Программирование обработки на станках с ЧПУ


Д. Е. Турчин









ПРОГРАММИРОВАНИЕ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ С ЧПУ


Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.9.06
ББК 34.63
     Т89



Рецензент:
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой информационных и автоматизированных производственных систем Кузбасского государственного технического университета им. Т. Ф. Горбачёва (г. Кемерово)
Чичерин Иван Владимирович






    Турчин, Д. Е.
Т89 Программирование обработки на станках с ЧПУ : учебное пособие / Д. Е. Турчин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 312 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0867-7

     Рассматриваются вопросы ручного и автоматизированного программирования обработки на металлорежущих станках с ЧПУ. Представлены необходимые сведения о системах координат, работе с пультом оператора и размерной настройке станков с ЧПУ. Приведены примеры разработки управляющих программ для станков с ЧПУ.
     Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования машиностроительных специальностей. Может быть полезно для всех интересующихся вопросами программирования для автоматизированного производственного оборудования.

                                                     УДК 621.9.06
                                                     ББК 34.63









ISBN 978-5-9729-0867-7

     © Турчин Д. Е., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        СОДЕРЖАНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ.........................................................6
1. ОСНОВЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ............................................................7
  1.1. Общие сведения о числовом программном управлении станками....7
     1.1.1. Понятие об управлении обработкой на металлорежущих станках ... 7
     1.1.2. Основные понятия, связанные с ЧПУ. Состав комплекса «Станок с ЧПУ»................................................10
  1.2. Системы координат при обработке на станках с ЧПУ. Траектория инструмента......................................................13
     1.2.1. Система координат станка. Фиксированная точка станка...13
     1.2.2. Особенности стандартной системы координат станка.......17
     1.2.3. Траектория и центр инструмента. Система координат инструмента...................................................20
     1.2.4. Система координат детали...............................23
  1.3. Организация пульта управления станком с ЧПУ. Основы наладки станков с ЧПУ...................................................26
     1.3.1. Составные части пульта управления станком с ЧПУ. Основные элементы пульта оператора....................................26
     1.3.2. Основные элементы станочного пульта. Режимы работы станка с ЧПУ........................................................29
     1.3.3. Общие сведения о наладке станков с ЧПУ. Методы размерной настройки станков с ЧПУ......................................33
     1.3.4. Настройка нуля детали и длины инструмента на станках с ЧПУ сверлильно-фрезерно-расточной группы.........................36
     1.3.5. Настройка нуля детали и длины инструмента на токарных станках с ЧПУ................................................41
  1.4. Основы наладки и управления станком c ЧПУ в системе CNC Simulator....................................................44
     1.4.1. Общие сведения о системе CNC Simulator. Основные элементы интерфейса пользователя.......................................44
     1.4.2. Включение системы ЧПУ и вывод осей станка в ноль.......48
     1.4.3. Ручное управление перемещениями рабочих органов станка.51
     1.4.4. Создание и размещение заготовки и станочного приспособления.. 54
     1.4.5. Настройка нуля детали с помощью датчика касания........56
     1.4.6. Редактирование инструментов и их установка в магазин станка с ЧПУ..................................................63
     1.4.7. Настройка длины инструмента с помощью датчика касания.68
2. ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ С ЧПУ.............................................................71
  2.1. Структура управляющей программы. Подготовительные и вспомогательные функции.........................................71

