Принцип работы чпу станка по дереву

Резьба по дереву всегда относилась к особому виду промысла. Это действительно оригинальное произведение искусства, которое выглядит и стоит дорого.

Однако настоящих мастеров не так много, а спрос значительно превышает предложение. Чтобы внедрить серийное производство резных изделий, был создан фрезерный станок по дереву с числовым программным управлением: ЧПУ.

В настоящее время на рынке конкурируют многие компании, которые занимаются производством станков. Одной из таких является компания MULTICUT, фрезерные станки с ЧПУ по дереву которой известны высоким качеством по всей России. На официальном сайте компании можно посмотреть все модели станков и ознакомиться с их характеристиками.

Управляемый 3Д фрезер, не что иное, как практическое применение пушкинской строки: «Поверил я алгеброй гармонию…». Резец обрабатывает заготовку не хуже, чем рука художника, а процесс выполняется с применением математических формул программного кода.

Что представляет собой фрезерный станок с ЧПУ по дереву?

Конструктивно, аппарат состоит из двух связанных систем:

Механическая часть

Oбычный фрезерный модуль по дереву с электроприводом, который с помощью шаговых двигателей перемещается в 3D плоскостях. Кроме того, подвижным бывает и стол, на котором закреплена деталь. Это помогает фрезерному станку быстрее выполнять деревообработку.

Вся конструкция закреплена на общей станине (раме), имеет фиксированное геометрическое положение элементов относительно друг друга. Фрезер ЧПУ по дереву – достаточно точный инструмент, механика выполняется из качественного металла с низкой степенью износа.

Электронная начинка

Управляет положением токарно-фрезерного шпинделя, скоростью вращения мотора, силой давления на дерево. Программатор с числовым управлением выбирает оптимальную траекторию фрезерного блока и болванки относительно осей координат.

Деревообрабатывающие центры могут иметь собственный компьютер, либо программироваться сторонней ЭВМ: вплоть до планшетов под управлением Android. Мини фрезерные установки часто оборудуются портом для карты памяти, в которую предварительно загружается программа.

Существуют и чисто механические копировально-фрезерные станки по дереву. При помощи зонда или щупа, оператор приводит в движение координатный механизм фрезера.

Обработка выполняется строго по шаблону, без возможности изменить конфигурацию детали. Фрезерный станок по дереву с модулем ЧПУ работает по виртуальной матрице, которая находится в электронных «мозгах». При этом, у оператора всегда есть возможность откорректировать программу.

Оборудование применяется как в домашней мастерской, так и в деревообрабатывающей промышленности. Например, фрезерный комплекс с ЧПУ «Бивер» (Beaver), получил прописку на крупных мебельных фабриках, по причине удачного сочетания цены и скорости обработки.

Участие оператора минимально: загрузить программу работы, вовремя убирать готовое изделие, и подкладывать на разделочный стол новую деталь. Впрочем, самые продвинутые фрезерные агрегаты могут самостоятельно загружать очередной деревянный массив.

Принцип работы фрезера с числовым программным управлением

Основа технологии – соединение точной механики и цифровой математики. Рука мастера направляет резец (или ручной фрезер) в нужное место дерева под точным углом.

Благодаря системе позиционирования, режущая кромка рабочего инструмента всегда оказывается в нужное время, в нужной точке, без непосредственного участия человека.

Причем если художник может ошибиться и допустить огрех, электронный модуль управления всегда точен.

Специальная управляющая программа обрабатывает математическую модель заготовки, и присваивает каждой точке поверхности 3D координаты. Затем просчитывается траектория шпинделя, с учетом конфигурации и размера фрезы. Команда на позиционирование подается на исполнительные механизмы: шаговые двигатели.

Привод устроен следующим образом:

Расположенная поперек стола ферма с кареткой, движется вдоль него (ось «X»). Большое значение имеет механизм перемещения: опорные точки должны двигаться строго параллельно.

