История развития станков с чпу реферат

Обновлено: 25.06.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Городское соревнование юных исследователей

Исследовательская работа

Ромазова Виктория, ученица 5 класса

средней школы №31

Лыбина Виктория Романовна,

средняя школа №31

Многое из того, что мы видим в окружающем нас материальном мире, изготовлено при помощи станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Использование возможностей электроники и вычислительной техники для эффективного и оптимального управления промышленным оборудованием позволило повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции. А при массовом производстве - значительно снизить затраты на ее изготовление.

Так как станки с ЧПУ применяются уже во многих видах производства и есть в нашей школе, мы решили изучить данные станки, их применение в обучении и интересна ли школьникам работа со станками с ЧПУ.

Проблема нашего исследования в том, обучающиеся не обладают знаниями о станках ЧПУ и им, кажется, что применение станков возможно только на производстве.

Цель исследования ознакомить обучающихся со станками ЧПУ и их сферами применения в школе.

Гипотеза заключается в том, что можно более широко знакомить учеников со станками с числовым программным управлением и тем самым привлечь их к техническому направлению.

Новизна проекта заключается в том, что изучение данной темы еще не до конца раскрыто и мы собрали информацию о станках с ЧПУ, и изучили сферы применения, именно в школе.

Предметом нашего исследования является станки с числовым программным управлением.

Объект исследования, применение станков с числовым программным управлением в школе.

· изучение специальной литературы и интернет источников;

· поиск и отбор необходимой информации из научно-популярной литературы, Интернета;

· сравнительный анализ ручной обработки детали и с применением станка с ЧПУ;

Этапы проведения проекта:

I - подготовительный. Работа в библиотеке, в интернете, подборка и чтение литературы о станках с числовым программным управлением.

II - исследовательский. Изучить историю развития станков с числовым программным управлением. Изучить источники, содержащие информацию о применении станков с числовым программным управлением. Провести анкетирование среди обучающихся 5,7 классов. Изучить как обрабатывается деталь вручную и с помощью станка с ЧПУ.

III - заключительный. Провести анализ анкет и сравнительный анализ изготовления детали вручную и на станке ЧПУ. Создать банк фото материалов по теме. Представить проект.

Основоположником систем с числовым программным управлением считается Джон Т. Парсонс, Массачусетского технологического института. В конце 40-х годов он разработал оборудование для кодирования управляющей программы на перфокартах. Программа управляла приводами подач фрезерного станка. В 1948 г. система была принята в эксплуатацию в военной авиапромышленности США, первый коммерческий вариант системы стал доступен в 1952 году.

Дальнейшее развитие шло по пути модернизации аппаратной части (электронные лампы-транзисторы-интегральные микросхемы), повышения точности, добавления функциональности. Параллельно шло и развитие методов и языков программирования для оборудования с ЧПУ.

Начало массовой эксплуатации станков с ЧПУ относится к концу 50-х годов, и именно станки с ЧПУ можно отнести к самому крупному и перспективному достижению в средствах металлообработки ХХ века. Научно-технический прогресс, в свою очередь, сопровождается ускорением морального устаревания изделий, что привело к необходимости частой переналадки производства с одного вида изделия на другое. Так, уже во второй половине XX века доминирующим типом производства становится средне- и мелкосерийное, что обусловило потребность в автоматизации в металлообработке и, в свою очередь, развитие программного управления для станков. Характерной чертой являлось также сокращение сроков внедрения новых разработок в серийное производство [5].

Создание систем ЧПУ явилось своеобразным переломным моментом в развитии станкостроения, началом качественно нового этапа: сочетанием высокой производительности, присущей специальным станкам и станкам-автоматам, с гибкостью, свойственной универсальному оборудованию, что сделало станки с ЧПУ главным средством автоматизации мелко и среднесерийного производств. Использование высокопрочных и труднообрабатываемых сталей породило новые методы их обработки, обеспечение оптимальных режимов работы станков для обработки этих сталей также приводило к необходимости введения ЧПУ. Улучшение режущих материалов (создание металлокерамического и твердосплавного инструмента, развитие методов скоростного силового шлифования и т.п.) позволило увеличить скорости резания до величин, при которых ручное управление станком стало во многих случаях либо невозможным, либо требующим высокой квалификации станочника [2].