3

     2.1.1. Языки программирования для станков с ЧПУ. Слова и кадры программы...................................................71
     2.1.2. Составные части программы. Комментарии в программе...75
     2.1.3. Особенности и виды подготовительных функций..........77
     2.1.4. Вспомогательные функции. Управление шпинделем........80
  2.2. Программирование размерных перемещений....................84
     2.2.1. Формы представления размерных перемещений. Быстрое позиционирование............................................84
     2.2.2. Функция подачи. Линейная интерполяция................88
     2.2.3. Круговая интерполяция и ее параметры.................94
     2.2.4. Винтовая интерполяция................................99
  2.3. Программирование смены и коррекции инструмента...........103
     2.3.1. Функция инструмента. Программирование смены инструмента на станках с ЧПУ...........................................103
     2.3.2. Понятие коррекции и корректора инструмента. Коррекция длины инструмента..........................................105
     2.3.3. Коррекция радиуса инструмента.......................108
  2.4. Работа с управляющими программами в системе CNC Simulator.113
     2.4.1. Управление станком с ЧПУ в режиме покадрового ввода данных.....................................................113
     2.4.2. Создание и редактирование управляющих программ с пульта управления.................................................117
     2.4.3. Загрузка в память и запуск управляющей программы....120
3. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА ТИПОВЫХ СТАНКАХ                     С ЧПУ............123
  3.1. Схемы движения инструмента при обработке на станках с ЧПУ.123
     3.1.1. Схемы движения инструмента при фрезерной обработке на станках с ЧПУ...........................................123
     3.1.2. Схемы движения инструмента при токарной обработке на станках с ЧПУ...........................................126
  3.2. Программирование циклов обработки отверстий..............132
     3.2.1. Особенности циклов обработки отверстий. Использование полярных координат.........................................132
     3.2.2. Циклы сверления отверстий (G81, G82, G83, G73)......134
     3.2.3. Основные циклы нарезания резьбы метчиком (G84, G74) и растачивания (G85, G76)...................................139
  3.3. Программирование циклов токарной обработки................144
     3.3.1. Общие сведения о токарных циклах. Циклы G90 и G94...144
     3.3.2. Циклы G71 и G72 для многопроходной обработки........148
     3.3.3. Циклы G74 и G75 для обработки прямоугольных канавок.152
     3.3.4. Циклы G92 и G76 для нарезания резьбы резцом.........157
  3.4. Подпрограммы и параметрическое программирование..........163
     3.4.1. Особенности кодирования подпрограмм.................163
     3.4.2. Параметрическое программирование. Переменные, операции и выражения................................................168

4

     3.4.3. Переходы и циклы в управляющей программе..........171
     3.4.4. Макропрограммы. Передача аргументов в макропрограмму.177
4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ С ЧПУ..............................................181
  4.1. Особенности работы с CAM-системами.....................181
     4.1.1. Задачи автоматизации программирования для станков с ЧПУ. Назначение CAM-систем....................................181
     4.1.2. Стратегии и симуляция обработки в CAM-системах. Использование постпроцессоров............................183
  4.2. Основы работы в системе FeatureCAM.....................186
     4.2.1. Особенности и пользовательский интерфейс FeatureCAM. Проекты FeatureCAM.......................................186
     4.2.2. Задание заготовки. Мастер заготовок. Задание установа и системы координат детали...............................189
     4.2.3. Создание новых элементов. Редактирование элемента. Создание и выбор инструментов............................194
     4.2.4. Симуляция обработки. Постпроцессоры. Создание и сохранение кода УП........................................202
     4.2.5. Фрезерование по размерам. Элементы Торец и Прямоугольный карман......................................206
     4.2.6. Элемент Отверстие. Массивы и группы элементов........218
  4.3. Программирование токарной обработки в системе FeatureCAM..230
     4.3.1. Особенности проектов токарной обработки в FeatureCAM. Элементы точения по размерам................................230
     4.3.2. Геометрическое моделирование в FeatureCAM. Создание кривых.............................................239
     4.3.3. Точение по кривым. Элементы Точение, Растачивание и Канавка................................................243
     4.3.4. Импорт данных из файлов в FeatureCAM..............258
  4.4. Программирование фрезерной обработки в системе FeatureCAM.277
     4.4.1. Фрезерование по кривым. Создание элементов Стенка, Выступ и Карман..........................................277
     4.4.2. Распознавание обработки в проектах фрезерования...291
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................305
ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................306

5

        ПРЕДИСЛОВИЕ


     В мелкосерийном и серийном производстве станки с числовым программным управлением (ЧПУ) все более интенсивно заменяют оборудование с ручным управлением. Данное явление приводит к значительным изменениям, как в организации и культуре производства, так и в его технологической подготовке.
     Широкое внедрение станков с ЧПУ ставит задачу подготовки квалифицированного персонала - операторов станков с ЧПУ, способных грамотно эксплуатировать такое оборудование. В связи с этим, в настоящее время оператор станков с ЧПУ - одна из наиболее распространенных и востребованных профессий в металлообрабатывающей промышленности.
     В условиях мелкосерийного производства оператору станков с ЧПУ важно уметь самостоятельно разрабатывать управляющие программы для различных групп станков. Качественные теоретические знания и практические умения в сфере программирования обработки на станках с ЧПУ позволят существенно повысить уровень профессионального мастерства оператора.
     В первом разделе учебного пособия рассматриваются основные понятия, связанные с числовым программным управлением металлорежущими станками. Дается представления о системах координат, используемых при обработке на стенке с ЧПУ: станка, детали (программы) и инструмента. Приводятся краткие сведения о наладке станков с ЧПУ. Также рассматриваются приёмы управления и наладки станков с ЧПУ в программном симуляторе CNC Simulator.
     Второй раздел учебного пособия посвящен вопросам ручного программирования обработки на станках с ЧПУ в G-коде. Изложены вопросы программирования размерных перемещений, смены и коррекции инструментов. Для изучения G-кода в качестве основы используется его синтаксис для систем ЧПУ Fanuc.
     Материал третьего раздела связан с изучением особенностей разработки управляющих программ для двух основных групп металлорежущих станков с ЧПУ - станков сверлильно-фрезерно-расточной группы и токарной группы. Рассмотрены основные циклы обработки отверстий и циклы токарной обработки для систем ЧПУ Fanuc, а также параметрическое программирование.
     В четвертом разделе учебного пособия затрагиваются вопросы автоматизации программирования станков с ЧПУ на базе CAM-систем. В качестве примера рассмотрена работа с системой FeatureCAM.
     Настоящая книга в первую очередь ориентирована на студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. Кроме того, пособие может быть полезно для всех интересующихся вопросами программирования для автоматизированного производственного оборудования.
     Автор примет все замечания и пожелания по учебному пособию, которые читатель может направить по адресу turchde@mail.ru или по адресу издательства.
     За оказанную помощь в работе автор выражает благодарность и признательность С. В. Табачуку.

