Конструкция и принцип работы токарного станка с ЧПУ

Предназначение

Токарные станки с ЧПУ – современные варианты стандартных станочных аналогов, оснащенные рядом дополнительных функций, одной из которых является наличие системы ЧПУ. Такие устройства предназначены для обработки металлических заготовок токарным способом, но могут быть использованы и для работы с другими материалами. Благодаря этому токарные станки превратились в универсальные приборы, используемые в различных областях. Основная область применения – в заводских условиях и в быту.

С использованием станков с ЧПУ:

• производится внешнее и внутренне вытачивание деталей;
• изготовляются конусообразные элементы, или имеющие другие сложные формы;
• выполняется продольная обработка заготовки;
• производится черновая и чистовая обработка;
• регулируется длина деталей;
• вытачиваются пазы, выемки, отверстия;
• нарезается резьба дюймового и метрического типа.

Этот станок способен справиться с задачей практически любого уровня сложности. Поэтому область применения станков с ЧПУ для токарных работ – на предприятиях, занимающихся серийным производством деталей. Также использование токарных станков отмечается на частом производстве в малом бизнесе.

Классификация

Данные машины бывают трех типов:

• контурного;
• позиционного;
• адаптивного.

Первый тип включает приборы, работающие по заданной траектории. Такие агрегаты требуют контроля со стороны оператора. Ко второму типу относятся станки, способные выполнять обработку на устройстве точечным образом. Третий тип объединяет возможности контурного и позиционного станка.

Станки отечественного производства поступают в продажу с определенной маркировкой, при помощи которой можно определить возможности оборудования. Маркировка включает букву и цифру. Наиболее распространенные модели имеют маркировки:

• Ф1 – рабочий механизм выполняет обработку по заранее заданным координатам;
• Ф2 – рабочий механизм осуществляет точечную обработку;
• Ф3 – задается траектория, по которой выполняется точение на станках с ЧПУ под контролем оператора;
• Ф4 – комбинированная обработка, объединяющая возможности контурных и позиционных станков.

Также токарные станки с программным управлением отличаются:

• расположением оси шпинделя;
• расположением направляющих;
• конструкционными особенностями;
• видом осуществляемой обработки.

Приборы с числовым программным управлением делятся по уровням точности, каждому из которых соответствует определенная маркировка:

• Н – нормальная;
• П – повышенная;
• В – высокая;
• А – особо-высокая;
• С – особо точные устройства (только мастер-станки).

Маркировка выбирается в зависимости от того, где планируется применение станочного прибора. Если в маркировке отечественного станка присутствует буква «С», это указывает на наличие дополнительных возможностей устройства.

Конструкция

В отличие от более старых аналогов современные станки, имеющие числовое программное управление, обладают более высоким показателем жесткости, и позволяют выполнить сложную обработку детали за более короткий период. Эти преимущества обусловлены конструкционными особенностями:

• отсутствием зазоров между придаточными элементами;
• высоким уровнем прочности несущих элементов, узлов агрегата и других комплектующих;
• минимальной длиной кинетических цепей и количеством механических передач;
• наличием сигнализаторов обратной связи;
• повышенной устойчивостью к вибрационным нагрузкам, возникающим при обработке деталей;
• наличием специальных систем, созданных для снижения иска тепловых деформаций.

Токарная обработка на станках обеспечивается благодаря направляющим. Этим комплектующие подвержены износу, но устойчивы к трению. Элементы конструкции взаимосвязаны между собой, и работают в одном режиме. Это условие связано с высокой точностью изделий.

Базовая конструкция токарного станка состоит из:

• станины;
• шпиндельной или передней бабки;
• суппорта;
• коробки подач;
• электрической части;
• револьверных головок.

Станина – основа оборудования, на которой размещаются остальные компоненты станочного прибора. Передняя бабка состоит из двух основных элементов агрегата: коробки скоростей и шпинделя. Суппорт включает нижнюю и верхнюю каретку – элементы, фиксирующие рабочий механизм. Суппорт получает движение через коробку подач. Устройство работает при помощи электромотора. Этот компонент аналогичен для различных моделей токарных станков, и может отличаться только мощностью. При помощи револьверных головок выполняется автоматическая замена инструмента.

При работе с габаритными заготовками могут использоваться станки, в конструкцию которых входят специальные тумбы. Они используются для фиксации детали на нужной высоте.