2. Виды станков с ЧПУ

Давайте, рассмотрим, что такое ЧПУ и виды станков с ЧПУ.

Числовое программное управление - область техники, связанная с применением цифровых вычислительных устройств для управления производственными процессами [4].

В отличие от стандартного персонального компьютера, который является универсальным устройством для обработки информации и способен работать с любыми данными, представленными в цифровом виде, микропроцессор, используемый в конструкции многих станков с ЧПУ, - устройство специализированное. Он не содержит ничего лишнего, и весь набор его функций предназначен для выполнения главной задачи – контроля состояния всех исполнительных органов станка и управления их работой по специальной программе. Чтобы управлять особо сложными современными станками, применяют более производительные и многозадачные устройства – промышленные компьютеры [1].

Несмотря на то, что все современные станки управляются с компьютера (ноутбука, стойки с экраном и кнопками), они радикально отличаются между собой по назначению, инструменту, типу сырья для работы и еще некоторым факторам.

Наиболее часто используется следующие разновидности станочного оборудования, и, если распределить их по степени популярности, список будет выглядеть следующим образом:

Фрезерные станки. Многочисленная группа оборудования, предназначенная для выполнения различных операций с большим ассортиментом материалов. Это могут быть металлы, дерево, пластики, воск, пенопласт, гипс, кожа, камень, стекло и т. д. Рабочий инструмент (фреза) выполнен из металла и оснащен остро заточенными гранями, кромками или зубцами.

На фрезере можно сверлить, фрезеровать, гравировать, торцевать, шлифовать поверхности, растачивать отверстия, нарезать зубцы и выполнять еще множество операций инструментами, подходящими для этих целей.

Станки такого плана широко используют в металлообработке, работе с камнем, ювелирном деле, рекламном бизнесе, но особенно популярны они во всех сферах, связанных с обработкой древесины. Мебельное производство, изготовление лестниц, беседок, входных и межкомнатных дверей, выпуск изделий бытового и декоративно-прикладного характера, создание интерьерных украшений (большие и малые статуи, настенные панно с 3D-барельефами и тому подобное), производство подарков, сувениров и прочих изделий.

Лазерно-гравировальное оборудование. Лазерные аппараты являются главными конкурентами фрезерных станков и активно борются с ними за первое место в списке лидеров. Небольшое отставание объясняется лишь ощутимой пока еще разницей в стоимости между двумя типами устройств.

Достоинств у станков лазерной группы намного больше, чем у фрезеров. Сюда входит более высокая скорость, абсолютная точность обработки, единый режущий инструмент для всех типов операций, бесшумность и безотходность, отсутствие физического контакта с поверхностью, более широкий спектр материалов.

Главным и единственным инструментом лазерных станков выступает поток частиц высокой температуры. Линза, помещенная в инструментальную головку над рабочей поверхность, фокусирует поток в тончайший лазерный луч с малым диаметром и очень большой концентрацией мощности в зоне обработки. На поверхности материала лазер выглядит как крохотная точка, однако малые габариты совсем не мешают лучу мгновенно прожигать насквозь древесину, металлы и стекло. Помимо этих поверхностей лазерные станки подходят для обработки бумаги, картона, тканей и нетканых материалов, меха, пленки, пластмасс, резины и т. д. Луч может не только резать, но и сверлить, гравировать, маркировать материалы, сваривать металлические поверхности.

Сфера применения лазерного оборудования с ЧПУ не менее широка, чем у фрезерных аппаратов и включает в себя те же самые области, дополненные легкой промышленностью, упаковочным и сувенирным производством, изготовлением печатей, уплотнительных прокладок, электронных плат, виниловых наклеек и т. д. [8]

Режущие плоттеры с ЧПУ. Станки-плоттеры с компьютерным управлением стали настоящим спасением для типографских мастерских, швейных ателье и прочих предприятий, работа которых связана с раскроем тонких и деликатных материалов. Это могут быть виниловые пленки, кожа, бумага, картон, ткани и прочие им подобные поверхности.

Особенностью плоттеров, которые называют также каттерами, является режущий инструмент, который и дал оборудованию второе название. Он представляет собой острейший нож, закрепленный над рабочей зоной, который, в зависимости от типа, может перемещаться только в горизонтальной плоскости, совершать возвратно-поступательные движения или вращаться во всех направлениях.