По ферме перемещается собственно фрезерный модуль, это ось «Y». Еще одна ось перемещения (мы ведь говорим о 3D): вертикальная ось «Z». Благодаря такой свободе движения, фрезерный шпиндель может оказаться в любой заданной точке трехмерной системы координат.

Более дорогие модели имеют возможность наклона шпинделя: для того, чтобы подобраться к самым отдаленным точкам под правильным углом. На столе может быть установлена подвижная платформа, или сама столешница бывает подвижной. Это не добавляет возможностей, но ускоряет работу.

Важная деталь, незаметная снаружи. Программа управления построена таким образом, что фрезерный модуль на станке движется по оптимальной траектории. То есть, если углубление выбирается в несколько проходов, в дереве остаются временные «мостики», чтобы конструкция не сломалась до окончания обработки.

Система программирования не имеет значения. Она может быть создана на любом языке, оператор не печатает длинные тексты на «Паскаль» или «Бейсик». Задание параметров и управление программой построено на визуальном интерфейсе.

А создание трехмерных моделей выполняется в привычных графических редакторах. Затем готовый файл просто импортируется в программу фрезерного станка с ЧПУ. Также оператор может вручную задать траекторию фрезы, если этого требует технология или особенности заготовки.

Характеристики оборудования: на что обращать внимание

С конструкцией разобрались. Она может немного отличаться на разных моделях, но принцип действия единый. Теперь поговорим о технических параметрах.

Казалось бы, возможности избыточными быть не могут: чем мощнее (длиннее, маневреннее, быстрее), тем лучше. Однако, станок ЧПУ – изделие высокотехнологичное и дорогое. Поэтому для правильного выбора надо понимать, за что платим.

Размер рабочего стола

От этого параметра зависят две вещи, взаимно исключающие друг друга:

• чем больше стол – можно обработать более крупное изделие;
• чем меньше стол – тем проще разметить станок в помещении.

Компактный фрезерный станок может все, кроме выпиливания филенок на полотнах дверей (они просто не поместятся в рампу).

Мощность шпинделя

Вопреки распространенному мнению, этот параметр не связан с размером. От него зависит, насколько твердую заготовку вы сможете обработать. На качество фрезеровки напрямую влияет число оборотов вала.

Чем они выше – тем ровнее получается срез. В чем связь с мощностью? При работе с твердым деревом, растет сопротивление. Слабый двигатель начинает терять обороты, и обработка поверхности заготовки будет неравномерной: местами гладко, местами с заусенцами.

От этой характеристики станка зависит еще и скорость работы. Если двигатель работает с нагрузкой 80% – 90%, ему необходимо давать время на остывание. А фрезерный аппарат с 50% запасом мощности, работает на 2/3 номинальной нагрузки, и легко переносит непрерывную работу.

Дополнительные элементы оборудования

1. Поворотный механизм каретки фрезера. Опция, безусловно, полезная. Она добавляет «трехмерности». Если необходимо обработать заготовку снизу, вам не придется переворачивать изделие на 180°, заново задавать нулевую координату, и запускать процесс повторно. Но такое оборудование увеличивает стоимость.
2. Встроенный компьютер с экраном и программным обеспечением. Добавляет удобства и оперативности при установке новой визуальной модели.
   Безусловный плюс – возможность в реальном времени вносить изменения в процесс обработки. Но стоимость этой опции настолько велика, что полноценное рабочее место входит в состав только крупных деревообрабатывающих комплексов для промышленного применения.

Фрезерные станки для небольших мастерских, и тем более, домашнего использования, вполне обходятся подключением к отдельному компьютеру или ноутбуку.

Процесс обработки древесины станком с ЧПУ – видео

Классификация фрезеров с ЧПУ

Несмотря на кажущееся разнообразие, основных видов фрезерных аппаратов с ЧПУ всего два:

1. Консольный: в котором деталь закреплена неподвижно, а шпиндель перемещается в трехмерном пространстве.
2. Без консольный – всё наоборот. Стол с заготовкой перемещается относительно фрезера.

