Основные компоненты систем ЧПУ

Фрезерные станки с ЧПУ предназначены для обработки плоских и пространственных поверхностей заготовок сложной формы. Конструкции фрезерных станков с ЧПУ аналогичны конструкциям традиционных фрезерных станков. Отличие от последних заключается в автоматизации перемещений узлов по УП при формообразовании. Подавляющая часть портальных станков с ЧПУ имеет весьма схожую структуру. Фрезерный портальный станок с ЧПУ можно условно поделить на следующие части:

1. Станина - скелет станка, его несущая конструкция,в каком-то смысле станина и есть станок. От её правильной проектировки и исполнения(сварки, сборки) зависит самый важный параметр станка - жесткость, а следовательно, и точность обработки. Станины портальных станков изготавливаются из разнообразных материалов, однако наибольшее распространение получили станины, изготовленные из алюминиевого конструкционного профиля, фрезерованных алюминиевых деталей и сварные станины из стали (прокат или листовая сталь). Все более набирают обороты также литые станины из полимерных материалов, но задача литья такой станины не под силу начинающим. Подробней вопросы изготовления станины для станка будут освещены в отдельной статье.

2. Рабочий стол - это поверхность, над которой перемещается рабочий инструмент станка (фреза, гравер и т.д.). Стол служит для закрепления обрабатываемой заготовки, и это накладывает определенные требования на его конструктивное исполнение. Стол должен быть достаточно ровным, и обеспечивать возможность закрепить заготовку в любом месте. Основными решениями для этого являются использование стола с Т-пазами («Т-стол») и вакуумных столов. Стол с Т-пазами позволяет закрепить практически любую заготовку с помощью специальных зажимов. Вакуумные столы прижимают заготовку к себе за счет создания разрежения под сеткой на поверхности, поэтому они способны фиксировать только заготовки с плоской нижней частью(разнообразные листовые материалы), а также они существенно дороже. Однако вакуумные столы позволяют равномерно прижать заготовку по всей её площади, тогда как при фиксации большой плоской заготовки на Т-столе заготовка в центральной своей части может прогнуться вверх, что приведет к снижению соответствия размеров у конечной детали.

3. Двигатели. Двигатели - связующее звено между электронной частью системы ЧПУ и механической частью, они (точнее, их управляющие модули - драйверы) получают сигналы с контроллера ЧПУ (часто в этой роли выступает персональный компьютер) и преобразуют их во вращательное движения собственного вала. В станках с ЧПУ используются 2 вида двигателей: Серводвигатели и шаговые двигатели (а также линейные двигатели - разновидность серводвигателей. Линейные двигатели одновременно являются и трансмиссией для оси). Сказанное далее будет относиться к классическим шаговым и сервоприводам. Шаговые двигатели распространены в самодельных станках с ЧПУ и бюджетных моделях промышленных гравировально-фрезерных станков, а также станков лазерной, плазменной резки и т.п. Причина - в их низкой стоимости и простоте управления. Драйверы шаговых двигателей - достаточно бюджетные устройства, широко представлены на рынке от самых простых моделей до весьма продвинутых цифровых драйверов. Платой за простоту и бюджет становится низкий КПД шаговых двигателей, их низкая удельная мощность, слабая способность к ускорению, высокие вибрации, гул и резонанс, что в сумме сильно влияет на эксплуатационные характеристики станка. Серводвигатели - двигатели с установленным датчиком угла поворота. Это семейство представлено достаточно широко, существуют щеточные и бесщеточные двигатели, постоянного и переменного тока. В целом про серводвигатели можно сказать, что их отличает высокая плавность хода, высокий КПД, способность переносить кратковременные перегрузки. Однако управление серводвигателем гораздо сложнее, серводрайверы - устройства существенно более дорогие и сложны в настройке. Существует также бюджетные варианты щеточных серводвигателей, однако из-за наличия изнашивающейся части (щеток) они менее предпочтительны, чем бесщеточные.