6

ГЛАВА 1


        ОСНОВЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ

        1.1. Общие сведения о числовом программном управлении станками

    1.1.1. Понятие об управлении обработкой на металлорежущих станках

     Обработка деталей на металлорежущих станках осуществляется путем совершения движений рабочими органами станка, несущими заготовку и инструмент. Эти движения должны выполняться в определенной технологической последовательности и с соблюдением требуемых режимов обработки, то есть должны быть управляемыми для получения детали нужного качества.
     Движения обрабатываемой заготовки и режущего инструмента на станке можно разделить на основные и вспомогательные движения. Основные движения сопровождаются резанием материала заготовки и подразделяются на главное движение резания и движение подачи.
     Главное движение резания представляет собой прямолинейное поступательное или вращательное движение заготовки или режущего инструмента, происходящее с наибольшей скоростью в процессе резания. Чаще всего главное движение резания является вращательным и при обработке на фрезерных и сверлильно-расточных станках является вращением инструмента, а на токарных - вращением заготовки.
     Движение подачи представляет собой прямолинейное поступательное или вращательное движение режущего инструмента или заготовки, скорость которого меньше скорости главного движения резания, предназначенное для того, чтобы распространить отделение слоя материала на всю обрабатываемую поверхность.
     К вспомогательным движениям относятся движения не связанные непосредственно с резанием материала заготовки (например, ускоренные перемещения заготовки и инструмента с целью подвести их друг к другу или отвести, смена инструмента или заготовки).
     Управление движениями при обработке на станке может осуществляться рабочим-станочником (вручную) или без его непосредственного участия - с использованием автоматического управления станком (рис. 1.1). В последнем случае станочник может устанавливать заготовки на станок и снимать со станка обработанные детали.
     При управлении вручную станочник использует свой опыт и сведения о методах обработки, последовательности технологических переходов, применяемых режимов обработки, особенностях станка, режущих инструментов и др.

7

В этом случае качество обработки и её производительность напрямую зависят от квалификации станочника.


Рис. 1.1. Способы управления обработкой на станке: а) вручную оператором станка; б) автоматически системой программного управления

     При автоматическом управлении станком функции его управления выполняет система программного управления, работающая по заранее составленной программе, которая вводится в систему управления с помощью соответствующего программоносителя. Для изготовления деталей с поверхностями сложной формы использование программного управления станками часто является единственным технически оправданным решением.
     Существуют два принципиально разных способа задания программы: аналоговый и цифровой.
     В аналоговом виде программы представляют физические объекты, которые обеспечивают выработку непрерывных управляющих сигналов, являющихся непрерывными функциями времени. Аналоговые программы являются одним объектом с программоносителями (кулачки, копиры, путевые упоры).
     Недостатками аналоговых программ являются:
     •      высокая трудоёмкость проектирования, изготовления физических аналогов и их последующей настройки на станке;
     •      возникновение погрешностей при изготовлении физических аналогов и вследствие их изнашивания в процессе эксплуатации.
     Можно выделить следующие виды систем программного управления, в которых программа задана в аналоговой форме:
     •      Системы управления с распределительным валом и кулачками, в которых программа задаётся в аналоговом виде с помощью рабочих и командных кулачков (дисковых или цилиндрических), устанавливаемых на распределительный вал в соответствии с разработанной циклограммой. Обычно такие системы используются в токарных автоматах для изготовления деталей небольшого диаметра.
     •      Копировальные системы управления, где программа задаётся в аналоговом виде с помощью копира (плоского или объёмного), представляющего со

