Как станки работают: Принцип работы станка с ЧПУ: конструкция, характеристика, ПУ

alexxlab | 08.01.1970 | 0 | Разное

Содержание

Принцип работы станка с ЧПУ: конструкция, характеристика, ПУ

Станок с ЧПУ – оборудование станочного типа с числовым программным управлением, предназначенное для высокоточной обработки деталей. Существует множество моделей аппаратов данного типа, но принцип работы станков с ЧПУ и практически идентичны. Устройства могут работать в автоматическом или полуавтоматическом режиме под контролем оператора агрегата.

Конструкция

Чтобы понять, как работать на станке с ЧПУ, необходимо предварительно разобраться в его конструкции. Отдельные модели фрезерных и токарных станков имеют незначительные отличия, но базовые элементы идентичны.

Стандартная конструкция агрегата включает наличие:

  • станины;
  • коробки подач;
  • передней шпиндельной бабки;
  • задней бабки;
  • стержневого механизма;
  • суппорта.

Станина представляет собой основу оборудования – к ней крепятся другие комплектующие. Коробка подач отвечает за передачу движений, которые осуществляет шпиндель. Передаваемые движения принимаются суппортом. Передняя шпиндельная бабка состоит из:

  • коробки скоростей;
  • шпинделя;
  • крепежных элементов для фиксации и вращения заготовки.

Задняя бабка предназначена для закрепления заготовки с противоположной стороны, когда выполняется обработка на станках с ЧПУ центральной части. В качестве стержневого механизма могут выступать различные инструменты, такие как развертка или сверло. Именно этот элемент отвечает за центральную обработку заготовки. Он неразрывно связан с задней бабкой. От суппорта зависит надежность фиксации режущего инструмента и траектории его движения.

Работая с современным оборудованием, следует знать и дополнительных комплектующих. Конструкция станков может быть дополнительно оснащена:

  • вакуумным столом;
  • улавливателем стружки;
  • системой охлаждения фрезы.

Также для удаленного контроля агрегатом иногда могут использовать переносной пульт. По этому принципу работают в основном в узкоспециализированном производстве.

Характеристика

Перед тем, как научиться работать на станке, нужно разобраться в его характеристиках. Отличительной чертой станков, имеющих числовое программное управление, является высокая скорость и точность обработки. В отличие от более старого оборудования подобного типа четырехкоординатные фрезерные станки с системой числового программного управления имеют более высокий показатель надежности и удобства в использовании.

Еще одним фактором, отличающим токарный станок по дереву с числовым программным управлением от его аналогов, заключается в повышенном показателе жесткости. Эта особенность обусловлена:

  • короткими кинематическими цепями;
  • сниженными потерями на трении;
  • минимальными зазорами между элементами конструкции;
  • низким количеством механических передач;
  • повышенным быстродействием.

Подвижные элементы устойчивы к износу, а теплопотери и механическое трение сведены к минимуму. Для конструкции характерно чередование в соединении между твердыми материалами и мягкими. Так, например, стальные детали могут соединяться с пластиковыми. Работа выполняется благодаря роликам, имеющим преднатяг. Вероятность получения повреждений такими элементами крайне мала.

Принцип работы станка с системой ЧПУ также зависит от отличий приборов. По характеристикам токарные станки отличаются:

  • диаметром обрабатываемой заготовки;
  • габаритам детали, которую возможно зафиксировать;
  • максимальным расстоянием между центрами станочного прибора.

Обработка токарным станком на высоких скоростях и быстрое нагревание не оказывают влияния на показатель трения.

Особенности работы

Принцип работы фрезерного станка основывается на взаимодействии всех комплектующих. Знание связи между рабочими элементами помогает разобраться, как работать на фрезерном станке.

Задняя бабка имеет специальное место, в которое устанавливается рабочий механизм. Затем при помощи направляющих она размещается рядом с заготовкой на расстоянии, необходимом для ее фрезерования. Между задней и передней бабкой находится суппорт. После включения фрезерного станка с ЧПУ с его помощью будут выполняться продольные движения по заготовке.

Фреза выбирается в зависимости от того, из какого материала состоит обрабатываемая деталь, и какой результат нужно получить. Например, дерево обычно не требует применения жестких фрез.

Некоторые резцовые головки способны разместить четыре резца. Четырехкоординатный станок используется повышения качества и скорости обработки. Фрезерный станок с ЧПУ работает от электродвигателя, конструкция которого включает плотные приводной ремень. Он обеспечивает крепление ступенчатого шкива с мотором.

