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.
В 1948 г. 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.
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.
В настоящее время станки с ЧПУ являются неотъемлемой частью современного производства. Достоинства станков с ЧПУ состоят в том, что они позволяют не только обрабатывать сложные детали, но и автоматизировать производство в целом. В настоящее время на предприятиях эксплуатируются станки, выпущенные в разные годы. Поэтому устройства числового программного управления (УЧПУ) различаются как по устройству, так и по возможностям программирования. При возможности морально устаревшие УЧПУ заменяют на более современные, в результате чего станки одной и той же модели могут иметь разные УЧПУ. Поэтому в каждом случае рассматриваются конкретный комплекс «УЧПУ – станок (оборудование)».
Одна из основных особенностей обработки заготовок на станках с ЧПУ – полуавтоматический цикл обработки (совокупность движений рабочих органов станка, который повторяется при обработке каждой заготовки). Станки с ЧПУ относятся к полуавтоматам, так как все движения цикла автоматизированы, а загрузка обычно ручная. Автоматизация загрузки (например, с помощью манипулятора) делает цикл автоматическим, и система полуавтомат – манипулятор превращается в комплекс с автоматическим циклом.
При обслуживании станка с ручным управлением рабочий-оператор принимает непосредственное участие в процессе обработки, перерабатывает поступающую информацию и вырабатывает команды управления станком. Чем выше квалификация оператора, тем более сложную работу он может выполнять.
Оператор постоянно контролирует ход процесса в соответствии с заданным алгоритмом обработки. Он знает, в каких случаях управляемый объект функционирует правильно, а в каких требуется вмешательство оператора. В последнем случае рабочий совершает те целенаправленные воздействия на технологическую систему, которые устраняют нежелательные последствия возмущающих внешних сил.
Автоматический цикл совершается без участия человека. Чтобы комплекс (станок — манипулятор) длительное время функционировал самостоятельно, его надёжность должна быть более высокой по сравнению с системами, которыми управляют вручную.
Все входные и выходные параметры технологической системы рассчитаны на определенное оптимальное значение, что обеспечивает её функционирование. Если какой-либо параметр выходит из заданных пределов, то работа системы нарушается. Поэтому одно из основных условий высокой эффективности обработки – стабильность обработки.
Под стабильностью понимается постоянство параметров технологической системы:
1. Свойств и размеров заготовки (материал, припуск, состояние поверхности и др.);
2. Свойств режущих инструментов (конструктивные параметры, материал, прочность, точность, геометрия и др.);
3. Режимы резания (V, S, t);
4. Параметры станка (точность, жёсткость, виброустойчивость и др.);
5. Стружкодробление и стружкоудаление.
Общепринятые нормы и представления, опыт обработки, полученный при обслуживании станков с ручным управлением, нельзя механически переносить на станки с ЧПУ, а нужно корректировать применительно к новым условиям обработки. Когда появилась новая система управления, то первоначально ею оснащались обычные серийные модели станков. Этот опыт не дал требуемого результата. Потребовалось изменение конструктивных параметров станков и их приводов, увеличилась жёсткость станков, появились инструментальные магазины, наклонные направляющие для токарных станков и т.д. Попытки использовать на станках с ЧПУ обычные инструменты также оказались неудачными, т.к. потребовались специальный инструмент и оснастка. При этом предъявляются специальные требования к выбору деталей и заготовок.
Функционирование автоматов и полуавтоматов во многом определяется качеством программного обеспечения. Если программное обеспечение правильно учитывает все особенности самого автомата и детали, то обработка будет эффективной. На станках с ЧПУ по сравнению с обычными станками качество обработки в меньшей степени зависит от квалификации и опыта рабочего, а в большей степени – от качества автомата (технологической системы) и добротности программного продукта.