Плоттерное оборудование предназначено для работы с листовыми и рулонными материалами и используется для обычного и сложноконтурного раскроя, вырезания аппликаций, узоров, надписей и виниловых наклеек [2].

Токарные станки. Токарная техника с ЧПУ выполняет обработку металлов и материалов с жестким корпусом. За счет вращательных движений рабочего инструмента возможна расточка, нарезка резьбы, подрезание отверстий. Различные типы станков позволяют разрабатывать уникальные модели в едином образце или масштабно производить детали сложной формы.

В нашей школе на уроках технологии мы изучаем и работаем на токарном и фрезерном станках с ЧПУ. Поэтому рассмотрим их более подробно.

Фрезерные станки с ЧПУ (см. приложение 1)

Заготовка удерживается неподвижно прямо на станине станка или в тисках.
Материал удаляется из заготовки с помощью режущих инструментов - фрез или свёрл, которые вращаются с высокой скоростью.
Инструменты прикреплены к шпинделю, который может двигаться вдоль трех линейных осей.

Трех-осевые фрезерные станки с ЧПУ - самые широко известные. Их используют в основном для производства самых распространенных геометрий. Относительно просты в программировании и эксплуатации, поэтому затраты на обработку, относительно невелики [7].

Доступ к инструменту, при фрезеровке с ЧПУ ограничен конструкцией. Поскольку есть только три оси для работы, некоторые области заготовки могут быть недоступны. В целом – это не большая проблема, если заготовку нужно вращать только один раз. Но если требуется несколько вращений, затраты на обработку могут быстро увеличиться.

может производить большинство деталей с простой геометрией;
высокая точность.

есть ограничения по фрезерованию скрытых полостей и сложной геометрии;
ручное перемещение заготовки снижает достижимую точность.

Токарные станки с ЧПУ (см. приложение 2). Заготовка удерживается на шпинделе при вращении с высокой скоростью. Режущий инструмент или центральное сверло обрабатывает внешний или внутренний периметр детали, образуя геометрию. Инструмент не вращается. Он движется радиально и продольно.

Токарные станки с ЧПУ широко используются, потому что с их помощью можно производить детали с гораздо большей скоростью и с меньшими затратами на единицу, чем на таких же станках без поворотного устройства. Это особенно актуально для больших объемов работы.

Основное ограничение конструкции токарных станков с ЧПУ заключается в том, что они могут изготавливать только детали с цилиндрическим профилем (например, винты или шайбы). Чтобы преодолеть это ограничение, детали часто подвергаются фрезерной обработке с ЧПУ на отдельном этапе. В качестве альтернативы, используются 5и-осевые токарно-фрезерные станции с ЧПУ. С их помощью можно добиться нужных результатов за один процесс [1].

самая низкая стоимость за деталь на выходе, чем при других способах обработки с ЧПУ;
очень высокие производственные возможности.

может производить только детали с симметрией и простой геометрией.

Четвертый вопрос 15 % обучающиеся ответили, что изучать в школе такие станки не нужно, 85 % обучающихся ответили, что нужно. Мы лично их спросили почему не нужно изучать в школе и многие ответили, что данные станки дорогостоящие и применяются на производстве. И мы заинтересовались данным мнением и выяснили, что данный станок необязательно покупать, для домашних мастерских его можно собрать самостоятельно. Ниже представлены модель и собранный фрезерного станка с ЧПУ в домашних условиях [3].

Для чего же придуманы станки с ЧПУ, если человек вручную тоже может обрабатывать детали? Мы решили сравнить в чем же отличие станка ЧПУ и ручной обработкой детали.

Сравнение станка ЧПУ и ручной обработки детали

Критерии оценивания

Ручная обработка

Скорость изготовления изделия

Для каждого действия нужно разное оборудование.

Умеет менять режущие инструменты, оператору не требуется вручную перенастраивать оборудование.

На скорость изготовления влияют навыки оператора и другие факторы

Затрачивает одинаковое количество времени на создание одного вида деталей

Точность обработки деталей

Присутствует человеческий фактор, усталость, невнимательность.

Оператору достаточно однажды написать программу, чтобы каждый раз получать одинаковый результат. Изготавливают детали с точностью до микрон.

Работа со сложными деталями.