Чтобы фрезерование на ЧПУ станке выполнялась на высоком уровне, необходимо периодически проверять, насколько хорошо натянут ремень.

Работа оператора

Станки работают под контролем оператора. Он отвечает за:

  • смену и закрепление заготовок;
  • установку фрезы нужного типа;
  • запуск управляющей программы;
  • включение станка;
  • контроль за работой оборудования.

Оператор долго учится прежде, чем приступить к выполнению своих обязанностей. Первый запуск выполняется в тестовом режиме, поскольку вероятность допустить ошибку имеется даже тогда, когда специалист научил оператора правильно. Учащемуся предоставляются точные знания, но даже на самом современном устройстве имеется погрешность. На основе тестового запуска определяется, необходимо ли вносить коррективы в работу четырехосного прибора.

Также проверяется, подходит ли фреза для дерева или другого материала, из которого изготовлена деталь, и соответствуют ли габариты детали допустимым значением станка. На этом принципе основывается процесс работы практически всех моделей четырехкоординатных станков.

Некоторые считают: «Если я пользуюсь станком, больше ничего знать не нужно». Но к работе рекомендуется приступать, научившись создавать управляющие программы.

Программирование

ЧПУ станок запускается автоматическом или полуавтоматическом режиме только при наличии числовых управляющих программ (УП). Она включает все действия и принципы, по которым будет работать четырехосной станочный прибор. При создании управляющей программы задаются:

  • количество переходов и проходов;
  • параметры обрабатываемой заготовки;
  • основные характеристики рабочего инструмента.

УП создается на компьютере при помощи специальных приложений для работы со станками. Учимся работать на программах:

  • AutoCAD;
  • T-FlexCAD;
  • SolidWorks.

На перечисленном программном обеспечении создаются трехмерные примеры, на основе которых изготовляются реальные детали. После этого указывается, какими работами будет реализовываться поставленная задача. Если Вы научитесь создавать управляющие программы, со станочным оборудованием будет работать легче.

Какая расшифровка у ЧПУ аббревиатуры и как работают станки на основе ЧПУ

Многие начинающие мастера по изготовлению мебели сталкиваются с необходимостью создания фасадов на основе плит МДФ. Причем требования к изделиям в условиях высокой конкуренции – достаточно высоки.

Изделия должны быть качественными, отвечать современным стандартам и трендам, кроме того, чтобы иметь стабильный поток клиентов, их заказы предприниматель должен выполнять как можно быстрее. Сделать работу качественно и быстро можно лишь при условии применения технологичных приспособлений для работы. В данном случае – это станки с ЧПУ. Что они представляют собой и как работают, мы и расскажем ниже.

Что означает данная аббревиатура?

Расшифровка этого понятия такая: Числовое Программное Управление. То есть, станок, работающий на числовом программном управлении, способен совершать те или иные действия, которые ему задаются при помощи специальной программы. Параметры работы станка задаются посредством цифр и математических формул, после этого он выполняет работу согласно указанным программой требованиям. Программа может задавать такие параметры, как:

  • мощность;
  • скорость работы;
  • ускорение;
  • вращение и многое другое.

Особенности станков с ЧПУ

Техника создания мебельных деталей на современном приборе данного типа включает в себя несколько этапов работы:

  • формируется модель будущей заготовки посредством специальных графических программ на компьютере, она может быть выполнена как в двухмерном, так и трехмерном виде;
  • с помощью специальной программы для оборудования с ЧПУ готовая модель отцифровывается в управляющую программу;
  • далее файл с управляющей программой вводят в память ЧПУ, и станок приступает к выполнению работы.

Все механические действия, которые выполняет оборудование, являются воплощением последовательности, которая прописана в управляющей программе.

Современные станки с ЧПУ являются сложными электромеханическими приборами и требуют квалифицированного применения. В основном работа станка осуществляется

посредством двух человек:

  • наладчика;
  • оператора станка с ЧПУ.

Наладчику вверяется более сложный массив работы, он выполняет действия по наладке и переналадке прибора, а оператор должен следить за рабочим процессом и осуществлять легкую наладку.

