Aкомпьютерный станок с числовым программным управлением (ЧПУ) - это обрабатывающий инструмент, который формирует заготовку до желаемой формы, которая будет соответствовать производственным директивам и требованиям к компонентам. Станки с ЧПУ используют предварительно запрограммированное программное обеспечение для управления движениями сложного оборудования, включая шлифовальные, токарные, фрезерные и другие режущие инструменты, используемые для удаления материала.
Эти автоматизированные производственные технологии могут выполнять широкий спектр сложных и точных задач обработки с ЧПУ для создания промышленных изделий и специально разработанных деталей для автомобильной, оборонной и аэрокосмической промышленности.
Хотя 3D-печать и другие процессы аддитивного производства занимают центральное место в производстве компонентов из мягких материалов в 21 веке, большинство предметов повседневного обихода по-прежнему являются результатом высокоавтоматизированных методов субтрактивной обработки.
Пластиковые бутылки для воды изготавливаются из пресс-форм с использованием технологии штамповки с ЧПУ, а отдельные компоненты системы привода любого автомобиля фрезеруются до точных размеров, чтобы все движущиеся шестерни идеально подходили друг к другу для достижения оптимальных механических характеристик.
«Скорее всего, почти все, к чему вы прикасаетесь в своей повседневной жизни, в какой-то момент касалось станка», - говорит профессор инженерного дела Ноксвиллского университета Теннесси Тони Шмитц. «Если вы когда-нибудь путешествовали на самолете - например, на Boeing 747 - более миллиона отдельных компонентов были обработаны, а затем собраны, чтобы этот самолет оторвался от земли».
Как работает станок с ЧПУ?
Станки с ЧПУ столь же универсальны и динамичны, как и множество изделий, которые они создают. Тем не менее, большинство станков с ЧПУ работает в двух рамках: система с разомкнутым или замкнутым циклом.
В разомкнутых системах ЧПУ оператор разрабатывает числовое программное управление для выполнения поставленной задачи и генерирует g-код или рабочий файл с помощью программного обеспечения автоматизированного проектирования (САПР). Затем компьютер передает соответствующие шаги контроллеру и подключенным к нему серводвигателям.
Эти двигатели управляют режущими инструментами, такими как токарные станки или шлифовальные станки, по крайней мере по двум осям (X и Y), хотя высокотехнологичные станки с ЧПУ могут повысить универсальность и точность за счет перемещения фрезерных станков с ЧПУ и других принадлежностей вокруг нескольких дополнительных осей.
Системы с ЧПУ с обратной связью передают данные обратной связи на монитор для устранения несоответствий, когда станки с ЧПУ перемещаются по материалу. Эта связь двигатель-монитор позволяет замкнутым системам изменять скорость, положение и скорость подачи токарных станков и других станков с ЧПУ в режиме реального времени.
5 Основные функции станков с ЧПУ
Вот несколько наиболее распространенных промышленных применений станков с ЧПУ:
1. Резка
Станки с ЧПУ являются отличными инструментами для проектов, требующих точной и эффективной скорости резки, и они могут использовать два самых передовых метода резки: электроэрозионную электроэрозионную обработку (электроэрозионную машину) и проволочную электроэрозионную обработку.
Эрозионная электроэрозионная обработка грузил использует термическую эрозию от взаимодействия двух электродов, один из которых прикреплен к инструменту в виде меди или графита. Другой - это диэлектрическая жидкость, в которой омывается материал. Удивительно, но инструмент и заготовка никогда не вступают в непосредственный контакт во время производства. Проволочный электроэрозионный станок работает таким же образом, за исключением того, что в качестве точных режущих инструментов используются проволочные электроды.
2. Бурение
В этом точном процессе пробивки отверстий используется вращающийся режущий инструмент, обычно сверла или высокоскоростные водяные струи, для создания круглых отверстий в неподвижной заготовке. В эти отверстия часто вставляются монтажные винты и болты.
3. Шлифовка
Станки с ЧПУ часто оснащены абразивными кругами, обеспечивающими практически безупречную обработку поверхности. Этот метод субтрактивного шлифования значительно превосходит по точности любой процесс аддитивного производства и может уменьшить дефекты до допусков до 1/10 ширины человеческого волоса.
4. Фрезерование
Фрезерный станок с ЧПУ, аналогичный обычным фрезерным станкам и другим ручным фрезерным станкам, использует токарные станки, водометы или токарные инструменты для удаления материала с неподвижной заготовки. Фрезерные станки с ЧПУ могут перемещаться по нескольким осям, что позволяет операторам выполнять задачи горизонтального, вертикального, углового и торцевого фрезерования с абсолютной точностью. Эти многоугольные возможности повышают эффективность процесса производства сложных деревянных, металлических и пластиковых деталей, поскольку оператор может регулировать и повторно закреплять заготовку меньше раз.