4. Драйверы двигателей. Блоки управления двигателями отличаются разным набором функций, а также разными электротехническими характеристиками. И если к серводвигателям блок, как правило, поставляется в паре, то шаговые моторы идут обычно без драйверов, а попробовав самостоятельно подобрать что-либо, можно очень надолго задержаться на этом этапе, так как предложений на рынке очень много. Драйверы шаговых двигателей производства Purelogic R&D нового поколения обладают более высоким КПД, более низким нагревом, оптимизацией схемотехники и дополнительным набором функций, по сравнению со стандартными драйверами ШД. Драйверы нового поколения оптимально управляют токами обмоток шагового двигателя и просты в настройке. Драйверы нового поколения позволяют:

• применить сверхточные алгоритмы управления;
• получить максимальную отдачу от двигателя,
• повысить КПД;
• обеспечить возможность загрузки параметров по USB интерфейсу;
• повысить отказоустойчивость;
• увеличить чувствительность цепей защиты;
• увеличить деление шага (до 512);
• применить новые алгоритмы подавления резонанса;

Многоканальные драйверы - это законченное решение для ЧПУ станка, устройство состоит из конструктивно объединенных драйверов ШД и платы коммутации. Многоканальные драйверы подключаются к ПК или контроллеру PLCM и управляют ШД. Кроме этого в состав контроллера входят дополнительные устройства, необходимые для ЧПУ станка - таймер СОЖ, конвертор ШИМ>напряжение, силовые реле и пр. Purelogic R&D предлагает многоканальные драйверы ШД с разным числом каналов, для разных типов ШД и с разными интерфейсами управления LPT/USB/Ethernet. 

5. Передачи. Задача трансмиссии, или передачи, - превратить вращательное движение вала двигателя в поступательное перемещение по данной оси. Как правило, передача реализуется одним из 3 способов: передача винт-гайка, ШВП или зубчатая передача ( шестерня-рейка или шкив-ремень). Передача вместе с видом двигателя определяет скорость перемещения по оси, разрешение задания позиции, а также влияет на точность. Каждый вид передачи изготавливается с определенной точностью. 

5.1. Шарико-винтовая передача в настоящий момент является стандартом де-факто при строительстве станков с ЧПУ. Стальной винт с беговыми дорожками для шариков, подвергнутый индукционной закалке и последующей шлифовке, и специальным образом подогнанная гайка с циркулирующими внутри шариками.

5.2. Зубчатые передачи, применяемые в станках с ЧПУ, бывают 2 видов: ременная передача и зубчатая рейка.

Ременная передача используется в тех случаях, когда масса движимой части невелика. Зубчатый ремень растягивается вдоль оси и фиксируется по концам специальными пластиками. Зубчатый шкив надевается непосредственно на вал двигателя, закрепленного на движимой части (портале), плотный обхват шкива ремнем обеспечивается натяжными роликами, которые обычно изготавливаются из подходящих по размеру радиальных шарикоподшипников. Несмотря на то, что все приводные ремни армированы стальным или стекловолоконным кордом, это не спасает его от растяжения, и чем длиннее ремень, тем сильней он будет тянуться. Чем сильнее тянется ремень, тем меньше точность и ниже частота собственных колебаний - передача может попадать в мощнейший резонанс на самых необходимых частотах перемещений.

Зубчатая рейка. Стальная зубчатая рейка используется на широкоформатных раскроечных станках плазменной и лазерной резки, портальных фрезерных станках широкого формата, форматно-раскроечных станках, где использование ШВП невозможно по причине провисания винта, а также где нужна высокая скорость перемещения. Передачи шестерня-рейка изготавливаются с определенным классом точности. Наибольшее распространение получили зубчатые передачи классов С5, С7 и С8. Зубчатая рейка, также, как и ремень, «не боится» пыли и стружки, но лишена недостатка растяжимости.

5.3. Передача винт-гайка. Под передачей винт-гайка подразумевается пара стальной винт с трапецеидальной или метрической резьбой и гайка. Данный вид передачи является передачей с трением скольжения и на практике в свою очередь имеет несколько разновидностей.

Винт с трапецеидальной резьбой - наиболее распространённый вид передачи в металлообрабатывающих станках в прошлом веке и по настоящее время. Трапецеидальные винты производятся их разных видов конструкционных углеродистых сталей путем нарезки резьбы на стальном прутке или её накатки. Подробнее о передачах...

6. Направляющие обеспечивают перемещение рабочего узла станка строго по заданной траектории. Качество самих направляющих и, что очень важно, качество их установки на станину - второй по важности фактор(после станины), определяющий точность вашего станка. К выбору направляющих стоит подойти очень ответственно.

6.1. Полированные валы. Самый распространенный и бюджетный вид направляющих. Отличается высокой доступностью, легкостью обработки и установки. Полированные валы изготавливаются из высоколегированных сталей, как правило - конструкционных подшипниковых, и проходят индукционную закалку поверхности с последующей шлифовкой. Валы имеют заводскую индукционную закалку, что обеспечивает продолжительное время работы и сопутствует меньшему износу вала.  

