Файл: 1. 1 Актуальность исследования.pdf

1 Введение
1.1 Актуальность исследования
Анализ систем управления станками с числовым программным управлением (ЧПУ) является актуальной и важной темой для современного машиностроения и промышленности. С развитием технологий и ростом спроса на сложные и высокоточные изделия, автоматизация процессов становится ключевым фактором, определяющим конкурентоспособность предприятий.
Системы управления станками с ЧПУ обеспечивают оптимизацию производственных процессов, повышение точности и качества изделий, сокращение времени наладки и смены оборудования, а также снижение трудоемкости изготовления деталей. В связи с этим, исследование современных систем управления станками с ЧПУ, их преимуществ, недостатков и возможностей применения в различных отраслях промышленности, является неотъемлемым аспектом развития производства.
Более того, прогресс в области цифровых технологий, включая Интернет вещей (IoT), искусственный интеллект (AI) и машинное обучение, открывает новые горизонты для интеграции и развития систем управления станками с ЧПУ.
Разработка адаптивных и интеллектуальных систем управления, способных самостоятельно корректировать свою работу на основе обратной связи и анализа данных, становится важным направлением исследований в данной области.
Таким образом, актуальность исследования систем управления станками с
ЧПУ обусловлена необходимостью оптимизации производственных процессов, улучшения качества изделий и повышения эффективности промышленного производства в целом.
1.2 Цель и задачи исследования
Цель исследования: провести комплексный анализ современных систем управления станками с числовым программным управлением (ЧПУ) с целью

определения их особенностей, преимуществ, недостатков и потенциала применения в различных отраслях промышленности.
Для достижения поставленной цели предлагается решить следующие задачи:
1.
Изучить историю развития систем управления станками с ЧПУ, их основные принципы работы и классификацию.
2.
Провести обзор популярных производителей и моделей систем управления ЧПУ, выявить их основные технические характеристики и функциональные возможности.
3.
Оценить аппаратную и программную составляющую систем управления станками с ЧПУ, а также способы их программирования.
4.
Анализировать взаимодействие систем управления ЧПУ с приводами, датчиками и другими компонентами станков, а также оценить их скорость и точность обработки.
5.
Исследовать применение систем управления станками с ЧПУ в различных отраслях промышленности, таких как авиационная, автомобильная, судостроительная, медицинская и точное машиностроение.
6.
Сформулировать выводы и рекомендации по выбору и применению систем управления станками с ЧПУ на основе проведенного исследования.
1.3 Объект и предмет исследования
Объект исследования – системы управления станками с числовым программным управлением (ЧПУ).
Предмет исследования – анализ особенностей, преимуществ, недостатков и потенциала применения различных систем управления станками с ЧПУ в различных отраслях промышленности. В частности, изучение аппаратной и программной составляющих, способов программирования, взаимодействия с приводами и датчиками, скорости и точности обработки, а также тенденций и перспектив развития данных систем.

2 Обзор существующих систем управления станками с ЧПУ
2.1 Исторический обзор развития ЧПУ
Первые попытки автоматизации управления станками были предприняты в начале XX века. Однако, настоящий прорыв в разработке систем управления станками с ЧПУ произошел в 1940-х и 1950-х годах. В это время были разработаны первые станки с пульсовым управлением, основанным на использовании перфокарт и механических передач.
В 1952 году американский инженер Джон Парсонс (John T. Parsons) предложил концепцию числового управления, которая стала основой для развития современных систем ЧПУ. Вместе с Фрэнком Стюленом (Frank L.
Stulen) он создал первый станок с числовым программным управлением. Первые
ЧПУ-станки использовали аналоговые системы управления и механические устройства для считывания программ.
В 1960-х годах началось внедрение ЧПУ-станков на промышленных предприятиях. В это время были разработаны первые системы, использующие цифровые вычислительные машины для управления станками. В середине 1960- х годов появились первые станки с микропроцессорным управлением, что позволило значительно увеличить точность и скорость обработки.
В 1970-х годах произошло распространение персональных компьютеров, что способствовало развитию программного обеспечения для ЧПУ и упрощению процесса программирования станков. В это время был разработан язык программирования G-code, который стал стандартом для управления станками с
ЧПУ.
С 1980-х годов началось активное развитие систем управления ЧПУ с использованием графических интерфейсов и интеграции с системами автоматизированного проектирования (CAD) и технологической подготовки производства (CAM). Это позволило создавать более сложные и точные

