Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM-система

А. А. Ловыгин,
Л. В. Теверовский

Современный станок с ЧПУ  
и CAD/CAM-система

Москва, 2015

УДК
621.914.3 

ББК 34.634-5

Л68

Ловыгин А. А., Теверовский Л. В.

Л68
Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM-система. – М.: ДМК Пресс, 2015. – 280 с.: 
ил.

ISBN 978-5-97060-123-5

Вы держите в руках уже четвертое, полноцветное издание книги, которое адресовано всем, кто хочет быстро разобраться с основами автоматизированного программирования обработки на станках с ЧПУ: студентам и выпускникам технических 
колледжей и вузов, инженерам-технологам, инженерам-конструкторам, операторам 
и наладчикам станков с ЧПУ, руководителям участков механической обработки. Мы 
постарались не только максимально доходчиво описать конструкцию и принципы 
работы современного фрезерного станка с ЧПУ, процесс создания управляющей 
программы, основы работы в CAD/САМ-системе, но и сделать так, чтобы книгу 
было приятно держать в руках и пользоваться ею каждый рабочий день.
Авторские видеокурсы по CAM-системе и постпроцессоры на различные станки с 

ЧПУ, которые помогут вам оперативно перейти от теоретических знаний к практической работе с современным металлорежущим оборудованием, вы можете скачать 
на сайтах isicam.ru и dmkpress.com.

УДК 621.914.3
ББК 34.634-5

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой 
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность 
технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную 
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 978-5-97060-123-5
© Ловыгин А. А., Теверовский Л. В., 2015
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2015

Содержание

Глава 1
ОСНОВЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ .............. 10

1.1. Автоматическое управление .......................................................... 10
1.2. Особенности устройства и конструкции фрезерного станка 
с ЧПУ .................................................................................................... 12
1.3. Функциональные составляющие (подсистемы) ЧПУ ....................... 14

1.3.1. Подсистема управления ......................................................... 14
1.3.2. Подсистема приводов ............................................................ 16

Высокоточные ходовые винты .......................................................... 16
Двигатели ..................................................................................... 16

1.3.3. Подсистема обратной связи ................................................... 18

Датчики, используемые для определения положения .......................... 18
Датчики состояния исполнительных органов ...................................... 20

1.3.4. Функционирование системы ЧПУ ............................................ 21

1.4. Языки для программирования обработки ....................................... 23
Краткое изложение главы ..................................................................... 24
Вопросы ............................................................................................... 24

Глава 2
ОСНОВЫ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ....................................................... 25

2.1. Процесс фрезерования .................................................................. 25
2.2. Режущий инструмент ..................................................................... 27
2.3. Вспомогательный инструмент ........................................................ 33
2.4. Основные определения и формулы ................................................ 34
2.5. Рекомендации по фрезерованию ................................................... 35
Краткое изложение главы ..................................................................... 38
Вопросы ............................................................................................... 38

Глава 3
ВВЕДЕНИЕ В ПРОГРАММИРОВАНИЕ ОБРАБОТКИ ....................... 39

3.1. Прямоугольная система координат ................................................ 39
3.2. Написание простой управляющей программы ............................... 40
3.3. Создание УП на персональном компьютере ................................... 43
3.4. Передача управляющей программы на станок ............................... 47

Содержание

3.5. Проверка управляющей программы на станке ................................ 49

Общие сведения ............................................................................ 49
Тестовые режимы станка с ЧПУ ........................................................ 50
Последовательность полной проверки УП .......................................... 51

3.6. Советы по технике безопасности при эксплуатации станков с ЧПУ .... 52
Краткое изложение главы ..................................................................... 54
Вопросы ............................................................................................... 54

Глава 4
СТАНОЧНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ ................................................ 55

