Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM-система

А. А. Ловыгин,
Л. В. Теверовский

Современный станок с ЧПУ  
и CAD/CAM-система

Москва, 2018

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, 2018. – 280 с.: 
ил.

 
ISBN 978-5-97060-621-6

Вы держите в руках уже третье, на этот раз полноцветное издание книги, кото-
рое адресовано всем, кто хочет быстро разобраться с основами автоматизированно-
го программирования обработки на станках с ЧПУ: студентам и выпускникам тех-
нических колледжей и вузов, инженерам-технологам, инженерам-конструкторам, 
операторам и наладчикам станков с ЧПУ, руководителям участков механической 
обработки. Мы постарались не только максимально доходчиво описать конструк-
цию 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.
Все материалы к книге выложены на сайте www.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 вла-
дельцев 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 ответ-
ственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

 
©  Ловыгин А. А., Теверовский Л. В., 2018 
ISBN 978-5-97060-621-6 
© Оформление, ДМК Пресс, 2018

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.(см..рис..8.8)..............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
12.10..Высокоскоростная.обработка.(ВСО).......................................... 183
12.11..Требования.к.современной.САМ-системе................................. 185

Содержание

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

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

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

Возможности.........................................................................................266

Содержание

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.6............................................................. 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.

Глава 1 
ОСНОВЫ ЧИСЛОВОГО  
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Автоматическое управление

На сегодняшний день практически каждое предприятие, занимающееся механической 
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 производственная 
гибкость. Это значит, что для обработки 
разных деталей нужно всего лишь заменить про-
грамму. А уже проверенная и отработанная про-
грамма 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 невоз-
можно изготовить на обычном оборудовании. Это детали со сложной пространст-
венной формой, например штампы и пресс-формы.
Стоит отметить, что сама методика работы по программе позволяет более точ-
но предсказывать время обработки некоторой партии деталей и соответственно 
более полно загружать оборудование.
Станки с ЧПУ стоят достаточно дорого и требуют больших затрат на уста-
новку и обслуживание, чем обычные станки. Тем не менее их высокая произво-
дительность 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 на-
ходится внутри станка) и программы обработки (управляющей программы). 
До изобретения ЧПУ управление станком осуществлялось вручную или меха-
нически.
Осевыми перемещениями станка с ЧПУ руководит компьютер, который чи-
тает управляющую программу (УП) и выдает команды соответствующим двига-
телям. Двигатели заставляют перемещаться исполнительные органы станка – ра-
бочий стол или колонну со шпинделем. В результате производится механическая 
обработка детали. Датчики, установленные на направляющих, посылают инфор-
мацию о фактической позиции исполнительного органа обратно в компьютер. Это 
называется обратной связью. Как только компьютер узнает о том, что исполни-
тельный орган станка находится в требуемой позиции, он выполняет следующее 
перемещение. Такой процесс продолжается, пока чтение управляющей програм-
мы не подойдет к концу.

Рис. 1.2. Фрезерный станок с ЧПУ фирмы Doosan

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 признакам: 
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 защищают 
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. Не-
достаточно просто подключить станок к компьютеру, чтобы он работал по про-
грамме, – 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 агре-
гатам 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 вы-
вода 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 доступ-
ности 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, позволяющей 
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 передачи 
для окончательного выполнения команд подсистемы управления – для реализации 
перемещения исполнительных органов станка.

Высокоточные ходовые винты
Важными компонентами подсистемы приводов являются высокоточные ходовые 
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 необ-
ходимо 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 ходо-
вого винта и линейному перемещению рабочего стола или колонны. В конструк-
ции станков используются шаговые электродвигатели и серводвигатели.
Шаговый электродвигатель – это электромеханическое устройство, преоб-
разующее электрический сигнал управления в дискретное механическое пере-
мещение. Существует несколько основных видов шаговых двигателей, отличаю-
щихся 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 кото-
рого 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 пред-
ставленного двигателя составит 30°.