Действия наладчика и оператора станка с ЧПУ

Этапы работы наладчика выглядят следующим образом:

  • подбор режущего инструмента согласно карте, проверка его целостности и заточки;
  • подбор по карте наладки заданных размеров;
  • установка режущего инструмента и зажимного патрона, проверка надежности крепления заготовки;
  • установка переключателя в положение «От станка»;
  • проверка рабочей системы на холостом ходу;
  • введение перфоленты, которое проводится после проверки лентопротяжного механизма;
  • проверка правильности заданной программы для пульта и станка ЧПУ и системы световой сигнализации;
  • крепление заготовки в патрон и установка переключателя в режим «По программе»;
  • обработка первой заготовки;
  • измерение готовой детали, внесение поправок на специальные переключатели-корректоры;
  • обработка детали в режиме « По программе» второй раз;
  • осуществление замеров;
  • перевод переключателя режима в положение «Автомат».

На этом процесс наладки окончен и к работе приступает оператор станка ЧПУ. Он должен выполнить такие действия:

  • менять масла;
  • чистить рабочую зону;
  • смазывать патроны;
  • проверять станок на пневматику и гидравлику;
  • проверять точные параметры оборудования.

Перед тем как приступить к работе, оператор станка ЧПУ должен проверить его на работоспособность посредством специальной тестовой программы, также ему следует убедиться в том, что подана смазочная жидкость и в том, что в гидросистеме и ограничивающих упорах присутствует масло.

Помимо этого, он должен проверить, насколько надежно крепление всех приборов и инструментов, а также то, насколько мебельная заготовка соответствует заданному технологическому процессу станка. Далее следует провести замеры на предмет возможных отклонений от точности настройки нуля на приборе и других параметров.

И только после этих манипуляций можно включать сам станок ЧПУ:

  • заготовку устанавливают и закрепляют;
  • потом вводится программа работы;
  • в считывающее устройство заправляется перфолента и магнитная лента;
  • нажимаем «Пуск»;
  • после того как первая деталь обработана, производятся ее замеры на предмет соответствия с заданной ранее моделью.

Сферы применения станков с ЧПУ

Станки на основе ЧПУ применяются в разных отраслях по оказанию услуг и производстве:
  • для обработки древесины и плит из дерева;
  • для обработки пластика;
  • камней;
  • сложных изделий из металла, включая ювелирные изделия.

Приборы с ЧПУ имеют ряд таких функций, как:

  • фрезерование;
  • сверление;
  • гравировка;
  • распил;
  • лазерная резка.

Некоторые модели станков с ЧПУ имеют возможность совмещать одновременно разные виды обработки материалов, тогда их называют обрабатывающими центрами на основе ЧПУ.

Преимущества станков с ЧПУ

Применение на производстве станков и обрабатывающих центров на основе ЧПУ позволяет вовремя выполнить такие работы, которые бы без их использования были неосуществимыми. Например, при производстве таким способом мебельных фасадов из МДФ, можно выполнить сложные рельефные декоры, которые вручную сделать просто невозможно. Так, благодаря специальным графическим программам для проектирования можно воплотить самые смелые дизайнерские решения.

Кроме того, массовое производство фасадов МДФ с помощью широкоформатных станков с ЧПУ возможно без необходимости предварительно раскраивать плиты и позволяет делать полный цикл их обработки, это значительно экономит время и рабочую силу.

Цена оборудования на основе ЧПУ такова, что нужно перед его покупкой хорошо подумать, будет ли это экономически выгодно конкретно для ваших производственных мощностей. Если у вас есть стабильный поток клиентов, и они готовы платить за оригинальные дизайнерские решения, то можете смело вкладывать средства в такое оборудование.

Особенность станков на основе ЧПУ – это их надежность и возможность бесперебойной работы в течение многих лет. Но при работе с ними нужно соблюдать все правила безопасности, а также подбирать только квалифицированных операторов и наладчиков. Некачественная работа персонала может вывести прибор из строя раньше положенного срока.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Что это такое станок ЧПУ: как расшифровывается

25.03.2020

  1. Целесообразность применения
  2. Особенности станков с ЧПУ: что это такое, в чем проявляются
  3. Классификация станков с программным управлением: их характеристика и обозначения
  4. Основные параметры
  5. Принцип программирования
  6. Станки фрезерные с ЧПУ
  7. Как работает ЧПУ-станок токарного типа
  8. Устройство станка ЧПУ многоцелевого типа
  9. Что делают на станках с ЧПУ: сферы применения
  10. Преимущества
  11. Проблемы
  12. Действия наладчика и оператора

Выбирая оборудование для проведения фрезерных, токарных и других подобных работ, каждое предприятие стремится найти максимально надежную, производительную, удобную модель. Стремясь облегчить эти поиски, подробно рассмотрим, что такое ЧПУ-станок: как он устроен, по каким принципам программируется и функционирует, каких видов может быть и так далее. Максимум информации – чтобы вам было проще определиться и решить, вкладываться в такую технику или нет.