Остальные подвиды – это модификации базовых конструкций. Например, комбинированный агрегат, в котором подвижна и консоль с мотором, и столешница. Добавление токарного шпинделя – это четвертая координата консольного фрезера.

Как выбрать фрезер с ЧПУ?

На самом деле, ответ простой. Есть два критерия: что вы собираетесь на нем делать (в каком количестве), и где вы его поставите? Отсюда и характеристики, и стоимость изделия.
Настольная модель для домашнего применения (на которой вы даже балясину не сможете вырезать) стоит до 50000 руб. Места занимает не больше, чем обычный сверлильный станок.

Агрегат для мини мастерской, на котором можно сделать что-то серьезное: ценовой диапазон от 100 до 500 тыс. рублей.

А промышленное оборудование для серийного производства, верхней ценовой границы не имеет в принципе.

Видео советы мастера со стажем по выбору станка с ЧПУ

Речь пойдет о полупрофессиональных и профессиональных фрезерных станках для дерева с числовым программным управлением. Обзор цен и производителей.

Обучение работе на станке ЧПУ для новичков – видеоурок

Станки с числовым программным управлением, без которых просто невозможно представить себе современное высокотехнологичное производство, – это комплекс сложного оборудования, предназначенного для решения ряда задач.

Их применяют для выполнения рутинных операций, например при металлообработке большого числа заготовок с высокой скоростью и точностью или при сложнейших работах по созданию тканей.

Существуют и бытовые модели, предназначенные для установки на столе.

Новые виды оборудования позволяют сократить рабочий персонал до минимума, что может позволить решить проблему дефицита квалифицированных специалистов. Однако требования, которые приходится предъявлять к персоналу, обслуживающему любой станок ЧПУ, существенно возросли.

Особенность оборудования

Для наладки, пуска и ремонта станков ЧПУ уже недостаточно базовых навыков специалиста 20 века.

Наладчик и оператор должны быть знакомы с современными методиками, например иметь некоторые представления о программировании, знать основы и принципы работы электронной и компьютерной техники. Без достаточного количества таких специалистов станочный парк, даже самый высокотехнологичный, не обеспечит окупаемость этого весьма недешевого оборудования.

Схему работы станка с ЧПУ можно описать упрощенно. Например, работа металлообрабатывающего станка выглядит примерно так: параметры будущего изделия вводятся в память аппарата через компьютер, обрабатываемая заготовка крепится в станке соответствующим образом. Настраивается необходимая оснастка. После запуска станка заготовка обрабатывается по определенной программе, заложенной в компьютере. На выходе получают готовую деталь или изделие с необходимыми свойствами.

Подготовка иных станков может потребовать более сложных манипуляций. В оборудование, производящее сварочные работы, необходимо будет заправить сварочную проволоку, подключить баллоны с газом. Ткацкие станки с ЧПУ потребуют заправки соответствующих материалов.

Виды станков для обработки дерева и металла

Портальные металлообрабатывающие станки с ЧПУ и оборудование для работы с древесными материалами наиболее распространены и востребованы на сегодняшний день. Принципы обработки металла и древесины во многом схожи, поэтому можно рассмотреть одновременно обе группы, с некоторыми оговорками:

• токарные станки выполняют обработку крутящихся заготовок методом резания. Заготовки могут представлять собой болванки различного сечения как из металла, так и древесины. Кроме этого, на таких станках можно нарезать все виды резьбы;
• фрезерные (фрезеровочные) и фрезерно-центровальные станки необходимы для работы на плоских и фасонных поверхностях с применением различных фрез (в горизонтальной и вертикальной плоскостях);
• сверлильное и сверлильно-расточное оборудование применяется для получения сквозных и глухих отверстий, а также зенкования и зенкирования отверстий;
• шлифовальные станки с ЧПУ нужны для обработки поверхностей заготовок и готовых изделий различными методами шлифовки.

Пользуются спросом вертикально-фрезерные станки с ЧПУ, предназначенные для обработки металлических деталей сложной формы.