Требуются навыки оператора для изготовления деталей сложной геометрической форм. Например, для изготовления симметричных отзеркаленных частей.

Справляется с деталями любой сложности.

Если нужно в короткие сроки изготовить 5 деталей, нужно 5 работников.

Для наблюдения за автоматизированным производством достаточно 2-4 операторов. Знающий специалист за 10 минут сможет обслужить несколько станков с ЧПУ.

Современные технологии позволяют оптимизировать производство, повысить качество изготовления изделий. С течением времени возросли и мощности станков с ЧПУ. Компьютеризированные системы становятся технологичнее. Действительно применение станок ЧПУ значительно сокращает время работы и улучшает качество и точность изготовления изделия.

Применение станков с ЧПУ в образовательных организациях позволяет создать многопрофильное дополнительное образование по изготовлению моделей самолетов, кораблей, транспортной техники, игрушек и мебели для детских садов, сувениров с национальным колоритом и др. Позволит расширить образовательные услуги учащимся и жителям города, детям – инвалидам.

Молодежь и подростки с ограниченными физическими возможностями получат прекрасный шанс выразить свой внутренний мир на языке творчества, реализовать способности и продемонстрировать талант так как работа на токарных станках автоматизирована. Занятия в технических направлениях морально поддерживают ребят, помогают им обрести уверенность в себе, преодолеть барьер отчуждения и стать полноценными членами общества.

В процессе работы станка, учащиеся близко знакомятся с востребованными профессиями нашего города, определяют свое отношение к ним и пробуют силы в данном направлении.

Внедрение станка ЧПУ на уроках технологии позволит:

• облегчить точность изготовление деталей в моделизме;

• повысить качество образования;

• расширит знания учащихся,

• улучшит качество изготовленной продукции.

Станки с ЧПУ прочно вошли в нашу жизнь и стали незаменимыми помощниками человека в производственной деятельности. Без этих систем было бы невозможно изготавливать многие, успевшие стать привычными и обыденными вещи. Причем все необходимые детали станки под управлением ЧПУ обрабатывают быстро и качественно, с недостижимой ранее точностью. Изучив литературу по данной темы, мы можем сделать вывод, что за счет активного знакомства с принципом работы настоящих станков с ЧПУ ученики непосредственно соприкасаются с проектированием, моделированием и производством заготовок, программированием и управлением, поэтому могут адекватно оценивать перспективы будущей профессии.

Использование настоящего токарного или фрезеровального оборудования на школьных уроках или дополнительных занятиях позволяет приблизить образовательный процесс к реальным производственным условиям, погрузить школьников в нюансы реальных технологических процессов, знакомит с профессиями токарь, фрезеровщик, инженер, оператор ЧПУ.

Изобретателем первого станка с числовым (программным) управлением (англ. Numerical Control, NC) является Джон Пэрсонс (John T. Parsons), работавший инженером в компании своего отца Parsons Inc, выпускавшей в конце Второй мировой войны пропеллеры для вертолетов. Он впервые предложил использовать для обработки пропеллеров станок, работающий по программе, вводимой с перфокарт.

В 1949 году ВВС США профинансировали Parsons Inc разработку станка для контурного фрезерования сложных по форме деталей авиационной техники. Однако, компания не смогла самостоятельно выполнить работы и обратилась за помощью в лабораторию сервомеханики Массачусетского технологического института (MIT). Сотрудничество Parsons Inc с MIT продолжалось до 1950 года. В 1950 году MIT приобрел компанию по производству фрезерных станков Hydro-Tel и отказался от сотрудничества с Parsons Inc, заключив самостоятельный контракт с ВВС США на создание фрезерного станка с программным управлением.

В сентябре 1952 года станок был впервые продемонстрирован публике – про него была напечатана статья в журнале Scientific American. Станок управлялся с помощью перфоленты.

Первый станок с ЧПУ отличался особой сложностью и не мог быть использован в производственных условиях. Первое серийное устройство ЧПУ было создано компанией Bendix Corp. в 1954 году и с 1955 года стало устанавливаться на станки. Широкое внедрение станков с ЧПУ шло медленно. Предприниматели с недоверием относились к новой технике. Министерство обороны США вынуждено было на свои средства изготовить 120 станков с ЧПУ, чтобы передать их в аренду частным компаниям.