8

бой прототип обрабатываемого изделия. Специальный щуп, скользя по поверхности копира, смещается на определенную величину и через следящий привод это смещение передаётся рабочему органу станка.
     •       Системы циклового программного управления, в которых размерная информация задаётся в аналоговом виде путевыми упорами, устанавливаемыми на сменных линейках. Информация о цикле и режимах обработки в таких системах задаётся в цифровом виде набором переключателей или штекеров на пульте управления.
     В цифровом виде программы представляют собой закодированные последовательности команд, записанные на программоносители, которые могут быть автоматически считаны и выполнены оборудованием. Цифровые программы записываются с помощью числовых, буквенных и специальных символов и не зависят от вида программоносителя.
     Системы программного управления станками, в которых программа полностью задаётся в цифровом виде, называют системами чистового программного управления, а станки, на которых установлены такие системы, являются станками с числовым программным управлением.
     Общая классификация систем программного управления станками показана на рис. 1.2.


Рис. 1.2. Классификация систем программного управления станками

9

    1.1.2. Основные понятия, связанные с ЧПУ. Состав комплекса «Станок с ЧПУ»

     Термины и определения в области числового программного управления регламентируются такими стандартами, как ГОСТ 20523-80 «Устройства числового программного управления станками. Термины и определения» и ISO 2806 «Industrial automation systems - Numerical control of machines - Vocabulary». Основными терминами в этих стандартах являются: управляющая программа, числовое программное управление, система ЧПУ и устройство ЧПУ.
     Управляющей программой (УП) называется совокупность команд на языке программирования, соответствующая заданному алгоритму функционирования станка при обработке конкретной заготовки.
     УП обычно включает команды трёх видов:
     •      технологические, обеспечивающие управление перемещением рабочих органов станка в требуемые координаты в процессе обработки;
     •      цикловые, осуществляющие включение и отключение вращения шпинделя, смену инструмента и заготовки, включение и отключение охлаждения и др.;
     •      служебные (логические), обеспечивающие выполнение команд в заданном порядке (начало и конец программы, команды переходов).
     Для передачи УП на станок с ЧПУ используются программоносители.
     Программоноситель - носитель данных, на котором записана УП. В качестве программоносителя могут применяться перфоленты, магнитные ленты, магнитные диски, полупроводниковые запоминающие устройства.
     Числовым программным управлением (ЧПУ, англ. Numerical Control, NC) станком называют управление обработкой заготовки на станке по управляющей программе, в которой данные заданы в цифровой форме.
     ЧПУ станками по способу отработки информации о траектории движения рабочих органов разделяют на позиционное ЧПУ и контурное ЧПУ.
     Позиционное ЧПУ станком - ЧПУ станком, при котором перемещение его рабочих органов происходит в заданные точки, причем траектории перемещения не задаются. Примером позиционного ЧПУ станком может служить управление сверлением группы отверстий, когда требуется позиционировать сверло над центрами отверстий и траектории, по которым выполняется позиционирование сверла, не имеют особого значения (рис. 1.3, а).
     Контурное ЧПУ станком - ЧПУ станком, при котором перемещение его рабочих органов происходит по заданной траектории и с заданной скоростью для получения необходимого контура обработки. Примером контурного ЧПУ станком является чистовое фрезерование вдоль контура детали, при котором важно выдерживать форму и размеры траектории (рис. 1.3, б).

10

Рис. 1.3. Примеры ЧПУ станком по способу отработки траектории: а) позиционное ЧПУ станком; б) контурное ЧПУ станком

     Система ЧПУ (СЧПУ) - совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, обеспечивающих числовое программное управление станком.
     Система ЧПУ осуществляет управление приводами подач и главного движения, а также средствами цикловой автоматикой, управляющей вспомогательными механизмами станка. Также в процессе управления осуществляется техническое диагностирование подсистем и узлов станка, режущего инструмента, измерение обрабатываемых деталей и др.
     Решаемые системой ЧПУ задачи можно обобщенно разделить на следующие виды:
     •      Геометрическая задача ЧПУ, которая заключаются в управлении приводами подач станка для обеспечения требуемой траектории движения инструмента.
     •      Логическая задача ЧПУ, которая заключается в управлении средствами цикловой автоматики станка.
     •      Технологическая задача ЧПУ, которая заключается в поддержании заданных в УП режимов обработки детали.
     •      Терминальная задача ЧПУ, которая заключается во взаимодействии с оператором и автоматизированными системами управления более высокого уровня (например, с системой мониторинга производственного оборудования).
     •      Диагностическая задача ЧПУ, которая заключается в проведении технического диагностирования подсистем станка и системы ЧПУ.
     В зависимости от способа реализации траектории движения рабочих органов системы ЧПУ разделяют на позиционные, контурные и комбинированные (рис. 1.2). Комбинированные системы ЧПУ могут использовать как позиционное, так и контурное ЧПУ станком. Большинство современных систем ЧПУ являются комбинированными.
     Центральной частью системы ЧПУ является устройство ЧПУ.
     Устройство ЧПУ (УЧПУ) - это устройство, выдающее управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии с УП и информацией о состоянии станка.

11

     Устройство ЧПУ обычно конструктивно оформляется в виде отдельного блока, включающего в себя управляющую ЭВМ и пульт управления. На практике термины «устройство ЧПУ» и «система ЧПУ» часто путают между собой. Также для устройства ЧПУ широко используется термин «стойка ЧПУ».
     Система ЧПУ вместе с различными узлами и подсистемами станка, а также с установленной на него различной технологической оснасткой образует комплекс, который можно обобщенно назвать комплекс «Станок с ЧПУ». Составные части комплекса «Станок с ЧПУ» показаны на рис. 1.4.


Рис. 1.4. Составные части комплекса «Станок с ЧПУ»

     Основными преимуществами станков с ЧПУ перед универсальными станками с ручным управлением являются:
     •      сокращение сроков подготовки производства и общей продолжительности цикла изготовления продукции;
     •      экономия средств на проектировании и изготовлении специальной технологической оснастки;
     •      повышение производительности труда за счет сокращения основного и вспомогательного времени обработки на станке и др.;
     •      экономия на оплате труда рабочих за счет автоматизации основных технологических операций; станочник-оператор может иметь более низкую квалификацию и занимается в основном подготовительно-заключительными действиями (например, установка и снятие детали); один работник может обслуживать несколько станков;
     •      высокая точность и повторяемость обработки; по одной и той же программе можно изготовить с требуемым качеством сотни и тысячи практически идентичных деталей;
     •      возможность обработки деталей очень сложной формы (например, лопаток турбин, деталей штампов и пресс-форм, деталей с художественным профилем).

12

     В качестве недостатков станков с ЧПУ можно отметить более высокие стоимость и затраты на техническое обслуживание. Кроме того, наладка станков с ЧПУ занимает существенно больше времени, чем наладка универсальных станков с ручным управлением. Поэтому станки с ЧПУ не выгодно использовать для изготовления простых деталей с малыми размерами партий.

        1.2. Системы координат при обработке на станках с ЧПУ. Траектория инструмента

    1.2.1. Система координат станка. Фиксированная точка станка

     Работа станка с ЧПУ тесно связана с системами координат, что позволяет при программировании обработки указывать направления и величины перемещений рабочих органов. При этом основными системами координат являются:
     • система координат станка;
     • система координат детали (программы);
     • система координат инструмента.
     Система координат станка (англ., Machine Coordinate System, MCS) -это координатная система, в которой определяются текущие, начальные, и предельные положения рабочих органов станка. Система координат станка является главной расчетной системой, относительно которой задается положение всех других систем координат (детали и инструмента).
     Начало системы координат станка обозначают буквой M и символом Ф и называют нулём станка. Нуль станка M определяется изготовителем и обычно не может быть изменён. В некоторых современных системах ЧПУ (например, Fanuc 0i-TF) положение нуля станка задаётся программно, хранится в специальной энергозависимой памяти, питаемой от батарейки, и при необходимости может быть изменено.
     Нуль станка M жестко связывают с одним из его рабочих органов (обычно несущим заготовку), а координатные оси направляют вдоль направляющих станка. Примеры размещения системы координат станка показаны на рис 1.5. Для станков с ЧПУ сверлильно-фрезерно-расточной группы нуль станка M обычно находится в одной из вершин рабочей зоны, представляющей параллелепипед (рис. 1.5, а). На токарных станках с ЧПУ нуль станка обычно располагается на пересечении торца шпинделя и оси его вращения (рис. 1.5, б).
     Положения рабочих органов станка характеризуют базовые точки, которые выбираются в зависимости от конструкции рабочих органов. Например, для шпиндельной бабки фрезерного станка с ЧПУ базовой точкой F является точка пересечения торца шпинделя с осью его вращения (рис. 1.5, а). Для револьверной головки токарного станка с ЧПУ базовой точкой F может являться точка пересечения её оси поворота и опорной плоскости (рис. 1.5, б).

13