Реже встречаются некоторые другие виды специальных, как правило, универсальных, станков. Например, гравировально-фрезерные станки применяются при работе с деревом, оргстеклом, пластиком, фанерой, цветными металлами. Могут использоваться в небольших мебельных, рекламных и полиграфических мастерских для раскроя материалов и нанесению различных надписей и гравировок.

Чтобы правильно выбрать станок с ЧПУ, надо четко представлять, для каких целей он нужен, с какой точностью предстоит обрабатывать металл или дерево, в каком объеме будет проводиться работа. Оборудование для обработки дерева имеет практически такую же конструкцию, как для металла, но отличается меньшей мощностью, что скажется на цене. Если необходимо выполнять гравировку, то можно остановить выбор на современной модели, выжигающей лазером. Существуют плоттеры, предназначенные специально для дома, стоимостью порядка 500 долларов и больше.

Устройство некоторых видов

Фрезеровальные, токарные и другие виды станков имеют несколько схожих конструктивных элементов. При сборе самодельного ЧПУ-станка это надо иметь в виду.

Станина. Представляет собой чугунное основание, на котором закреплены основные узлы оборудования. Как правило, предусмотрена возможность ее монтажа к полу. Небольшие станки для дома могут иметь облегченную станину.

Электродвигатель – основная силовая установка. В универсальных станках может присутствовать несколько электродвигателей разного типа.

Приспособления для удержания заготовки. В разных станках применяются различные устройства. В токарных и токарно-револьверных станках заготовка фиксируется в зажимном патроне, который является окончанием шпинделя – вала, вращаемого электромотором. На сверлильных и шлифовальных станках заготовка фиксируется на рабочем столе зажимными приспособлениями.

Приспособление для удержания рабочего инструмента. Это могут быть зажимные патроны различных видов. В том числе патроны револьверного типа, позволяющие одновременно фиксировать несколько видов рабочего инструмента: резцы, сверла или фрезы. Во время работы при смене режимов обработки выбор необходимого инструмента будет осуществляться автоматически. В таком случае операции будут последовательно выполняться без остановки станка.

Приспособления для охлаждения заготовки и режущего инструмента. В процессе работы, во избежание перегрева, к рабочей зоне подается охлаждающая жидкость, что сохранит режущий инструмент от разрушения.

Блок управления. Руководит процессом работы согласно заданной программе. Этот электронный блок – мозг станка. Все операции находятся под его контролем. В этот же блок входит и контроллер, устройство, являющееся частью компьютеризированной системы, которая управляет в пространстве положением рабочего инструмента и заготовок. Важной особенностью контроллера является число осей (2 или 3), которые он способен контролировать и синхронизировать. Для этого используются промышленные комплектующие, не используемые в обычных компьютерах, и специальное программное обеспечение.

Устройство для ввода программы. Оно может быть представлено в виде компьютера или дисплея с буквенно-цифровой клавиатурой. Иногда компьютер встраивается непосредственно в станок, а иногда устанавливается отдельно.

Исполнительные механизмы. Это разного типа сервоприводы, шаговые двигатели, датчики и прочие вспомогательные элементы.

На крупных производственных площадках станки с ЧПУ могут объединяться в целые сети, связанные особым образом. Так формируются, например, конвейерные линии.

Некоторые виды станков могут иметь отличное от указанного исполнение. Станки для плазменной резки выполнены в виде стола, над которым перемещается во всех пространственных положениях рамка с установленным на ней плазмотроном (он является в данном случае рабочим инструментом). Станок комплектуется набором соответствующих баллонов, необходимых для создания потока плазмы, который режет заготовку. Пульт управления с компьютером расположен отдельно во избежание поражения оператора станка ультрафиолетовым излучением.

Обслуживание и наладка, программирование

Обслуживание сложного оборудования должно производиться согласно рекомендациям производителя. В связи с этим обязательно следует изучать всю документацию, прилагаемую к оборудованию. Все механизмы должны периодически смазываться определенными видами смазок. Стружку во время и после работы следует тщательно удалять. Режущий инструмент нужно своевременно затачивать или заменять при поломке.