Сразу отметим: сегодня они востребованы, причем во всех основных отраслях. На них проводят металлообработку, вытачивая детали с особой точностью (даже если у заготовок сложная поверхность), изготавливают предметы мебели и деревянные панно, макеты, сувениры, игрушки из пластиков и многое другое. Активно используют их преимущества, в том числе и высокую производительность.

Отдельно скажем, как расшифровываются ЧПУ-станки: аббревиатура означает Числовое Программное Управление, то есть компьютеризированную систему, задающую условия нормального функционирования стола, суппорта, шпинделя в течение технологического процесса. Контроль осуществляется за счет специальных и своевременно поданных команд – кодов G и M-типа.

В результате 1 единица такого оборудования так же эффективна, как 5-6 обычных. Оператору остается только включить нужную схему, наладить ее и проследить за ее выполнением – ему необязательно быть квалифицированным токарем или фрезеровщиком.


Необходимо учитывать, что это сравнительно дорогостоящая техника. В условиях современного производства станок с числовым программным управлением выгодно покупать и эксплуатировать в следующих ситуациях:

  • Изготавливаемые детали используются в особенно ответственных случаях – запчасти для авиатехники и транспорта, элементы медицинских аппаратов, лопатки или валы турбин для ГЭС.
  • Выпускаемые заготовки отличаются сложностью поверхности, подразумевающей проведение целого ряда технологических операций в процессе механической обработки.
  • Планируется, что изделия будут выходить регулярными и крупносерийными партиями.
  • Актуально особо точное исполнение – в рамках одного из 6 первых квалитетов по допуску. Отклонения в этом случае устанавливает дискретный шаг привода, составляющий до 3 мкм.
  • Существует вероятность внесения незначительных конструктивных изменений по ходу изготовления детали – путем корректировки программы с операторского пульта.

Возможности такого оборудования довольно широки, сферы применения тоже, поэтому и классификация достаточно разнообразна. Но практически все модели, вне зависимости от конструкции, обладают следующими отличительными характеристиками:

  • Сравнительно мощный привод – может быть постоянного тока, с бесступенчатой регулировкой шпинделя, или переменного, трехфазный, с частотой вращения до 2000 об/мин, но обязательно от 20 до 40 кВт.
  • Независимая установка и коррекция каждой из двух координат, в результате чего рабочие органы способны перемещаться по самым сложным траекториям, зачастую даже невозможным для других методов контроля.
  • Повышенная жесткость конфигурации при прецизионной (или высокой) точности обработки заготовки.
  • Скорость установочных передвижений суппорта 4,8-10 об/мин, что минимизирует время холостого хода.
  • Широчайшие рамки регулировки подачи бесступенчатого привода – с изменением до 1200-10000 раз (с 1 до 1200 или даже до 10000 об/мин). Благодаря этому не проблема настроить оптимальный режим выпуска любой детали.
  • Развитые и многофункциональные инструментальные системы – от 12 органов.

Маркировка выпускаемых моделей осуществляется с помощью букв и цифр. Они и формируют артикул, который отражает назначение оборудования, степень его автоматизации, класс его точности. Разделение ведется по нескольким глобальным признакам – рассмотрим каждый из них подробнее.


Технологические группы

По характеру выполняемых операций (основных) могут быть:

  • фрезерные и сверлильно-расточные – сравнительно универсальные, также обеспечивающие зенкерование;
  • токарные – для создания резьбовых соединений и сверления, для патронных и центровых, а также сложных деталей;
  • зубообрабатывающие – для обеспечения необходимой геометрии шестеренок и подобных им элементов;
  • шлифовальные – для зачистки и выравнивания поверхностей;
  • многоцелевые – для комплексной обработки без перебазирования заготовки.

Каждой группе присваивается свой номер – обращайте внимание на первую цифру в артикуле станка ЧПУ, эта расшифровка помогает сразу сориентироваться.


Степень автоматизации

Все модели также подразделяют по следующим параметрам управляющей системы:

  • назначение – с позиционным, непрерывным, прямоугольным, смешанным методом контроля;
  • вариант привода – со ступенчатым, шаговым или регулируемым двигателем;
  • характер загрузки программного обеспечения – с установкой через диск, ленту (перфорированную или магнитную), flash-носитель;
  • количество одновременно управляемых координат и допустимые погрешности при их введении.