программы обработки, а также сократить время и затраты на проектирование и подготовку производства.
В начале XXI века произошло расширение функциональных возможностей систем управления ЧПУ, включая адаптивное управление, предиктивное обслуживание и интеграцию с другими системами автоматизации производства.
В этот период станки с ЧПУ стали оснащаться сенсорами и датчиками, обеспечивающими контроль и коррекцию процесса обработки в реальном времени.
С развитием технологий Интернета вещей (IoT) и индустрии 4.0 станки с
ЧПУ стали включаться в сети предприятий, обмениваться данными и координировать свою работу с другими устройствами и системами. Это позволило создать более гибкие и эффективные производственные линии, способные быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям рынка.
В последние годы, с развитием искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения, системы управления ЧПУ становятся все более интеллектуальными и автономными. Такие системы способны самостоятельно определять наилучшие параметры обработки, корректировать свою работу в зависимости от состояния инструмента и заготовки, а также предсказывать возможные проблемы и сбои в работе оборудования.
Таким образом, за последние десятилетия системы управления станками с
ЧПУ прошли путь от простых механических устройств до интеллектуальных и автономных систем, способных работать в условиях Индустрии 4.0 и обеспечивать высокую производительность, точность и эффективность обработки. В будущем ожидается дальнейшее развитие систем управления ЧПУ в направлении интеграции с другими технологиями, такими как робототехника, дополненная и виртуальная реальность, а также применение принципов цифровых двойников и больших данных для оптимизации производственных процессов.

2.2 Основные принципы работы ЧПУ
Системы числового программного управления (ЧПУ) служат для автоматического управления рабочим процессом станков на основе заранее созданных программ. Основные принципы работы ЧПУ включают следующие этапы:
1.
Программирование: на этом этапе создается программа обработки, которая описывает последовательность операций, параметры и координаты перемещения инструмента относительно заготовки. Программа может быть создана вручную, используя специализированные языки программирования
(например, G-code), или автоматически с использованием систем автоматизированного проектирования (CAD) и технологической подготовки производства (CAM).
2.
Загрузка программы: программа обработки загружается в память
ЧПУ, где она будет использоваться для управления станком в процессе обработки.
3.
Инициализация и настройка: перед началом обработки выполняется инициализация и настройка системы ЧПУ, включая определение начального положения инструмента и заготовки, установку необходимых параметров и корректировку рабочего процесса (если это необходимо).
4.
Выполнение программы: система ЧПУ последовательно выполняет команды из программы обработки, контролируя перемещение инструмента, скорость подачи и вращения, а также другие параметры рабочего процесса.
5.
Отслеживание и коррекция: в процессе обработки система ЧПУ постоянно контролирует рабочий процесс с помощью датчиков и сенсоров, обеспечивая точность и стабильность обработки. В случае отклонений от заданных параметров система может автоматически корректировать свою работу.

6.
Завершение обработки и вывод результатов: после выполнения всех команд из программы обработки система ЧПУ останавливает станок и выдает информацию о результатах обработки, включая время выполнения, точность и возможные проблемы или сбои.
Основными преимуществами систем управления станками с ЧПУ являются высокая точность и повторяемость обработки, возможность создания сложных и многооперационных программ, уменьшение затрат на технологическую подготовку производства, а также сокращение времени наладки и переоборудования стан ков. Кроме того, системы ЧПУ позволяют уменьшить влияние человеческого фактора на качество обработки, снижая вероятность ошибок и дефектов, а также обеспечивают повышение производительности и экономичности производства.
С развитием технологий, системы управления станками с ЧПУ становятся все более интеллектуальными и автономными, обеспечивая адаптивное управление и предиктивное обслуживание. Такие системы способны самостоятельно определять оптимальные параметры обработки, корректировать свою работу в зависимости от состояния инструмента и заготовки, а также предсказывать возможные проблемы и сбои в работе оборудования.
В будущем, системы управления ЧПУ продолжат интегрироваться с другими технологиями производства, такими как робототехника, дополненная и виртуальная реальность, а также использовать принципы цифровых двойников и больших данных для оптимизации и контроля производственных процессов. Это позволит создать еще более гибкие и эффективные производственные системы, способные адаптироваться к быстро меняющимся требованиям рынка и обеспечивать высокое качество продукции.
2.3 Классификация систем ЧПУ
Системы числового программного управления
(ЧПУ) можно классифицировать по различным критериям, таким как структура управления,