Начальным этапом наладки станков с ЧПУ является определение того, как должна выглядеть заготовка после ее обработки. Это можно сделать, используя различные компьютерные программы для моделирования, как 3Д, так и более простые – 2Д, другими словами, трехмерные или двухмерные. В компьютерах промышленных станков присутствует ряд шаблонов деталей. Для получения стандартных форм достаточно указать размеры детали, которую необходимо получить на выходе.

Сложные детали нестандартных форм удобнее всего создавать в 3d-редакторах. Изображение будущей детали будет более наглядным. После редактирования файл с программой переносят в память станка. Далее наладчик производит подготовку станка к запуску: устанавливает режущий инструмент, производит диагностический запуск станка, устанавливает заготовку в место ее крепления. После обработки первой заготовки должен производиться контрольный замер. В случае отсутствия дефектов цикл повторяется.

Техника безопасности

В связи с тем, что работа станков с ЧПУ ведется в автоматическом режиме, около станка обязательно должен находиться наладчик или оператор, готовый при необходимости обесточить оборудование. Необходимо следить, чтобы все предохранительные кожухи во время работы были закрыты, а сам станок был заземлен. Обязательно предусмотреть наличие средств пожаротушения, в том числе позволяющих тушить электроприборы, находящиеся под напряжением. Весь персонал, допущенный к работе со станком, должен быть специально обучен и иметь все необходимые допуски по безопасности.

Станки ручной сборки (портативные)

Во многих странах мира любители техники оценили по достоинству возможности станков с ЧПУ. Кроме того, портативные аппараты могли бы облегчить жизнь небольшим мастерским, выпускающим продукцию маленькими сериями.

Так как профессиональное оборудование не всегда доступно по цене, стало популярным изготовление станков с ЧПУ своими руками. Некоторые фирмы даже наладили производство настольных 3д-принтеров и различных мини-станков с ЧПУ для любителей самоделок. В интернете можно найти целое сообщество MIR CNC, посвященное мини-ЧПУ (CNC – Computer Numerical Control).

Умельцы собирают станочки, используя запасные части от старых принтеров, сверлильных и фрезерных станков, обрезки металла и фанеру. Некоторые используют даже акрил, что очень сложно. Среди них встречаются настолько удачные модели, что по функциональным качествам и по надежности конструкции не уступят фабричным аналогам, даже превзойдут их.

Любопытны присутствующие в продаже комплектующие для станков для металла, дерева, которые позволяют, собирая узлы и детали своими руками по чертежу или по собственным схемам, создать неповторимый станок с уникальными свойствами.

Интересны модели лазерных 3Д-принтеров. Их можно приобрести модулями и собрать или купить готовое рабочее изделие. Изготовители позиционируют эти модели как аппараты для создания всевозможных небольших изделий из пластика. Это могут быть шестеренки, подставки, сувениры, игрушки. Печатающая пластиком головка перемещается по трем осям, создавая заданную конструкцию, которая моделируется заранее на компьютере.

Есть в продаже и покрасочные станки с ЧПУ, которые могут заинтересовать мастеров, нуждающихся в покраске большого числа мелких и средних по размерам элементов в мастерской. Эти станки работают с лаками и красками, в том числе с порошковыми.

Предлагаемый кругло-фрезерный станок справится с цилиндрическими заготовками. Производитель рекомендует использовать его для создания декоративных элементов из дерева.

Будущее станков с ЧПУ

Еще в начале 19 века предпринимались попытки создать программируемый станок. В 1804 году французский ткач-изобретатель Жаккар создал станок, позволяющий при помощи программирования простейшими методами создавать незатейливые узоры на тканях. Программа задавалась при помощи картонных карточек с отверстиями (прообраз будущих перфокарт). Однако более или менее серьезное оборудование с принципом ЧПУ появилось лишь во второй половине 20 века.

На сегодняшний день уже невозможно обойтись без высокотехнологичного производства. Работники, паяющие вручную печатные платы для создания электроприборов, ушли в прошлое. Бурное развитие станкостроения, ориентированного как для крупных предприятий, так и для малых, позволяет предположить, что через несколько десятилетий роботизированные линии на производстве всех отраслей и всех масштабов станут нормой.