5. Поворот
Этот процесс станка с ЧПУ работает аналогично фрезерованию; однако вместо того, чтобы прикрепить приклад к рабочей станции, он прикреплен к поворотному механизму, который вращается с высокой скоростью. Затем рабочий, использующий токарный станок или ЧПУ с аналогичным приспособлением, удаляет небольшое количество материала, пока не придаст заготовке желаемую форму.
Что такое программное обеспечение для автоматизированного производства?
Программное обеспечение автоматизированного производства (CAM) является важным компонентом процесса обработки с ЧПУ. Это посредник и интерпретатор любой операции компьютерной обработки, поскольку он управляет как человеческим, так и автоматизированным вводом и выводом на каждом этапе производства.
Например, дизайнеры создают 3D-модели своего проекта в программном обеспечении для автоматизированного проектирования (CAD) и загружают файл в CAM. Затем CAM интерпретирует модель и действует как генератор m-кода или g-кода, переводя цель проекта на язык программирования ЧПУ. Когда станок с ЧПУ работает над проектом, он отправляет данные обратно в CAM и информирует оператора о любых переменных, которые могут повлиять на результат продукта.
Краткая история станков с ЧПУ
Обработка на станках с ЧПУ уходит своими корнями в технологический прогресс во время промышленной революции в середине 19 века, когда производственные компании начали использовать токарные и фрезерные станки с кулачковым механизмом в массовом производстве огнестрельного оружия, фабричного оборудования и предметов повседневного обихода. К 1940-м и 1950-м годам элементарная обработка с числовым программным управлением в виде перфокарт с m-кодом начала автоматизировать несколько производственных задач, которые первоначально контролировались вручную командой рабочих.
По мере совершенствования цифровых компьютеров и компьютерного программного обеспечения в 1970-х и 80-х годах можно было автоматизировать больше производственных инструментов для повышения скорости производства и общей эффективности.
Сейчас, в 21 веке, программное обеспечение CAM и CAD, а также передовые станки с ЧПУ позволяют небольшим производственным группам использовать экономически эффективную стратегию для производства больших объемов сложных деталей. Поскольку машинное обучение и искусственный интеллект продолжают развиваться, обрабатывающая промышленность, вероятно, продолжит оптимизировать и автоматизировать процессы.
Как будет выглядеть процесс обработки с ЧПУ в будущем?
Легко мечтать о мире, в котором роботы выполняют всю работу, когда мы вступаем в первые этапы революции искусственного интеллекта, однако и профессионалы в области машиностроения, и ученые-инженеры понимают, что процесс обработки с ЧПУ требует квалифицированных рабочих убедитесь, что все работает как надо.
«Это [обработка с числовым программным управлением] является краеугольным камнем, который не исчезнет в ближайшее время», - говорит Шмитц. Вместо этого Шмитц утверждает, что аддитивное и субтрактивное производство фактически дополняют друг друга до такой степени, что «гибридное производство» станет будущим процессом обработки с ЧПУ.
Schmitz также говорит, что это гибридное производство «начнется с аддитивной части, которая представляет собой предварительную форму или исходное состояние, а затем мы будем использовать ограниченную механическую обработку для получения гладкой поверхности, которую вы не можете достичь с помощью аддитивной обработки.."
Однако одним из самых сложных препятствий, стоящих перед обработкой с ЧПУ в будущем, является текущая нехватка рабочей силы квалифицированных машинистов, знакомых с программированием ЧПУ. Этот дефицит будет только усугубляться по мере того, как ветераны-профессионалы с ЧПУ уходят на пенсию, и лишь немногие приходят в отрасль, чтобы занять их место.
В Соединенных Штатах Министерство обороны и различные другие федеральные агентства осознали необходимость возрождения провальной национальной производственной программы и внедрения передовых производственных процессов, которые сделают страну конкурентоспособной в отрасли.
" Хотя исторически механическая обработка считалась ремеслом, когда кому-то нужны годы и годы обучения и практического опыта, прежде чем он сможет создавать детали, которые он хочет, я считаю, что мы отойдем от этого к более автоматизированная среда обработки», - говорит Шмитц. «Рабочие места по-прежнему будут, но они будут радикально отличаться от того, что было, когда технологии ЧПУ появились в 1940-х и 50-х годах."
Интересно
Соединенные Штаты были промышленным центром, который лидировал в мире инновационных технологий после Второй мировой войны. Затем в 1960-х и 1970-х годах США начали аутсорсинг производства, что привело к усилению зависимости от товаров иностранного производства. Руководство отрасли и федеральные организации согласны с тем, что страна остро нуждается в повышении самостоятельности и возрождении американской обрабатывающей промышленности в 21 веке. Поскольку рабочая сила сокращается, и меньше людей приходит, чем покидает область технологий ЧПУ, сейчас самое подходящее время, чтобы присоединиться к этой востребованной профессии.