обрабатываемой и обра ботанной поверхностями), мм; S — подача резца (перемещение резца, прихо дящееся на 1 об), мм/об; v — скорость резания, м/мин; F xz = 1, F yz = 0,75 — показатели степеней.

Для других условий обработки значения коэффициента CFz и показателей степеней можно взять из справочника по режимам резания.

24

Мощность резания при точении (кВт) определяют по формуле

Строгание. Мощность двигателя при строгании определяют по указанным ранее формулам для точения.

Сверление. Требуемый момент при сверлении (кГ · м2) рассчитывают по формуле

где См — коэффициент: для углеродистой стали равен 33,8, для бронзы — 12,2; d — диаметр сверла, мм; S — подача, мм/об; yм = 0,8.

Коэффициент и показатели степеней для других материалов берутся из справочника по режимам резания.

Мощность резания при сверлении (кВт) определяют по формуле

где n — скорость вращения сверла, об/мин.

Фрезерование. Усилие резания (окружное усилие) при фрезеровании равно

где t — глубина резания (толщина снимаемого слоя металла за один проход), мм; S — подача на один зуб фрезы, мм; В — ширина фрезерования, мм; z — число зубьев фрезы; d — диаметр фрезы, мм; CF — коэффициент, равный 22,5...82,4; xF = 0,65...0,8; yF = 0,83...0,95; i = 0,83...1,14.

где n — скорость вращения фрезы, об/мин.

1.4.Общие сведения о программном управлении станками

Повышение производительности и качества работ на металлорежущих станках связано с механизацией и автоматизацией цикла обработки заго товки.

Под управляющей программой понимают совокупность команд на языке программирования, соответствующую заданному алгоритму функционирова ния станка по обработке конкретной заготовки.

В зависимости от способа задания размерной информации все системы управления станками делят на аналоговые (нечисловые) и числовые. Аналого вые системы управления преобразуют исходную информацию, заложенную в программоноситель в процессе подготовки производства. Программоносите

25

лями могут быть упоры, расположенные определенным образом на станке, копиры, кулачки и распределительные валы. Исполнительные органы станка, по исходной информации, представленной в виде аналога программы пере мещений, воспроизводят данную программу обработки заготовки.

Аналоговые системы управления классифицируют на следующие типы: замкнутые, незамкнутые, копировальные со следящим приводом.

Системы управления замкнутого типа осуществляют контроль исполни тельного органа станка по пути (путевые), времени (временные), скорости, мощности, давлению и другим параметрам.

Системы управления с приводом от копира, кулачка, храпового механиз ма и другие, осуществляющие дозированное перемещение исполнительных органов станка, а также системы без усилителя мощности (копировальные прямого действия) относят к незамкнутым.

Широко применяют в станках различных типов копировальные системы со следящим приводом (гидравлическим, электрогидравлическим или электриче ским). Эти системы имеют обратную механическую или электрическую связь.

Частично или полностью программировать цикл работы станка, режим обработки и смену инструмента, задавать путем предварительно налаживае мых упоров величину перемещений его исполнительных органов можно с по мощью системы циклового программного управления (ЦПУ). Будучи аналоговой системой управления замкнутого типа она обладает высокой гибкостью, обеспечивает легкое изменение последовательности включения аппаратов (электрических, гидравлических, пневматических и т.д.), управляющих эле ментами цикла. Преимущество системы ЦПУ — простота конструкции и об служивания, а также низкая стоимость; недостаток — трудоемкость размер ной наладки упоров и кулачков.

Станки с ЦПУ применяют в условиях серийного, крупносерийного и мас сового производства деталей простых геометрических форм. Этими система ми оснащают токарно револьверные, токарно копировальные, лоботокарные, вертикально фрезерные, копировально фрезерные, вертикально сверлиль ные, агрегатные станки, промышленные роботы (ПР) и др.

Термины и определения основных понятий в области числового про граммного управления металлорежущим оборудованием установлены ГОСТ 20523—80.

Числовое программное управление станком (ЧПУ) — управление обработкой заготовки на станке по управляющей программе, в которой данные заданы в цифровой форме.

Устройство, выдающее управляющие воздействия на исполнительные ор ганы станка в соответствии с управляющей программой и информацией о со стоянии управляемого объекта, называют устройством числового программного управления (УЧПУ).

Структуру комплекса «Станок с ЧПУ» можно представить в виде трех бло ков, каждый из которых выполняет свою задачу: управляющая программа (УП), устройство ЧПУ (УЧПУ) и собственно станок.

Управляющая программа содержит укрупненное кодированное описание всех стадий геометрического и технологического образования изделия. В УЧПУ управляющая информация в соответствии с УП транслируется, а затем используется в вычислительном цикле, результатом которого является фор мирование оперативных команд в реальном масштабе машинного времени станка.