Для выпиливания декоративных элементов с четкими линиями, ажурными узорами используется фрезеровка дерева на станках с ЧПУ.

Конструкционные особенности

Основа агрегатов — рабочая консоль. Она укомплектована автоматизированной системой (блок CNC), регулирующей перемещение головки фрезера по горизонтали и вертикали. На оборудовании также выполняют расточку деталей, формируют пазы, технологические отверстия. Некоторые модели позволяют осуществлять гравировку. Сверхточная работа фрезы обеспечивает более качественную резку материала.

Как использовать оборудование

Резьба по дереву на станках с ЧПУ начинается с программирования, составления алгоритма задач, которые будут возложены на ПО. Учитываются размеры заготовки, технические характеристики станка: размер резака, обороты и прочее. Деталь размещается на рабочей поверхности устройства. После этого вводится программа, осуществляется тестовый запуск системы. Затем в автоматическом или полуавтоматическом режиме делается заготовка. Управление зависит от типа агрегата. При необходимости программу можно откорректировать.

Участие оператора в процессе минимально. Требуется только контроль над текущими параметрами станка, предотвращение выхода агрегата из строя при возникновении сбоев. Древесную пыль и стружку удаляют при помощи воздушной системы. Эта мера исключает засорение узлов, механизмов оборудования.

Виды станков

Важные параметры, на которые следует ориентироваться при выборе станка: форма, размеры заготовки. Можно выбрать агрегат с жестким фиксатором обрабатываемой детали, позволяющим ее перемещение в плоскостях.

• Консольные. Рабочий стол перемещается в двух направлениях: продольном, поперечном, — при этом фрезерный блок остается неподвижным. Образцы редко используются для работы с деревом: выдвигаются строгие требования на габариты заготовки. На них удобно работать со стальными деталями.
• Бесконсольные. Фреза перемещается при помощи каретки, укомплектованной продольными и поперечными направляющими. Числовой программный блок может располагаться вертикально и горизонтально. Универсальные образцы позволяют при необходимости изменять эти параметры.

Числовые блоки бывают:

• Позиционными. Фреза устанавливается на поверхности обрабатываемой детали на заданную позицию.
• Контурными. Предусматривают передвижение рабочего инструмента по необходимой траектории.
• Универсальными. Сочетают функции других вариантов. В некоторых моделях допускается контроль над позицией фрезы, режимом выполняемого процесса.

После смены числового блока, при обновлении программного обеспечения характеристики станка с ЧПУ могут быть изменены. При переустановке блока ЧПУ нужно удостовериться в его совместимости с узлами, агрегатами оборудования, иначе невозможно будет обеспечить правильное выполнение поставленных задач.

Основные технические характеристики

При выборе станка необходимо обращать внимание на:

• допустимые габариты обрабатываемой детали;
• число оборотов головки;
• скорость перемещения фрезы при холостом ходе;
• точность установки резца;
• параметры охладительной системы (при наличии этой функции);
• тип, возможность смены ЧПУ.

Некоторые модели могут иметь дополнительные функции. Так, на гравировальных станках гравировка изделия возможна под заданным углом. Это достигается путем установки поворотной головки.

Мощность мотора, корректировка числа его оборотов должна регулироваться ЧПУ. Так обеспечивается более точное выполнение заданных процедур.

Фрезы

Фрезерные элементы могут иметь разную конфигурацию. Большинство агрегатов снабжено однозаходными моделями, позволяющими обрабатывать дерево, другие мягкие материалы. Они довольно дешевые, но из-за конструкции режущего элемента не особо точные.

Более усовершенствованные образцы могут быть:

• двухзаходными,
• спиралевидными,
• по форме «рыбий хвост»,
• по форме конус (для художественной гравировки).

К некоторому оборудованию отдельно подбирают материал изготовления, дорабатывают форму.

В таблице представлены характеристики некоторых моделей станков.