6.2. Линейные подшипники. Линейные подшипники качения имеют сравнительно большие люфты по сравнению с каретками рельсовых направляющих и меньшие нагрузочные характеристики. Помимо этого для защиты от поворота каретки необходимо использовать как минимум два направляющих вала на одну ось. Недостатки линейных подшипников качения:

6.3. Валы на опоре. Линейные валы на опорах служат для поддержки направляющей по всей длине, что предотвращает её прогиб под воздействием нагрузки или собственного веса при большой длине и массе движущейся каретки. Цилиндрические рельсы крепятся непосредственно на станок. Отверстия с резьбой в опоре выполнены специально для удобного крепления и обеспечивают надежную фиксацию направляющей на станине.

Цилиндрические рельсы имеют общие недостатки с полированными валам - высокий люфт у втулок, недолговечность. Однако цилиндрические рельсы уже не провисают на длине, и имеют большую грузоподъемность. В отличие от линейных подшипников на валы, каретки на цилиндрические рельсы реагируют на разнонаправленные нагрузки по-разному. Это происходит потому, что шариковые втулки на вал - замкнутые по контуру, а каретки на рельсы - нет. Этот эффект может привести, например, к тому, что небольшой станок с тяжелым шпинделем на цилиндрических рельсах может показать точность хуже, чем аналогичная конструкция на валах.

6.4. Шариковые профильные рельсовые направляющие. Профильные рельсовые направляющие используются там, где требуется высокая точность. Также, как и цилиндрические, профильные рельсы крепятся непосредственно на станину станка. В профильных рельсах сделаны специальные дорожки качения, в результате нагрузка на каретку распределяется по рабочей поверхности дорожек качения равномерно - профиль касания шарик-рельс уже не точка, а дуга. Профильные рельсы отличаются высокой точностью и прямолинейностью, высокой грузоподъемностью,высокой износоустойчивостью, низким люфтом или полным его отсутствием. Подробнее о направляющих...

7. Шпиндель. Частотный преобразователь Вместо шпинделя может быть установлен другой узел - лазерный гравер, установка плазменной или лазерной резки, экструдер. Мы рассмотрим шпиндель , как наиболее нагруженный узел. Шпиндель - как правило, это электродвигатель, особенностью которого является низкое биение вала и возможность регулировать скорость вращения в достаточно широких пределах. Вал шпинделя оканчивается конусом, в который устанавливается зажимная цанга, которая держит режущий инструмент - фрезу или гравер. Ключевыми характеристиками шпинделя являются: биение вала (как правило, измеряется биение на конусе) и мощность шпинделя (указывается в ваттах). Большинство шпинделей предназначены для обработки дерева, пластика, камня, металлообработки. Скорость вращения варьируется обычно от 6000 до 30000 оборотов в минуту. Для фрезеровки и гравировки металлов используются мощные шпиндели с низкими оборотами (2000-10000 об/мин). Многие портальные станки, предназначенные для обработки дерева и пластика, могут гравировать металлы, и даже иногда фрезеровать цветные металлы, однако в этом случае станок испытывает сильную вибрацию из-за отдачи на фрезу, которая не может быть погашена легкой станиной, и это резко снижает качество обработки и ресурс станка. Фрезеровка и гравировка металлов и некоторых видов пластика требует охлаждения режущего инструмента. В настоящее время существует множество способов охлаждения рабочей области, но основным остается подача смазывающе-охлаждающей жидкости на фрезу. Некоторые шпиндели, управляемые инвертором, позволяют контролировать скорость вращения из системы ЧПУ, путем подачи на вход инвертора (частотного преобразователя) аналогового сигнала 0..+10 В.

8. Платы опторазвязки/коммутации. Плата развязки, или плата коммутации - специальное устройство, которое подключается между логической и силовой частью системы ЧПУ для «разделения» сигналов. Эти достаточно распространенные устройства позволяют также удобно распределять сигналы с жил одного кабеля на различные устройства типа драйверов шаговых двигателей, а также часто снабжены дополнительными функциями.

Наиболее часто используемыми платами опторазвязки, производства компании Purelogic R&D являются платы серии PLC (такие как PLC4x-g2, PLC6x-g2). PLC4х-G2 – плата расширения (breakout board), которая позволяет превратить ПК в полноценную систему управления ЧПУ станком. Плата подключается к LPT-порту ПК и транслирует сигналы управления с LPT-порта на силовые драйверы шаговых двигателей. Модуль PLC4х-G2 позволяет управлять 1 ... 6 драйверами шаговых/серво двигателей с интерфейсом STEP/DIR/ENABLE. Все управляющие сигналы, поступающие с LPT порта ПК, проходят через токоусилительный буферный элемент (ток каждого контакта усилен до уровня 10мА). Буферизация всех сигналов порта ЛПТ (входов/выходов) полностью предотвращает выход порта из строя,модуль можно подключать к любому порту с логической единицей 3.3-5В. Модуль имеет 6 оптоизолированных входов для подключения концевых выключателей и кнопки E-STOP. На модуле установлены клемные разъемы и разъемы типа RJ-45 для подключения концевых выключателей, нагрузок реле, напряжения питания и драйверов ШД. Модуль поддерживает работу со всеми драйверами ШД и СД производства Purelogic R&D, а также с драйверами сторонних производителей.

9. Контроллер управления. Если у Вас проблемы с управлением через Mach3, и признаки указывают, что проблемы связаны именно с используемым Вами LPT-портом, то сменой ПО они не решается. Небольшой процент случаев, в которых это помогает, относится к той части проблем, которые связаны с генерацией DIR в Mach3 или просто нехваткой производительности ПК.

Самый лучший вариант - использовать контроллер. Контроллер аппаратно сконструирован, чтобы управлять ЧПУ-системами. Он снимает вычислительную нагрузку с компьютера и сам генерирует STEP/DIR/ENABLE. Стабильная частота, оптимизированные алгоритмы позволяют с установкой контроллера PLCM сразу получить много преимуществ: максимальная скорость и момент двигателей возрастают. В некоторых случаях - в 1.5-2 раза можно нормально работать на ПК при запущенном Mach3, и не бояться, что запуск, например, Блокнота вдруг отберет процессорное время у Mach3, и тот просядет по частоте. Нормально генерируется DIR, что устраняет пропуск шагов на некоторых контроллерах с опторазвязкой.

Одним из примеров подобных контроллеров производства компании Purelogic R&D является контроллер PLCM-E3. PLCM формирует импульсы гораздо качественнее, что значительно повышает момент работы двигателей и, как следствие, позволяет добиться большей скорости перемещения. В тестах на ШД без нагрузки максимальная скорость работы связки контроллер-двигатель без PLCM и с таковым отличается до 100%. Например, модуль PLC330, подключенный по LPT, раскручивает двигатель PL57H76 до ~20 оборотов/сек, после чего в работе ШД наступает «срыв». А будучи подключенным через PLCM-E3 модуль без срывов крутит ШД на скорости 40 оборотов/сек.

Так же одной из особенностей данного контроллера является возможность использовать полный набор 3х портов ввода-вывода. Специально для работы с данным контроллером компанией Purelogic R&D была разработка удобная плата расширения PLCM-B1. Это плата ЧПУ Ethernet/USB контроллера PLCM-E3/E3p, которая позволяет оптимально задействовать все его входы и выходы. На плате установлены разъемы для подключения 6-ти драйверов шаговых/ серводвигателей, 15 оптовходов, 16 оптовыходов, частотного преобразователя управления электрическим шпинделем и 6 сильноточных реле. Модуль PLCM-B1 позволяет управлять 1 ... 6 драйверами шаговых/серво двигателей (любыми с интерфейсом STEP/DIR/ ENABLE). Модуль можно использовать для создания различных X-Y-Z координатных систем — фрезерных станков ЧПУ, этикеточного оборудования, граверов, лазерных резаков, раскладочных станков.

10. Программное обеспечение систем ЧПУ Помимо известных систем управления ЧПУ, таких как Mach3 на рынке представлено большое количество продуктов, работающих как с собственными контроллерами (UCCNC, NCStudio) так и работающих с LPT-портом (TurboCNC, LinuxCNC).

Компания Purelogic R&D представила собственную разработку системы управления ЧПУ станком. PureMotion – это самая современная система управления, позволяющая максимально широко реализовать функционал Вашего станка. PureMotion позволяет производить обработку изделий с прецизионной точностью и обеспечивает оперативное решение производственных задач на современном оборудовании. Для работы системы управления требуется контроллер перемещений PLCM-E3 или PLCM-E1b, персональный компьютер (десктоп или ноутбук) c ОС Windows и установленное ПО PureMotion. Основные отличительными особенностями Puremotion от прочих подобных продуктов являются:

• клиент-серверная архитектура. 9 координатных осей.
• широкие возможности пользовательского интерфейса.
• поддержка фрезеровочных и токарных функций. G-коды больших размеров и высокоточная фрезеровка.
• три режима перемещения в PureMotion.
• быстрый старт с любой строки G-кода.
• регулировка скорости выполнения G-кода Feedrate override.