26

Станок является основным потребителем управляющей информации, ис полнительной частью, объектом управления, а в конструктивном отноше нии — несущей конструкцией, на которой смонтированы механизмы с авто матическим управлением, приспособленные к приему оперативных команд от УЧПУ, которое является основным элементом в общей системе управле ния оборудованием. Функциональность реальной системы ЧПУ (СЧПУ) оп ределяется степенью реализации целого ряда функций при управлении:

—ввод и хранение системного программного обеспечения (СПО);

—ввод, хранение УП и реализация исходной информации;

—интерпретация кадра;

—интерполяция;

—управление приводом главного движения;

—логическое управление;

—коррекция на размеры;

—реализация циклов;

—смена инструмента;

—коррекция погрешностей механических и измерительных устройств;

—адаптивное управление обработкой;

—накопление статистической информации;

—автоматический встроенный контроль.

Дополнительные функции: обмен информацией с ПК верхнего уровня, оптимизация отдельных режимов и циклов технологического процесса, со гласованное управление оборудованием технологического модуля, управление элементами автоматической транспортно складской системы, управление внешними устройствами, связь с оператором, техническая диагностика тех нологического оборудования и самой системы ЧПУ и др.

К УЧПУ сходятся все нити управления автоматическими механизмами станка. Конструктивно УЧПУ выполняют как автономный электронный аг регат, имеющий устройство ввода УП, вычислительную часть, электрический канал связи с автоматическими механизмами станка.

В соответствии с международной классификацией все УЧПУ по уровню технических возможностей подразделяют на следующие основные классы:

NS (Numerical control); SNC (Stored numerical control); CNC (Contputer numerical control); DNC (Direct numrical control); HNC (Handied numerical control); VNC (Voise numerical control), NEURO Fuzzy системы управления.

Современные УЧПУ имеют класс не ниже CNC, т.е. имеют в основе уст ройства мощный ПК со всеми его возможностями. УЧПУ классов CNC, DNC, HNC относят к устройствам с переменной структурой. Основные алго ритмы их работы задаются программно (или аппаратно программно) и могут изменяться для различных условий, что позволяет уменьшить число модифи каций УЧПУ, ускорить их освоение, в том числе УЧПУ с самоподнастраи вающимися алгоритмами. УЧПУ этих классов имеют структуру ПК и облада ют характерными признаками вычислительной машины.

Для работы УЧПУ должно быть соответствующим образом запрограмми ровано. Для этого подобные системы имеют специальное программное мате матическое обеспечение (ПМО), представляющее собой комплекс алгорит мов переработки информации, поступающей в виде УП. Математическое обеспечение может вводиться в систему через устройство ввода как и основ ная УП. Тогда система ЧПУ относится к классу свободно программируемых. В иных случаях математическое обеспечение закладывается в постоянную па

27

мять системы на стадии ее изготовления. Однако во всех случаях существуют возможности для изменения, дополнения, обогащения этого математического обеспечения, в силу чего подобные УЧПУ обладают большой гибкостью и способностью к функциональному наращиванию.

УЧПУ могут быть как составной частью поставляемого оборудования, так и устройством, используемым при модернизации уже имеющихся в эксплуа тации станков. Моделей УЧПУ достаточно много (табл. 1.6). Эти устройства производятся как отечественными, так и зарубежными фирмами. От уровня модели УЧПУ зависят многие технологические характеристики управляемого ею оборудования. В общем случае УЧПУ характеризуют следующие данные:

—количество одновременно управляемых осей;

—количество цифровых входов/выходов;

—обеспечиваемая дискретность приводов подач;

—объемы оперативной памяти и памяти жесткого диска базового компь ютера ЧПУ;

—интерфейс обмена;

—характер и схемы компенсаций погрешностей;

—виды и схемы коррекций;

—функции интерполяции;

—графический интерфейс;

—функции «Просмотр кадров вперед»/«Управление разгоном — торможе нием»;

—дополнительные технологические программы и подпрограммы;

—измерительные циклы;

—и другие.

Т а б л и ц а 1.6. Сведения о наиболее употребляемых

в станкостроении моделях УЧПУ и их производителях

28

1.5.Конструктивные особенности современных отечественных УЧПУ

ЧПУ Flex NC — отечественная разработка с использованием современной зарубежной элементной базы с открытой архитектурой класса «PC based». Это современное, надежное, точное устройство программного управления всеми типами технологического оборудования в 3 , 4 и 5 координатном ис полнении, разработанное на базе контроллера движения. Применение стан дартного персонального компьютера, работающего под операционной систе мой Windows, дает возможность для унификации и использования всех пре имуществ: большой ресурс памяти, вычислительная мощность, стандартные интерфейсы, многочисленное системное, инструментальное и пользователь ское программное обеспечение, которое поставляется огромным количеством фирм по всей Российской Федерации. Персональный компьютер для систе мы Flex NC — это системный блок с процессором Pentium II и выше. TFT монитор (15), HDD 40 Гб и выше, FDD, CD ROM, стандартная кла виатура, оптическая мышь, сетевая карта. В слот расширения персонального компьютера устанавливается мощный программируемый многоосевой кон троллер движения Turbo PMAC (Prog rammable multi axis controller), который в реальном режиме времени управляет всеми механизмами станка. РМАС представляет собой электронную плату с цифровым сигнальным процессором DSP 5630Х фирмы «Motorola» (США), оригинальными большими интеграль ными микросхемами DSP GATE для связи со станком. Контроллер РМАС

29