Современные фрезерные станки обеспечивают высокую скорость и точность обработки — во многом благодаря системе ЧПУ (числового программного управления). Система ЧПУ представляет собой сложное микроэлектронное устройство. Архитектура системы аналогична хорошо известному устройству персонального компьютера — для хранения текущих данных предусмотрена оперативная память, а непосредственно обработку программных кодов осуществляет контроллер ЧПУ (по сути — микропроцессор).
Задачей системы ЧПУ — помимо общего «наблюдения» за электронными системами фрезерного станка — является формирование управляющих импульсов для исполнительных элементов — электродвигателей инструментального портала. На основании программного кода микропроцессор ЧПУ формирует импульсы определённой продолжительности, благодаря чему инструментальный портал (а также шпиндель с закреплённой фрезой) получают движение согласно маршруту обработки, «прописанному» в файле управляющей программы. Логическая часть микроконтроллера, ответственная за эту операцию, называется «интерполятор».
Принцип задания траектории фрезы
Траектория движения фрезы относительно заготовки задаётся в программе в виде координат узловых точек, лежащих по контуру обработки. Поскольку количество точек ограниченно (контур запрограммирован дискретно), отрезок движения фрезы между двумя отдельными точками формируется микроконтроллером «самостоятельно», путём интерполяции значений координат ближайших узловых точек. Следовательно, от характера интерполяции во многом зависит качество обработки детали, а также возможности применения такой привлекательной технологии как высокоскоростная обработка.
В современных системах ЧПУ реализована интерполяция двух типов:
- линейная (прямое движение инструмента между ближайшими узловыми точками);
- линейно-круговая (когда инструмент способен перемещаться между узловыми точками не только по прямой, но и по дуге).
Для реализации алгоритма линейно-круговой интерполяции, управляющая программа должна содержать не только координаты узловых точек, но и величины центров дуг (а также значения радиусов).
Особенности новейших систем ЧПУ
На сегодняшний день наиболее интересным и перспективным направлением механической обработки является ВСО — высокоскоростная обработка резанием. ВСО базируется на закономерности резкого уменьшения силы резания при определённой скорости обработки. Диапазон этой скорости строго индивидуален и не является постоянным. Следовательно, для уверенной обработки в режиме ВСО система ЧПУ должна так выстраивать траекторию обработки, чтобы при любом изменении условий резания относительная скорости движения фрезы и заготовки не выходила за границы области ВСО.
Достижение этого немыслимо без ряда условий. Во-первых, система ЧПУ должна быть достаточно производительной, способной «думать вперёд» и заранее просчитывать траекторию инструмента, избегая резких смен направления и необходимого для этого разгона/торможения портала (что чревато значительными динамическими нагрузками на фрезерный станок в целом). Во-вторых, фрезерный станок должен обладать повышенной жёсткостью, а его исполнительные элементы (шаговые электродвигатели или серводвигатели) — достаточным запасом по быстродействию. Следует отметить, что конструкция современных фрезерных станков с ЧПУ, даже сравнительно доступной цены, как правило, способна поддерживать ВСО без особых проблем. И в третьих, программа обработки должна быть создана в CAD/CAM системе, «честно» реализующей алгоритм ВСО (что для современного «софта» встречается далеко не всегда!).
Описанное выше наглядно показывает, сколь велика роль интерполятора, в задачи которого входит обеспечение «в реальном времени» согласованного движения режущего инструмента в трёх (или четырёх и даже пяти!) независимых плоскостях, да ещё мгновенная оптимизация траектории с упреждающим прогнозом «трудных участков»!
Точность обработки фрезерных станков с ЧПУ
Траектория движения инструмента строится методом линейной или линейно-круговой интерполяции. Поскольку значения узловых точек задаётся дискретно, траектория инструмента, вычисленная микропроцессором-интерполятором, будет отличаться от идеальной. При этом определённой длине управляющего импульса будет соответствовать конкретная величина перемещения режущего инструмента. Современные системы ЧПУ имеют точность отработки порядка 0,01 мм/импульс. Более перспективные системы, внедряемые в настоящее время, обладают ещё большей точностью — до 0,001 мм/имп.
Однако точность фрезерного станка зависит не только от характеристик микросистемы ЧПУ, но и от механической подсистемы. Для соответствия заявленным характеристикам исполнительные элементы — электродвигатели — должны обеспечивать быстрое и точное перемещение (т. н. «отработку импульсов). При этом шаговые электродвигатели теряют быстродействие и точность при определённом увеличении их мощности. В «старших» моделях фрезерных станков, рассчитанных на большие размеры заготовок, шаговые электродвигатели заменяют на серводвигатели. Серводвигатели могут развивать очень высокую мощность, но для обеспечения требуемой точности позиционирования требуют наличия датчиков положения инструментального портала. Характеристики датчиков, при этом, также существенно влияют на общую точность фрезерного станка. И, естественно, без применения высококачественных узлов трения (подшипников, линейных направляющих инструментального портала, винтовых пар и т. д.), достичь высоких показателей точности и быстроты работы фрезерного станка с ЧПУ просто невозможно.
Рациональное построение маршрута обработки
Несмотря на значительный «запас прочности» современных фрезерных станков с ЧПУ — как по механической части, так и по вычислительной мощности — успех обработки заготовок по-прежнему зависит от «человеческого фактора». Это, в частности, означает, что ошибки при разработке управляющей программы могут свести на нет все достоинства оборудования.
Несмотря на производительную систему ЧПУ, рекомендуется всегда оптимизировать траекторию обработки — как с помощью встроенных утилит современных CAM-систем, так и применяя опыт профессиональных технологов. При этом оптимальная траектория не просто облегчает задачу выпуска качественного изделия, но и снижает износ станка и инструмента, а главное — сокращает машинное время обработки заготовок. Это, в свою очередь, повышает производительность выпуска и увеличивает конечную прибыль, что является основной целью любого промышленного предприятия.