В продаже также имеются токарные центры, добавляющие токарному станку функции фрезеровочного аппарата.

Системы координат токарных станков с ЧПУ

При подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ наиболее трудоемким этапом является расчет траектории инструмента, очень сильно зависящий от правильного выбора и взаимной увязки систем координат детали, станка и инструмента.

В системе координат токарных станков с ЧПУ определяются начальные и текущие положения рабочих органов станка, их предельные перемещения. Выбор системы координат станка должен соответствовать рекомендациям ISO. Стандартная система координат представляет собой правую прямоугольную декартову систему координат XYZ (рис. 2) .

Рис. 2. Обозначение движений инструмента и расположение осей координат в станках с ЧПУ

Помимо трех основных декартовых координат, относительное положение инструмента и заготовки характеризуют возможные дополнительные вращения и перемещения.

Так, четвертая координата может быть связана с поворотом стола, пятая — с поворотом шпинделя, шестая — с дополнительным движением шпиндельной бабки и т д.

За исходную ось Z принята ось рабочего шпинделя При наличии контршпинделя выделяют ось Z1 для основного и Z2 — для контршпинделя, ось X всегда горизонтальна (рис. 3) . За положительное направление перемещения рабочего органа считают то, при котором инструмент и заготовка удаляются друг от друга Надо помнить, что эта система координат отличается от системы координат, принятой для расчета сил резания.

Кроме основных осей X и Z, которых может быть по нескольку, и осей С1 и С2, существуют также оси B и Y, управлением по которым оборудуются станки. Средняя точность позиционирования 0,005. . .0,008 мм. Скорости перемещения по осям X, Z (Y) от 15 до 40 м/мин; по оси С позиционирование выполняется со скоростью 100 мин-1. Индексация основного и контршпинделя обеспечена через 0,0001°. Ускорение при перемещении достигает 10 м/с2.

Рис. 3. Положение осей у токарного станка с ЧПУ при наличии контршпинделя и двух револьверных головок

При обработке детали на станке с ЧПУ можно выделить три координатные системы положения. Первая — система координат станка XMZ, имеющая начало отсчета в точке М — нуле станка. В этой системе определяются положения базовых точек отдельных узлов станка.

Вторая — система координат детали Предназначена она для задания координат опорных точек обрабатываемых поверхностей, а также координат опорных точек траектории инструмента В качестве системы координат детали используются правая прямоугольная, цилиндрическая и сферическая системы координат. Координатами точки в ней являются расстояния x, y, z от точки до трех взаимно перпендикулярных координатных плоскостей В цилиндрической системе координат точка задается радиус-вектором р, центральным углом φ, определяющим положение проекции точки на основной плоскости, и аппликатой z В сферической системе координатами точки являются радиус-вектор r, долгота φ и полярный угол θ.

И третья система — система координат инструмента, в которой определено положение центра Р инструмента относительно базовой точки F (К, Т) элемента станка, несущего инструмент. Система координат инструмента предназначена для задания положения его настроечной точки относительно державки или центра поворота инструментальной головки. Оси Хи, Zи параллельны осям системы координат станка и направлены в ту же сторону.

Если у станка имеется несколько рабочих органов, несущих инструмент, для задания их перемещений используются разные системы координат. В отличие от осей X, Y, Z (первичных), параллельные им оси, расположенные дальше от шпинделя, называют вторичными и обозначают, соответственно, U, V, W. Оси третьего рабочего органа обозначают буквами P, Q, R.

Наличие связи систем координат станка, детали и инструмента позволяет выдерживать заданную точность обработки детали при ее переустановке, а при подготовке управляющей программы задавать траекторию перемещения инструмента в системе координат детали

Принцип работы

Работа на токарных станках с ЧПУ зависит от характеристик используемого прибора. Выбор станка зависит от:

• допустимого показателя толщины обрабатываемой заготовки;
• максимального расстояние, которое можно установить между центральными частями бабок;
• допустимого диаметра детали, устанавливаемой над суппортом.

Задняя бабка используется для установки фрезы, или другого рабочего инструмента. Движение бабки выполняется по траектории рельс, расположенных на станине. Длина перемещения равна размерам заготовки. Вдоль обрабатываемой детали перемещается рабочий инструмент, движение которого зависит от каретки. Суппорт отвечает за то, чтобы его положение не сбилось в ходе точения.