Числовое программное управление также характерно для систем управления современными промышленными роботами.

Аббревиатура ЧПУ соответствует двум англоязычным — NC и CNC, — отражающим эволюцию развития систем управления оборудованием.

Системы типа NC (англ. Numerical control), появившиеся первыми, предусматривали использование жестко заданных схем управления обработкой — например, задание программы с помощью штекеров или переключателей, хранение программ на внешних носителях. Каких-либо устройств оперативного хранения данных, управляющих процессоров не предусматривалось.

Более современные системы ЧПУ, называемые CNC (англ. Computer numerical control) — системы управления позволяющие использовать для модификации существующих/написания новых программ программные средства. Базой для построения CNC служат современный (микро)контроллер или (микро)процессор:

контроллер с программируемой логикой,

управляющий компьютер на базе микропроцессора.

Возможна реализация модели с централизованным автоматизированным рабочим местом (например, ABB Robot Studio, Microsoft Robotics Developer Studio) с последующей загрузкой программы посредством передачи по промышленной сети.

Аппаратное обеспечение
В качестве исполнительных механизмов используются сервоприводы, шаговые двигатели

Устаревшие станки отправляются на реконструкцию и оснащаются численным программным управлением. Практическое внедрение этих машин на производстве очень скоро показало, что для оптимального использования необходимы специальные конструкции машин.

Были изобретены удовлетворяющие всем требованиям станки с более стабильной конструкцией и оснащенные моторами постоянного тока, гидростатическими или направляющими качения, а также шариковым циркуляционным ходовым шпинделем.

В последующем времени повышалась степень автоматизации производства благодаря автоматическим сменным насадкам (1965), устройствам смены палетт, а также зажимов.

Решающий прорыв чпу технологиями был совершен благодаря развитию современной электроники. Интегрированные схемы (1968) и микропроцессоры (1976) привели к значительому снижению затрат и повышению производительности.

Аппаратура управления заменяется в большинстве своем на программное обеспечение.

В ходе этого развития возникли чпу машины со следующими преимуществами:

Ввод данных через клавиатуру
Автоматическая оптимизация программных данных
Токарный, фрезерный и поворотный циклы
Расчет стоимости коррекции инструмента
Ограничение области обработки и ограничение скорости подачи
Балансировка угла поворота шпинделя
Графический экран
Контроль силы разреза
Возможность синхронизации с новым программным обеспечением
Процессор геометрии

Тенденции развития

В то время как станки чпу по существу ограничиваются относительно мелкосерийным производством, разработка автоматических станков типа CNC откроет области, которые до сих пор не подвластны существующим на сегодняшний день машинам.

Благодаря многолетней работы ученых и изобретателей ООО Охта сегодня может предложить вам высококачественные услуги по металлообработке:

Основоположником систем с ЧПУ считается Джон Т. Парсонс, профессор Массачусетского технологического института. В конце 40-х годов он разработал оборудование для кодирования управляющей программы на металлических перфокартах. Программа управляла приводами подач фрезерного станка (рис. 1).

Рис. 1. Первый станок с ЧПУ (MIT, 1948).

В 1948г. система была принята в эксплуатацию в военной авиапромышленности США, первый коммерческий вариант системы стал доступен покупателям в 1952 г. Дальнейшее развитие шло по пути модернизации аппаратной части (электронные лампы-транзисторы-интегральные микросхемы), повышения точности, добавления функциональности. Параллельно шло и развитие методов и языков программирования для оборудования с ЧПУ.

Начало массовой эксплуатации станков с ЧПУ относится к концу 50-х годов, и именно станки с ЧПУ можно отнести к самому крупному и перспективному достижению в средствах металлообработки ХХ века. Интенсивное развитие программного управления (ПУ) станками в последующие годы непосредственно связано с протеканием НТР во всех областях техники. Научно-технический прогресс, в свою очередь, сопровождается ускорением морального устаревания изделий, что привело к необходимости частой переналадки производства с одного вида изделия на другое. Так, уже во второй половине ХХ века доминирующим типом производства становится средне- и мелкосерийное, что обусловило потребность в автоматизации в металлообработке и, в свою очередь, развитие ПУ для станков. Характерной чертой являлось также сокращение сроков внедрения новых разработок в серийное производство.

Читайте также: