Под присмотром человека
Разработан станок, повышающий эффективность производства электронных приборов
В Санкт-Петербургском федеральном исследовательском центре РАН (СПб ФИЦ РАН) создали специализированный ЧПУ-станок для полностью автоматического производства несущих деталей приборных корпусов. Разработка позволяет значительно повысить производительность труда при серийном изготовлении приборных корпусов, повысить безопасность оператора и сократить негативное влияние человеческого фактора на скорость и качество механической работы.
Фото: Предоставлено пресс-службой СПб ФИЦ РАН
Фото: Предоставлено пресс-службой СПб ФИЦ РАН
Одной из важных составляющих при проектировании и дальнейшем серийном производстве приборов является корпус. Чаще всего для приборов небольших и средних серий в качестве корпуса выбирается готовое серийное корпусное решение, подходящее по размерам и другим характеристикам, для которого ведется проектирование внутренних узлов. В последние годы доступность многих готовых серийных корпусов зарубежного производства значительно сократилась, в результате чего проектирование новых приборов стало наталкиваться на определенные трудности.
В качестве решения проблемы недостатка серийных корпусов сотрудниками СПб ФИЦ РАН была предложена схема сборки корпуса из отдельных стенок, которые навешиваются на специальные несущие бруски квадратного сечения, имеющие крепежные отверстия с резьбой. При такой конструкции стенки прибора могут изготавливаться из дешевого отечественного сырья, размеры корпуса можно выбирать произвольно, а не ориентироваться на ограниченную линейку размеров серийных корпусов. Плоские панели легко обрабатывать на бюджетных фрезерных станках с ЧПУ с низким порталом, а также удобно наносить на них маркировку методом цветной струйной УФ-печати. Применение крепежных брусков позволяет существенно упростить конструкцию приборных корпусов.
Однако универсальные фрезерные ЧПУ-станки не подходят для изготовления самих крепежных брусков. Так как брусок нужно сверлить с двух сторон, для универсальных станков требуются специальная оснастка, позиционирование, ручное закрепление и нарезка заготовок определенной длины. Все эти подготовительные операции отнимают много времени, снижают технологичность и в конечном итоге производительность труда. Отсюда возникла задача создания ЧПУ-станка, позволяющего создавать крепежные бруски в полностью автоматическом режиме.
Для решения этой задачи ученые СПб ФИЦ РАН разработали специализированный ЧПУ-станок, который автоматически производит все операции по изготовлению брусков: торцевание, подачу, сверление, нарезание резьбы, поворот на 90 градусов, отрезание в необходимый размер.
В качестве материала для брусков разработанный станок использует стандартные прутки квадратного сечения шириной от 6 до 12 мм и длиной до 6 м. Пруток при обработке надежно удерживается с помощью системы пневматических захватов, которые позволяют продольно смещать его и поворачивать вокруг своей оси с сохранением привязки к единой системе координат. Для обеспечения производственного цикла контроллер использует пять программируемых осей. Точный отрез брусков нужной длины производится по шестой вспомогательной оси циркулярной пилой.
Станок использует контроллер управления, который легко интегрируется в любую систему: программа может быть выполнена с USB-Flash-накопителя автономно либо загружена с сервера в локальной сети. Разработанное СПб ФИЦ РАН программное обеспечение в виде веб-сервиса в сети Интернет, которое позволяет пользователю быстро задать все основные параметры брусков (количество, длина, размер, расположение отверстий и резьбы), сформировать и скачать программу в формате G-кода и запустить станок. Производство серии деталей будет выполнено автоматически без участия человека.
Ученые также разработали новые типы приборных корпусов, которые оптимизированы под применение крепежных брусков. Корпуса эстетичны, просты в изготовлении, сборке и обслуживании, изготавливаются из доступного отечественного сырья на самом бюджетном оборудовании. В этом их основное преимущество.
Разработка электронного оборудования и программного обеспечения в интересах импортозамещения ведущих отраслей экономики является одним из приоритетных направлений работы ученых СПб ФИЦ РАН. Так, ранее сотрудниками СПб ФИЦ РАН разработан процессорный модуль стандарта SMARC для автоматизации промышленного оборудования.
Владимир Дашевский, руководитель отдела прототипирования робототехнических и встраиваемых систем СПб ФИЦ РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Что такое станки с ЧПУ?
— Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) — это станки, в которых управление движением заготовки детали и инструмента осуществляется с помощью автоматического устройства. За время эволюции станков с ЧПУ сменилось несколько поколений систем управления, на сегодня активно применяются системы четвертого и пятого поколений. Примерно начиная с третьего поколения, основой системы управления является ЭВМ (компьютер).
— Каков принцип работы систем ЧПУ?
— Если коротко, то принцип работы заключается в том, что рукоятки обычного станка крутятся не руками человека, а с помощью электро- и пневмоприводов, управляемых с компьютера. Компьютер выдает управляющие сигналы на приводы, считывая команды из программы, примерно так же, как музыкант считывает ноты и нажимает клавиши пианино. Программы для блока управления ЧПУ составляются с помощью специального программного обеспечения и потом загружаются в исполнительное устройство. Для этих программ разработан специальный международный стандарт.
— Эти станки универсальны или заточены каждый конкретно под свою задачу?
— Есть станки с ЧПУ универсального применения, а бывают специальные, которые заточены под определенный вид работ. Все зависит от объемов производства и стоимости разработки специализированного станка. Универсальные станки позволяют выполнять широкий спектр работ при наличии специальной оснастки. Также они могут требовать большего количества подготовительных ручных операций, что увеличивает время простоя станка между запусками.
— Какая программа нужна для ЧПУ-станка? На каком языке пишут эти программы?
— Обычно под программой для станка понимается файл с текстом на языке G-код (международный стандарт ISO 6983-1:2009, ГОСТ 20999-83). Она формируется в средах технологической подготовки таких программ, так называемых CAM-программ (Computer Aided Manufacturing). Разные системы управления ЧПУ поддерживают различное множество команд G-кода в зависимости от назначения станка. Поэтому программы для разных станков одного типа могут существенно отличаться. Например, обработка по дуге окружности может записываться одной строкой, если блок ЧПУ это поддерживает, а может быть записана длинной последовательностью небольших шагов вдоль ломаной, с высокой точностью проходящей вдоль этой дуги.
— Можно ли с помощью программного обеспечения «научить» станок делать что-то другое?
— Можно, в этом и есть смысл ЧПУ. Но у любого станка есть особенности конструкции, не любое «другое» можно сделать. Например, размер рабочей зоны станка ограничивает размеры конечной детали.
— Что делает оператор станка? Можно ли при использовании станков с ЧПУ совсем обойтись без человека?
— Оператор станка делает примерно то же, что и раньше делал любой мастер, просто непосредственно обработку выполняет компьютер. А кроме нее есть уборка станка, заправка рабочих жидкостей в станок, установка оснастки под деталь, калибровка нуля системы координат, установка и калибровка инструмента и его раскладка по магазинам, выбор программы обработки, ручное обучение системы ЧПУ вспомогательным операциям и т. п. Полная автоматизация всех этих операций может привести к очень существенному удорожанию оборудования и не всегда окупается. Поэтому люди вынуждены присматривать за работой роботов.
— Как эта технология будет развиваться дальнейшем?
— Не существует какой-то одной однородной технологии, у разных станков есть разные аспекты и особенности. Общее правило состоит в том, что развитие идет в сторону повышения производительности и сокращения человеческого фактора в процессе производства. С этой точки зрения специализированные станки обеспечивают и то и другое, поскольку они изначально оптимизированы на работу с меньшим числом ручных операций. И задача состоит в том, чтобы научиться строить такие станки из стандартных кубиков, а также быстро учиться писать специализированные программы ЧПУ для них.
Визуализация ЧПУ-станка доступна по ссылке.