Станки с ЧПУ: Устройство, программирование, инструментальное обеспечение и оснастка

СТАНКИ С ЧПУ

Устройство, программирование, 
инструментальное обеспечение 
и оснастка

Учебное пособие

3-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2017

УДК 621.9(075.8)
ББК  34.63-5я73
 С76

С76        
Станки 
с 
ЧПУ: 
Устройство, 
программирование, 
инструментальное обеспечение и оснастка [Электронный ресурс] : 
учеб. пособие для вузов / А.А. Жолобов, Ж.А. Мрочек, 
А.В. Аверченков, М.В. Терехов, В.А. Шкаберин. — 3-е изд., стер. 
— М. : ФЛИНТА, 2017. — 358 с. : ил.

ISBN 978-5-9765-1830-8 

Рассмотрены особенности конструкций современных станков с 
ЧПУ, прогрессивного металлообрабатывающего инструмента и приспособлений, рассмотрены особенности разработки технологических процессов с применением оборудования с ЧПУ. Также рассмот- 
рены основы программирования оборудования с ЧПУ на примере 
наиболее распространенных российских систем с ЧПУ (NC-201 и 
FANUC 21i) и применения CAM-систем для написания управляющих программ, а также были рассмотрены возможности разработки и 
применения виртуальных моделей технологического оборудова-ния 
с ЧПУ, инструмента и приспособлений.
Для студентов технических специальностей высших учебных 
заведений, также пособие может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся повышением квалификации.

УДК 621.9(075.8)
ББК 34.63-5я73

© Коллектив авторов, 2017
ISBN 978-5-9765-1830-8 

© Издательство «ФЛИНТА», 2017

ВВЕДЕНИЕ

Для промышленных предприятий, использующих процессы механической обработки деталей, актуальны задачи снижения трудоемкости операций и себестоимости изготовления деталей с сохранением 
заданных показателей качества. Поэтому технологические бюро ведут 
постоянный поиск путей совершенствования технологических процессов обработки с учетом возможностей, предоставляемых новым 
высокопроизводительным инструментом и современным информационно-программным обеспечением.
Особенности современного этапа развития машиностроения 
характеризуются значительным распространением и использованием 
многофункциональных станков с ЧПУ. Применение такого типа оборудования позволяет значительно повысить производительность 
обработки и улучшить качество изготавливаемых деталей. Главная 
особенность этого оборудования состоит в том, что движение инструмента относительно обрабатываемой заготовки заранее программируется и записывается в числовой форме.
Создание систем числового программного управления (СЧПУ) 
явилось своеобразным переломным моментом в развитии станкостроения, ознаменовав начало качественно нового этапа. Сочетание высокой производительности, присущей специальным станкам, с гибкостью, свойственной универсальному оборудованию, сделало станки с 
числовым программным управлением главным средством автоматизации серийного и мелкосерийного производств.
Сегодня станки с числовым программным управлением распространены достаточно широко, начиная от малых предприятий и заканчивая предприятиями в больших промышленных зонах. Трудно найти 
область машиностроения, где не используются уникальные возможности такого оборудования. Поэтому каждый специалист в области 
машиностроения должен хорошо представлять, что дает производству использование этого высокотехнологического оборудования.

ВВЕДЕНИЕ

Так конструктору необходимо обладать знаниями о ЧПУ с целью 
применения более эффективной техники назначения размеров или 
допусков при проектировании деталей, поверхности которых будут 
обрабатываться на станках с ЧПУ. Технологу необходимо понимать 
сущность ЧПУ для оптимального проектирования оснастки и режущего инструмента. Инженеры, контролирующие качество изготовления, обязаны учитывать технологические возможности станков с 
ЧПУ в цеху для того, чтобы правильно планировать будущий процесс 
контроля качества, разработки плана загрузки оборудования. Наконец программисты, операторы-наладчики и другой персонал цехов 
обязаны иметь глубокий уровень знаний о CNC-оборудовании.
В учебном пособии рассматриваются основы теории ЧПУ, представлены наиболее важные аспекты использования данного интеллектуального оборудования. Главная цель заключается в том, чтобы студенты, аспиранты, инженеры и те, кто в будущем будет работать непосредственно на этих станках, ознакомились с каждой из функций ЧПУ 
и могли самостоятельно расширить знания об оборудовании с ЧПУ.
Также в учебном пособии рассматриваются основы программирования оборудования на примере систем с ЧПУ NC-201 и FANUC 21i и 
применения CAM-систем для написания управляющих программ, а 
также рассмотрены возможности разработки и применения виртуальных моделей технологического оборудования с ЧПУ, инструмента и 
приспособлений.
В учебном пособии также рассматриваются возможности современного металлорежущего инструмента для станков с ЧПУ, часть 
материалов подготовлена с применением рекомендаций ведущего 
мирового производителя инструмента — фирмы «Сандвик».

Глава 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. История развития  
металлорежущего оборудования с ЧПУ

Станки с ручным управлением — универсальные станки, где рабочий, пользуясь чертежом детали или эскизом, преобразует прочитанную им информацию в определенную последовательность движения 
рук и воздействует на органы управления станком. В этом случае 
человек задает и выполняет программу управления станком, т.е. 
управляет циклом работы и величиной перемещений исполнительных органов станка. Достоинством такой системы управления является ее универсальность и гибкость. Однако использование человека 
в качестве основного элемента системы управления станком сдерживает рост производительности этого оборудования.
Универсальные станки с ручным управлением стали оснащать 
системами ручного ввода данных и цифровой индикации (в обозначении отечественные модели станков отмечаются индексом Ф1). Рабочий на специальной панели задает численное значение координат, на 
которые должны выйти исполнительные органы станка после включения подачи. На подвижных органах таких станков устанавливаются 
датчики положения, которые подают сигналы в систему цифровой 
индикации. Числовые значения координат детали или инструмента 
непрерывно индицируются на световом табло (визуализаторе), что 
позволяет контролировать получаемые параметры в процессе обработки.
Системы ручного ввода данных и цифровой индикации обеспечивают в некоторой степени повышение производительности и точности 
обработки, снижают утомляемость рабочего. Применяются чаще 
всего в станках токарной и сверлильно-расточной групп. Однако эти 

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

системы не автоматизируют рабочий цикл станка и не высвобождают 
рабочего.
Использование человека в качестве основного элемента системы 
управления станком сдерживает рост производительности. Поэтому 
дальнейшее развитие металлообрабатывающих станков связано с созданием высокопроизводительных станков-автоматов и полуавтоматов, программа управления которыми задается на программоносителе. Рабочий цикл такого оборудования полностью автоматизирован.
В зависимости от способа задания на программоносителе информации, необходимой для реализации рабочего цикла, системы управления металлообрабатывающими станками делятся на числовые и 
нечисловые.
В нечисловых системах управления информация физически материализована в виде модели-аналога, управляющей исполнительными 
органами станка. Рабочий цикл станков с нечисловыми системами 
управления формируется либо при разработке самой системы управления, либо при проектировании программоносителя. В качестве программоносителей в таких системах управления используются кулачки, 
копиры, шаблоны, путевые и временные командоаппараты. Гибкость 
такой системы управления обеспечивается за счет проектирования и 
изготовления новых программоносителей, переналадки командоаппарата и самого станка.
Станки с программоносителем в виде модели-аналога имеют важное достоинство, состоящее в том, что возможности увеличения производительности станков не ограничиваются субъективным фактором — участием человека в реализации рабочего цикла.
Основные недостатки аналоговых программоносителей:

 
— невозможность быстрой переналадки станков на обработку 
заготовки другой детали;
 
— высокая стоимость переналадки;

 
— неудовлетворительная точность обработки вследствие повышенного износа программоносителей, так как они передают не 
только закон перемещения исполнительных органов станка, но 
и усилия для его реализации.
В силу этих особенностей аналоговые программоносители используются в станках для массового и крупносерийного производств с 
устойчивой во времени конструкцией выпускаемых изделий.

1.1. История развития металлорежущего оборудования с ЧПУ

В серийном производстве применение нашли станки с цикловой 
системой программного управления (в обозначении модели станка 
отмечаются индексом Ц). В этих станках в программоноситель вводится технологическая информация, а геометрическая информация 
задается расстановкой упоров на специальных линейках или барабанах.
Различают следующие виды систем циклового программного 
управления: кулачковые, аппаратные, микропрограммные и программируемые.
Функциональная схема цикловой системы кулачкового управления, выполненная на командоаппарате с шаговым приводом или на 
штекерной панели, приведена на рисунке 1.1. Устройство задания и 
ввода программы обеспечивает систему управления станком технологической информацией и осуществляет поэтапный ввод этой информации. Устройство задания программы чаще всего выполняют в виде 
штекерной или кнопочной панели, устройство поэтапного ввода — в 
виде шагового искателя или счетно-релейной схемы.

Рис. 1.1. Функциональная схема цикловой системы  
программного управления

Программа управления формируется расстановкой штекеров в 
соответствующие гнезда панели с тем, чтобы составить такие электрические схемы включения исполнительных органов станка, которые, сменяя друг друга, осуществляют последовательные этапы обработки.
При наличии стандартных циклов система управления иногда 
содержит дополнительную штекерную панель.
Для облегчения программирования станка используют трафареты, 
заготавливающиеся заранее. Их накладывают на панель, и в отверстия вставляют штекеры.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Штекерные панели могут быть выполнены также по типу функциональных программных полей. В этом случае все поле штекерной 
панели разделяется на функциональные участки. Программа задается 
путем соединения отдельных гнезд различных функциональных 
участков панели.
Кроме штекерных панелей, применяются кулачковые командоаппараты, представляющие собой цилиндрические барабаны с рядами 
гнезд. Число гнезд по окружности барабана определяет количество 
возможных этапов программы, а число гнезд вдоль образующей — 
возможное число программируемых параметров. В гнезда барабана 
закладывают шарики или штифты, воздействующие на электрические 
контакты, включая цепи соответствующих исполнительных органов 
станка. Устройство управления, усиливая и размножая команды, обеспечивает управление элементами, перемещающими исполнительные 
органы станка. Принцип работы аппаратного управления основан на 
формировании необходимых электрических схем включения исполнительных органов станка с использованием контактной или бесконтактной аппаратуры.
В микропрограммных системах весь набор необходимых циклов 
программного управления хранится в запоминающих устройствах. За 
последнее время широкое применение получило программируемое 
цикловое управление, основанное на использовании бесконтактных 
устройств программируемой логики, получивших название программируемых контроллеров. В качестве элементной базы программируемых контроллеров используются микроэлектронные интегральные 
схемы. Программу обработки задают нажатием клавиш с обозначениями логических элементов. По сравнению с релейно-контактной аппаратурой бесконтактные электронные блоки имеют высокую надежность в работе и малые габариты.
Для задания геометрической информации часто используют групповые путевые переключатели, состоящие из упоров и блоков переключателей. Упоры устанавливают на панели или барабане с пазами 
в соответствии с размерами, заданными на эскизе обработки. Панели 
обычно выполняются съемными, что позволяет проводить их 
настройку вне станка. Упоры бывают нерегулируемые (грубые) и 
регулируемые (точные) с микрометрическими винтами. В качестве 
упоров могут использоваться штрихи из ферромагнитного материала 

1.1. История развития металлорежущего оборудования с ЧПУ

на латунном барабане (в качестве групповых переключателей). Магнитная головка, встречая такой штрих, дает сигнал об окончании 
перемещения. Окончание отработки этапа программы может контролировать реле времени, реле давления и т.п.
Цикловая система программного управления отличается высокой 
надежностью в работе и простотой составления программы обработки. Однако наладка и переналадка станков с цикловой системой 
управления требует значительного времени, поэтому эти станки 
используют в средне- и крупносерийном производствах при относительно больших партиях запуска заготовок, обеспечивающих работу 
станка без переналадки в течение не менее одной смены.
В силу ограниченных технологических возможностей системы 
циклового программного управления позволяют проводить обработку деталей простой геометрической формы и сравнительно невысокой точности. Эти системы наиболее широко используют в токарноревольверных станках.
Отличие станков с ЧПУ от станков с нечисловыми системами 
управления заключается не только в принципе построения программного управления. Реализация идеи ЧПУ выдвинула ряд требований к 
конструкции самого станка, без выполнения которых применение 
системы ЧПУ остается малоэффективным. Так система ЧПУ позволяет обеспечить высокую точность перемещения исполнительных 
органов станка (до 10 нм). Для создания возможности получения 
высокой точности размеров детали при обработке необходимо, чтобы 
механические узлы станка удовлетворяли соответствующим требованиям. Поэтому оснащение станков системами ЧПУ потребовало пересмотреть требования к их конструкции.
Рабочий цикл станка с ЧПУ осуществляется автоматически от 
управляющей программы. Управляющая программа — это совокупность команд на языке программирования, соответствующих заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной 
заготовки. Управляющая программа содержит как геометрическую, 
так и технологическую информацию.
В качестве программоносителя используют перфоленты, магнитные ленты, гибкие магнитные диски, постоянные запоминающие 
устройства, Flash — накопители или подключение к компьютерной 
локальной сети предприятия.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.2. Основные преимущества  
использования станков с ЧПУ

Основная функция любого оборудования с ЧПУ — автоматическое и точное управление движением рабочих органов. Рабочие 
органы любого станка с ЧПУ имеют два или более направления для 
движения, которые называются осями. Причем движение по этим 
осям осуществляется автоматически и с заданной точностью.
У ряда станков используются две линейные оси, движение по которым осуществляется по прямому пути, и оси вращения, движение по 
которым выполняется по кругу. На универсальном станке движение 
заготовки детали или инструмента осуществляется путем ручных операций, выполняемых станочником (например, вращением рукояток).
Станки с ЧПУ оснащены сервомоторами, которые приводятся в 
действие системой ЧПУ, а та, в свою очередь, в точности исполняет 
команды управляющей программы. Обобщая, можно сказать, что тип 
движения (ускоренный, линейный или круговой), оси перемещений, 
величина и скорость перемещения программируются во всех типах 
систем с ЧПУ.
Система ЧПУ, исполняя команды управляющей программы, посылает необходимое количество импульсов шаговому двигателю. Его 
вращение передается оси, с которой, как правило, через шарико-винтовую пару связан рабочий стол. Стол линейно перемещается. Устройство обратной связи, расположенное в противоположном конце оси, 
позволяет системе ЧПУ подсчитать, на сколько градусов повернулась 
ось, т.е. какое число импульсов реально отработал шаговый двигатель.
В условиях нормальной эксплуатации один станок с ЧПУ позволяет заменить от 2 до 6 единиц универсального оборудования, кроме 
того, значительно сокращается срок подготовки производства и длительность цикла изготовления продукции, возрастает гибкость.
Экономическая целесообразность использования станков с ЧПУ 
оправдывается, как правило, при обработке заготовок серийнымим 
партиями. С целью увеличения эффективности использования дорогостоящих станков с ЧПУ, особенно обрабатывающих центров (ОЦ), 
рекомендуется их эксплуатировать в режиме двух-, трех- и четырехсменной работы.