Одиночный держатель применяется для простой обработки станками. Более сложные задачи выполняются при помощи головок, способных разместить несколько резцов. Наибольшее количество резцов составляет четыре.

Использованию деталей при помощи такого устройства следует отдать предпочтение при работе со сложными формами.

Электромотор использует ременную передачу. Она способна обеспечить высокую производительность. Недостаток такой передачи заключается в растягивании ремня. Чтобы производительность сохранялась на высоком уровне, ремень периодически подтягивается.

Конструкции основных узлов станков с ЧПУ

В приводах главного движения токарных станков передняя бабка обычно является шпиндельной. Большие мощности и частоты вращения, большая нагруженность шпиндельных подшипников привели к необходимости интенсивного охлаждения, которое обеспечивается в основном путем оребрения бабки или пропусканием охлаждающей жидкости (рис. 5).

Рис. 5. Система оребрения шпиндельных узлов станков фирмы HAAS (США)

В качестве приводных двигателей в станках с ЧПУ обычно применяются регулируемые двигатели постоянного и переменного тока. Последние проще по конструкции и обладают большей надежностью благодаря отсутствию щеточных узлов (особенно в области высоких частот вращения, которые требуются для главного движения). Диапазон регулирования двигателя с постоянной мощностью (Rд)р ограничен значением 3. . . 5 (в последних моделях двигателей 6. . . 8), что требует, как правило, применения в приводе главного движения механических устройств (коробок скоростей) с числом ступеней скорости от двух до четырех.

Предпочтение отдается варианту мотор — шпиндель, обеспечивающему большую мощность, но еще повсеместно движение от электродвигателя на шпиндель передается с помощью поликлино- вого или зубчатого ремня. Сам шпиндельный узел стал сменным. Частота вращения шпинделя за счет появления лучших инструментальных материалов для станков с патроном диаметром 250 мм сейчас составляет свыше 10 000 мин-1 при мощности, доходящей до 43 кВт.

В токарных станках вместо зубчатых кинематических цепей применены беззазорные шариковые винтовые передачи с высоко- моментными регулируемыми электродвигателями, что обеспечивает точное перемещение суппортов. При этом не только значительно уменьшаются силы трения (коэффициент трения покоя для направляющих качения в 20 раз меньше, чем для направляющих скольжения) и исключается прерывистость движения, вызванная при скольжении эффектом прилипания, но и уменьшается износ сопряжения.

Существенную долю выпускаемых станков (около трети) составляют токарные станки с ЧПУ с вертикальным расположением шпинделя или двух шпинделей. Общей практикой стало то, что заднюю бабку заменяют контршпинделем с характеристиками, равными или близкими характеристикам основного шпинделя Время для передачи заготовки из одного шпинделя в другой составляет около 10 с и достигается или за счет «наезда» контршпинделя, или с помощью манипулятора (станок INTEGREX 200-IIIST фирмы MAZAK (Япония)).

У токарных станков инструмент устанавливается в револьверной головке на 12, реже на 10 (8) позиций. Возможен вариант исполнения револьверной головки на 24 инструмента (рис. 6) .

Размер сечения резца, установленного в револьверной головке, колеблется от 20 до 32 мм, а диаметр осевого инструмента — от 32 до 50 мм. Приводными являются, как правило, все позиции револьверной головки (12, 24) или большая часть. Время смены соседних инструментов от 0,15 до 1 с, хотя еще не редкость смена инструмента за 4 с. Больше четверти всех станков с ЧПУ имеют две, три и даже четыре револьверные головки, которые могут работать одновременно (рис. 7) .

Рис. 6. Револьверная головка на 24 инструмента, из которых 18 приводные со скоростью 9000 мин-1 и мощностью 6 кВт

Рис. 7. Токарный обрабатывающий центр серии TD42-Triplex (без защитного ограждения) с двумя шпинделями и тремя револьверными головками

Как правило, станки оборудуются системами измерения как заготовки и детали, так и инструмента, что освобождает от необходимости точных измерений до начала обработки.

Положение направляющих станины в пространстве уже традиционно наклонное. Большинство современных станков средних размеров с ЧПУ имеет оригинальную компоновку, позволяющую повысить их жесткость, улучшить защиту направляющих и винтовых передач, обеспечить свободный отвод стружки и удаление ее из рабочей зоны, применять загрузочные устройства любых типов, обеспечить свободный доступ к инструменту и приспособлениям, повысить безопасность работы