уровень автоматизации, количество контролируемых осей, тип используемого оборудования и др. Вот некоторые основные классификации систем ЧПУ:
По структуре управления: а) Позиционные ЧПУ - контролируют перемещение инструмента относительно заготовки по заданным координатам. б) Контурные ЧПУ - обеспечивают непрерывное перемещение инструмента по заданным траекториям и контурам.
По уровню автоматизации: а) Полуавтоматические ЧПУ - требуют частичного участия оператора в управлении рабочим процессом. б) Автоматические ЧПУ - обеспечивают полностью автоматическое управление рабочим процессом без участия оператора.
По количеству контролируемых осей: а) 2-осевые ЧПУ - контролируют перемещение инструмента вдоль двух координатных осей (обычно X и Y). б) 3-осевые ЧПУ - контролируют перемещение инструмента вдоль трех координатных осей (X, Y и Z). в) Многоосевые ЧПУ - контролируют перемещение инструмента вдоль четырех и более координатных осей, обеспечивая большую гибкость и возможность выполнения сложных операций.
По типу используемого оборудования: а) ЧПУ для станков с режущим инструментом - фрезерные, токарные, сверлильные станки и т.д. б) ЧПУ для станков с эрозионной обработкой - проволочно-эрозионные, искровые станки и т.д. в) ЧПУ для станков с лазерной, плазменной или водоструйной обработкой. г) ЧПУ для станков с 3D-печатью и аддитивными технологиями.
По типу используемого программного обеспечения:

а) ЧПУ с проприетарным программным обеспечением - используют закрытые исходные коды, разработанные производителем оборудования. Это означает, что пользовательские настройки и модификации могут быть ограничены, и обновления программного обеспечения могут быть доступны только через официального производителя. б) ЧПУ с открытым исходным кодом - используют программное обеспечение с открытыми исходными кодами, которое может быть свободно модифицировано и адаптировано для конкретных потребностей пользователя.
Это предоставляет больше возможностей для кастомизации, разработки собственных решений и интеграции с другими системами и технологиями.
По принципу работы и архитектуре системы управления: а) Централизованные ЧПУ - все функции управления выполняются с помощью одного центрального блока управления. б) Распределенные ЧПУ - функции управления распределены между несколькими взаимодействующими блоками или модулями.
Классификация систем ЧПУ помогает определить подходящий тип управления для конкретного оборудования и производственных задач, а также учитывать различные аспекты работы системы, такие как уровень автоматизации, количество контролируемых осей, тип используемого оборудования и программного обеспечения. От выбора подходящей системы управления станками с ЧПУ зависят эффективность и качество обработки, а также возможности дальнейшего модернизирования и интеграции с другими системами автоматизации производства.
2.4 Обзор популярных производителей и моделей систем управления
ЧПУ

3 Технический анализ систем управления станками с ЧПУ
3.1 Аппаратная составляющая систем управления
3.2 Программное обеспечение для ЧПУ
3.3 Способы программирования ЧПУ
3.4 Взаимодействие системы управления с приводами и датчиками
3.5 Анализ скорости и точности обработки
4 Применение систем управления станками с ЧПУ в различных отраслях промышленности
4.1 Авиационная и космическая промышленность
4.2 Автомобильная промышленность

4.3 Судостроение
4.4 Медицинское оборудование
4.5 Точное машиностроение
5 Тенденции и перспективы развития систем управления станками с ЧПУ
5.1 Разработка адаптивных и интеллектуальных систем управления
5.2 Применение искусственного интеллекта и машинного обучения
5.3 Улучшение энергоэффективности и экологичности

6 Заключение
6.1 Выводы исследования
6.2 Рекомендации по выбору и применению систем управления станками с ЧПУ
6.3 Направления для дальнейших исследований
7 Список литературы