4.1. Нулевая точка станка и направления перемещений ........................ 55
4.2. Нулевая точка программы и рабочая система координат ............... 59
4.3. Компенсация длины инструмента................................................... 62
4.4. Абсолютные и относительные координаты ..................................... 64
4.5. Комментарии в УП и карта наладки ................................................ 65
Краткое изложение главы ..................................................................... 68
Вопросы ............................................................................................... 68

Глава 5
СТРУКТУРА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ ................................... 69

5.1. G- и М-коды ................................................................................... 69
5.2. Структура программы .................................................................... 70
5.3. Слово данных, адрес и число .......................................................... 73
5.4. Модальные и немодальные коды .................................................... 74
5.5. Формат программы ........................................................................ 75
5.6. Строка безопасности ..................................................................... 78
5.7. Важность форматирования УП ....................................................... 79
Краткое изложение главы ..................................................................... 80
Вопросы ............................................................................................... 81

Глава 6
БАЗОВЫЕ G-КОДЫ .............................................................................. 82

Введение .............................................................................................. 82
6.1. Ускоренное перемещение – G00 .................................................... 83
6.2. Линейная интерполяция – G01 ....................................................... 85
6.3. Круговая интерполяция – G02 и G03 ............................................... 86

Дуга с I, J, К ................................................................................... 87
Дуга с R......................................................................................... 88
Использование G02 и G03 ................................................................ 89

Краткое изложение главы ..................................................................... 91
Вопросы ............................................................................................... 91

Содержание

Глава 7
БАЗОВЫЕ М-КОДЫ .............................................................................. 92

Введение .............................................................................................. 92
7.1. Останов выполнения управляющей программы – М00 и М01 ......... 93
7.2. Управление вращением шпинделя – М03, М04, М05 ...................... 94
7.3. Управление подачей СОЖ – М07, М08, М09 ................................... 96
7.4. Автоматическая смена инструмента – М06 ..................................... 97
7.5. Завершение программы – М30 и М02 .......................................... 100
Краткое изложение главы ................................................................... 100
Вопросы ............................................................................................. 101

Глава 8
ПОСТОЯННЫЕ ЦИКЛЫ СТАНКА С ЧПУ ........................................... 102

Введение ............................................................................................ 102
8.1. Стандартный цикл сверления и цикл сверления с выдержкой ....... 105
8.2. Относительные координаты в постоянном цикле .......................... 107
8.3. Циклы прерывистого сверления ................................................... 108
8.4. Циклы нарезания резьбы ............................................................. 110
8.5. Циклы растачивания..................................................................... 111
8.6. Примеры программ на сверление отверстий при помощи 
постоянных циклов ............................................................................. 112

Пример № 1 ................................................................................. 112
Пример № 2 ................................................................................. 113

Краткое изложение главы ................................................................... 115
Вопросы ............................................................................................. 116

Глава 9
АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОРРЕКЦИЯ РАДИУСА ИНСТРУМЕНТА ...... 117

9.1. Основные принципы ..................................................................... 117
9.2. Использование автоматической коррекции на радиус 
инструмента ....................................................................................... 122
9.3. Активация, подвод и отвод ........................................................... 123
Краткое изложение главы ................................................................... 125
Вопросы ............................................................................................. 125

Глава 10
ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ ................... 127

10.1. Подпрограмма ........................................................................... 127
10.2. Работа с осью вращения (4-ой координатой) ............................. 131
10.3. Параметрическое программирование ........................................ 134

Содержание

Краткое изложение главы ................................................................... 145
Вопросы ............................................................................................. 146

Глава 11
ПРИМЕРЫ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ...................................... 147

11.1. Программирование в ISO ........................................................... 147

Пример № 1. Контурная обработка ................................................. 147
Пример № 2. Контурная обработка с коррекцией на радиус 
инструмента ................................................................................ 148
Пример № 3. Контурная обработка ................................................. 150
Пример № 4. Контурная обработка с коррекцией на радиус 
инструмента ................................................................................ 151
Пример № 5. Фрезерование прямоугольного кармана ....................... 152
Пример № 6. Фрезерование круглого кармана ................................. 154

11.2. Программирование для Heidenhain ............................................ 155

Пример № 1. Контурная обработка ................................................. 156
Пример № 2. Контурная обработка с коррекцией на радиус 
инструмента ................................................................................ 157
Пример № 3. Сверление 7 отверстий диаметром 3 мм и глубиной 
6,5 мм с помощью постоянного цикла Heidenhain  ............................. 158

Глава 12
CAD/CAM .............................................................................................. 159

12.1. Методы программирования ....................................................... 159
12.2. Что такое CAD и САМ? ................................................................ 160
12.3. Общая схема работы с CAD/САМ-системой ............................... 160
12.4. Виды моделирования ................................................................. 162
12.5. Уровни САМ-системы ................................................................. 165
12.6. Геометрия и траектория ............................................................. 166
12.7. Алгоритм работы в САМ-системе ............................................... 167

12.7.1. Выбор геометрии ................................................................ 167
12.7.2. Выбор стратегии и инструмента, назначение параметров 
обработки ...................................................................................... 169

Плоская обработка ....................................................................... 170
Объемная обработка .................................................................... 171

12.7.3. Бэкплот и верификация ...................................................... 175
12.7.4. Постпроцессирование ........................................................ 177
12.7.5. Передача УП на станок с ЧПУ .............................................. 180

12.8. Ассоциативность ........................................................................ 181
12.9. Пятикоординатное фрезерование и ЗD-коррекция..................... 181

Содержание

12.10. Высокоскоростная обработка (ВСО)......................................... 183
12.11. Требования к современной САМ-системе ................................ 185

Глава 13
СИСТЕМА ТРЕХМЕРНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО 
МОДЕЛИРОВАНИЯ КОМПАС-3D ..................................................... 188

Классические твердотельные операции .......................................... 188

13.1. Твердотельное моделирование .................................................. 190
13.2. Поверхностное моделирование.................................................. 200
13.3. Моделирование деталей из листового материала ...................... 207
13.4. Экспорт геометрии..................................................................... 212

Глава 14
ОСНОВЫ РАБОТЫ В САМ-СИСТЕМЕ ESPRIT ................................ 214

14.1. Общие сведения ........................................................................ 214
14.2. Системные требования .............................................................. 215
14.3. Активация лицензии и запуск программы ................................... 215
14.4. Интерфейс программы ............................................................... 216
14.5. Порядок работы в программе ..................................................... 218
14.6. Создание операций фрезерной обработки................................. 218

Глава 15
УПРАВЛЕНИЕ СТАНКОМ С ЧПУ ........................................................ 232

15.1. Органы управления .................................................................... 232
15.2. Основные режимы работы .......................................................... 234
15.3. Индикация системы координат ................................................... 235
15.4. Установление рабочей системы координат ................................ 235

15.4.1. Алгоритм нахождения нулевой точки детали по оси Z .......... 236
15.4.2. Алгоритм нахождения нулевой точки детали по осям X и Y .. 237
15.4.3. Алгоритм нахождения нулевой точки в центре отверстия .... 238

15.5. Измерение инструмента и детали .............................................. 239

Глава 16
СПРАВОЧНИК КОДОВ И СПЕЦИАЛЬНЫХ СИМВОЛОВ 
ПРОГРАММИРОВАНИЯ ..................................................................... 242

16.1. G-коды ....................................................................................... 242
16.2. Адреса/слова данных ................................................................. 259
16.3. М-коды ....................................................................................... 262
16.4. Специальные символы в УП ........................................................ 263

Содержание

Глава 17
ПОЛЕЗНЫЕ ПРОГРАММЫ ................................................................ 265

17.1. Мониторинг ЧПУ ......................................................................... 265

Возможности ............................................................................... 266
Контроль в режиме реального времени ........................................... 266
Формирование отчетов и графиков ................................................. 268
Ускорение работы цеховых служб ................................................... 269
Внедрение на предприятии ............................................................ 270

17.2. Редактор УП Cimco Edit 7 ............................................................ 270
17.3. Техтран® ..................................................................................... 273

Фрезерная обработка .................................................................... 273
Токарная обработка ....................................................................... 274
Токарно-фрезерная обработка ...................................................... 275
Многошпиндельное сверление ...................................................... 275
Раскрой листового материала ........................................................ 276
Листовая штамповка ...................................................................... 277
Электроэрозионная обработка ...................................................... 277
Контроль управляющих программ .................................................. 278

Авторы благодарят за помощь в издании книги: 

Технический Центр ВариУс и лично Валерия Жовтобрюх, 

компанию НИП-Информатика и лично Александра Лиферова, 

компанию АСКОН и лично Дмитрия Оснача,

компанию АТМ Групп и лично Вадима Ефимцева.

Глава 1
ОСНОВЫ ЧИСЛОВОГО 
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Автоматическое управление

На сегодняшний день практически каждое предприятие, занимающееся меха
нической обработкой, имеет в своем распоряжении станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Станки с ЧПУ выполняют все те же функции, что и 
обычные станки с ручным управлением, однако перемещения исполнительных 
органов этих станков управляются электроникой. В чем же основное преимущество станков с ЧПУ и почему все большее число заводов предпочитает вкладывать 
деньги именно в современное оборудование с автоматическим управлением, а не 

покупать относительно дешевые универсальные 
станки?

Первым, очевидным плюсом от использования 

станков с ЧПУ является более высокий уровень 
автоматизации производства. Случаи вмешательства оператора станка в процесс изготовления детали сведены к минимуму. Станки с ЧПУ могут 
работать практически автономно, день за днем, неделю за неделей, выпуская продукцию с неизменно 
высоким качеством. При этом главной заботой станочника-оператора являются в основном подготовительно-заключительные операции: установка и 
снятие детали, наладка инструмента и т. д. В результате один работник может обслуживать одновременно несколько станков.

Вторым преимуществом является производст
венная гибкость. Это значит, что для обработки 
разных деталей нужно всего лишь заменить программу. А уже проверенная и отработанная программа может быть использована в любой момент 
и любое число раз.

Третьим плюсом являются высокая точность 

и повторяемость обработки. По одной и той же 
программе вы сможете изготовить с требуемым 

Рис. 1.1. Универсальный 
сверлильно-фрезерный 

станок

качеством тысячи практически идентичных деталей. Ну и, наконец, числовое 
программное управление позволяет обрабатывать такие детали, которые невозможно изготовить на обычном оборудовании. Это детали со сложной пространственной формой, например штампы и пресс­формы.

Стоит отметить, что сама методика работы по программе позволяет более точно предсказывать время обработки некоторой партии деталей и соответственно 
более полно загружать оборудование.
Станки с ЧПУ стоят достаточно дорого и требуют больших затрат на установку и обслуживание, чем обычные станки. Тем не менее их высокая производительность легко может перекрыть все затраты при грамотном использовании и 
соответствующих объемах производства.
Давайте разберемся, что же такое ЧПУ. Числовое программное управление – 

это автоматическое управление станком при помощи компьютера (который находится внутри станка) и программы обработки (управляющей программы). 
До изобретения ЧПУ управление станком осуществлялось вручную или механически.
Осевыми перемещениями станка с ЧПУ руководит компьютер, который читает управляющую программу (УП) и выдает команды соответствующим двигателям. Двигатели заставляют перемещаться исполнительные органы станка – рабочий стол или колонну со шпинделем. В результате производится механическая 
обработка детали. Датчики, установленные на направляющих, посылают информацию о фактической позиции исполнительного органа обратно в компьютер. Это 
называется обратной связью. Как только компьютер узнает о том, что исполнительный орган станка находится в требуемой позиции, он выполняет следующее 
перемещение. Такой процесс продолжается, пока чтение управляющей программы не подойдет к концу.

Рис. 1.2. Фрезерный станок с ЧПУ фирмы HYUNDAI WIA

Автоматическое управление

Основы числового программного управления

По своей конструкции и внешнему виду станки с ЧПУ похожи на обычные 

универсальные станки. Единственное внешнее отличие этих двух типов станков заключается в наличии у станка с ЧПУ устройства числового программного 
управления (УЧПУ), которое часто называют стойкой ЧПУ.

Рис. 1.3. Стойка ЧПУ Heidenhain TNC

1.2. Особенности устройства 
и конструкции фрезерного станка 
с ЧПУ

Фрезерные станки с ЧПУ можно классифицировать по различным призна
кам: по положению шпинделя (вертикальные или горизонтальные), по количест ву 
управляемых осей или степеней свободы (2, 3, 4 или 5 осей), по точности позиционирования и повторяемости обработки, по количеству используемого инструмента (одно- или многоинструментальные) и т. д.

Рассмотрим конструкцию вертикально-фрезерного станка с ЧПУ (рис. 1.4, 1.5). 

Станина (1) предназначена для крепления всех узлов и механизмов станка. Рабочий стол (2) может перемещаться в продольном (влево/вправо) и поперечном 
(вперед/назад) направлениях по направляющим (3). Пульт управления, или стой

ка ЧПУ (9), закреплен на кронштейне и может быть перемещен в удобное для оператора положение.

На рабочем столе закрепляют заготовки и различные технологические приспо
собления. Для этого на столе имеются специальные Т-образные пазы. Шпиндель 
(4) предназначен для зажима режущего инструмента и придания ему вращения. 
Шпиндель закреплен на колонне (5), которая может перемещаться в вертикальном направлении (вверх/вниз). От точности вращения шпинделя, его жесткости 
и виброустойчивости в значительной мере зависят точность и качество обработки. 
Таким образом, рассматриваемый станок является трехосевым.

Защитные кожухи (7) необходимы для обеспечения безопасности. Они защи
щают оператора станка от летящей стружки и смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая подается в зону обработки под давлением. Дверца (6) обеспечивает доступ в рабочую зону станка. В магазине инструментов (8) барабанного 
типа находится набор режущих инструментов. При этом взятие необходимого инструмента и фиксация его в шпинделе обеспечиваются устройством автоматической смены инструмента и производятся по определенной команде управляющей 
программы.

Рис. 1.4. Корпус вертикально-фрезерного станка с ЧПУ

Особенности устройства и конструкции фрезерного станка с ЧПУ

Основы числового программного управления

1.3. Функциональные составляющие 
(подсистемы) ЧПУ

Для того чтобы сделать из обычного станка с ручным управлением станок 

с ЧПУ, необходимо внедрить определенные компоненты в его конструкцию. Недостаточно просто подключить станок к компьютеру, чтобы он работал по программе, – необходимо модернизировать механическую и электронную «начинку» 
станка. Давайте посмотрим, как устроена система ЧПУ (СЧПУ) на большинстве 
современных станков.

Условно СЧПУ можно разделить на три подсистемы:
 подсистему управления;
 подсистему приводов;
 подсистему обратной связи.
Далее в этом разделе мы подробнее остановимся на каждой из данных под
систем.

1.3.1. Подсистема управления

Центральной частью всей СЧПУ является подсистема управления. С одной 

стороны, она читает управляющую программу и отдает команды различным агрегатам станка на выполнение тех или иных операций. С другой – взаимодействует 
с человеком, позволяя оператору станка контролировать процесс обработки.

Рис. 1.5. Конструктивные элементы станка

Сердцем подсистемы управления является контроллер (процессор), кото
рый обычно расположен в корпусе стойки ЧПУ. Сама стойка имеет набор кнопок 
и экран (все вместе называется пользовательским интерфейсом) для ввода и вывода необходимой информации.

Системы управления могут быть как закрытыми, так и открытыми, ПК-сов
местимыми. Закрытые системы управления имеют собственные алгоритмы и 
циклы работы, собственную логику. Производители таких систем, как правило, 
не распространяют информацию об их архитектуре. Скорее всего, вы не сможете 
самостоятельно обновить программное обеспечение и редактировать настройки 
такой системы. У систем закрытого типа есть важное преимущество – они, как 
правило, имеют высокую надежность, так как все компоненты системы прошли 
тестирование на совместимость.

В последнее время стало появляться все больше открытых, ПК-совместимых 

систем управления. Их аппаратная начинка практически такая же, как и у вашего 
домашнего персонального компьютера. Преимущество такого метода – в доступности и дешевизне электронных компонентов, большинство из которых можно 
приобрести в обычном компьютерном магазине, и в возможности обновления 
внут реннего программного обеспечения.

Самые современные СЧПУ могут быть оснащены CAM-системой, позволяю
щей автоматизировать процесс написания УП прямо на станке. Наиболее яркий 
пример – системы ЧПУ серии MAPPS IV японских станков Mori Seiki содержат встроенное программное обеспечение ESPRIT от компании DP Technology 
(США) и позволяют оператору не только создать УП любой сложности, но и произвести ее всестороннюю проверку.

Рис. 1.6. Стойка MAPPS IV c CAM-системой ESPRIT

Функциональные составляющие (подсистемы) ЧПУ

Основы числового программного управления

1.3.2. Подсистема приводов

Подсистема приводов включает в себя различные двигатели и винтовые пере
дачи для окончательного выполнения команд подсистемы управления – для реализации перемещения исполнительных органов станка.

Высокоточные ходовые винты
Важными компонентами подсистемы приводов являются высокоточные хо
довые винты. Вы, наверное, знаете, что на станке с ручным управлением рабочий, 
вращая рукоятку, соединенную с ходовым винтом, перемещает рабочий стол. На 
днище стола укреплена гайка таким образом, что при повороте винта происходит 
линейное перемещение стола.

Усовершенствованный ходовой винт станка с ЧПУ позволяет выполнять пе
ремещение исполнительного органа с минимальным трением и практически без 
люфтов. Устранение люфта очень важно по двум причинам. Во-первых, это необходимо для обеспечения сверхточного позиционирования. Во-вторых, только при 
соблюдении этого условия возможно нормальное попутное фрезерование.

Двигатели
Второй составляющей подсистемы является двигатель (а точнее – несколько 

двигателей). Вращение вала двигателя приводит к повороту высокоточного ходового винта и линейному перемещению рабочего стола или колонны. В конструкции станков используются шаговые электродвигатели и серводвигатели.

Шаговый электродвигатель – это электромеханическое устройство, преоб
разующее электрический сигнал управления в дискретное механическое перемещение. Существует несколько основных видов шаговых двигателей, отличающихся конструктивным исполнением:

 шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением;
 шаговые двигатели с постоянным магнитным сопротивлением;
 гибридные двигатели.
Принцип работы у всех этих двигателей примерно одинаков и достаточно 

прост.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением имеет не
сколько полюсов на статоре и ротор из магнитно-мягкого материала (реактивный 
ротор). На рис. 1.7 показан двигатель, имеющий шесть полюсов на статоре, ротор 
с четырьмя зубьями и три независимые обмотки, каждая из которых приходится 
на противоположные полюса статора.

При подаче электрического тока в одну из обмоток ротор стремится занять по
ложение, при котором возникший магнитный поток будет замкнут. То есть зубья 
ротора будут находиться прямо напротив тех полюсов статора, на обмотки которого подан ток. Если выключить ток в этой обмотке и подать его в следующую 
обмотку, то ротор повернется, чтобы в очередной раз замкнуть магнитный поток 
своими зубьями. Для непрерывного вращения ротора необходимо попеременно 
подавать электрический ток в 1, 2 и 3 обмотки, при этом шаг вращения для представленного двигателя составит 30°.