В артикуле степень автоматизированности указана в конце – как Ф с номером (или буквой). Разберемся, что означает ЧПУ-станок со следующей маркировкой после Ф:

1 – с цифровой индикацией и данными, набираемыми на клавиатуре – для одного перемещения за кадр;

2 – с позиционным (для сверлильно-расточных) или прямоугольным (для фрезерных или токарных) методом контроля;

3 – с непрерывным или контурным управлением, для обработки особенно сложных деталей;

4 – с многооперационным оперированием, сочетающим вышеперечисленные возможности;

Ц – циклическая, отличающаяся дешевизной и простотой алгоритма, но весьма удобная для серийного выпуска однотипных заготовок.

Помимо этого, в маркировке также есть индексы АСИ, то есть устройств АвтоСмены Инструмента:

  • Р – посредством поворота головки револьверного типа;
  • М – из «магазина» – специально предназначенного барабана.

В артикуле эти литеры стоят перед ФN.

Взглянем, что такое станок с ЧПУ с точки зрения производства. Его ключевые характеристики зависят от того, к какой технологической группе он относится:

  • для фрезерной это ширина поверхности рабочего стола;
  • для сверлильно-расточной – максимально возможные диаметры сверла и шпинделя;
  • для токарной – наибольшее из поддерживаемых сечение отверстия.

Любая модель рассматриваемого оборудования состоит из следующих функциональных узлов:

  • память – постоянная и оперативная;
  • шкаф, оснащенный операторским пультом;
  • дисплей, на котором показываются результаты;
  • контроллер – прибор, обрабатывающий введенные данные и отвечающий за функционирование приводов.

Все вместе они обеспечивают правильное выполнение команд, каждую из которых необходимо корректно составить. Сделать это можно одним из трех способов:

  1. Вручную – технолог вводит числовые комбинации и таким образом задает все координаты для перемещения инструментов. Не самый удобный вариант, ведь для его реализации даже у опытного специалиста, знающего, как работать на станке с ЧПУ, уйдет много времени и сил, а выпускать удастся лишь простейшие детали.
  2. С пульта оперативной системы – наладчик использует джойстик и сенсорный экран, в том числе и в диалоговом режиме (если оборудование довольно современное и у него есть эта опция). Уже более подходящий метод, также и потому, что команды можно протестировать и откорректировать.
  3. С помощью САМ и САПР – запись происходит в несколько этапов, проводится сравнительно большое количество операций, зато в результате можно придумать эффективный алгоритм выпуска даже самого сложного элемента, а в дальнейшем видоизменять его для производства других деталей.

Вот как настроить ЧПУ-станок в последнем случае:

  • Создать электронный чертеж заготовки в AutoCAD, Компасе, Solid или другом профильном графическом редакторе.
  • Преобразовать получившийся файл в подходящий формат (HPGL, DXF, Gerber, Exeilon) и загрузить его в САМ (в качестве наиболее используемых CorelDraw, SheetCam, MeshCam, Kcam). После данного импорта задать траектории движения инструментов, введя числа, выбрав варианты обработки, присвоив значения соответствующим органам машины. Проконтролировать правильность визуализации (происходит параллельно).
  • Сделать промежуточный Cl-файл, загрузить его в паспорт (постпроцессор), получить программу управления с G- и М- кодами.

Понятно, что создавать такое ПО сможет непростой токарь.

Очень популярны, предназначены не только для резки заготовок любой формы (и простой плоской, и сложной пространственной), но и для раскройки металлических листов, для выборки пазов, для загибания углов. Могут содержать до 300 инструментов в одном магазине. Также отличаются обширной классификацией.

По расположению шпинделя выделяют:

  • вертикальные – вал устанавливается перпендикулярно столу и позволяет проводить обработку с одной стороны детали;
  • горизонтальные – фиксация уже параллельная, что делает возможным многостороннее выполнение технических операций.

По конструкции модель бывает консольной и нет, с одним или несколькими деталями, с контролем по 2,3 и более координатам одновременно.

Теперь о том, что значит станок ЧПУ с точки зрения управления – по характеру команд фрезерный может быть:

  • позиционным – для сверлильных работ;
  • контурным – ориентированным на криволинейные поверхности сложной формы;
  • смешанным (комбинированным) – для комплексных задач.

Конструктивные особенности

Сравнительно мощные корпус и станина – за счет ребер жесткости, также обеспечивающих повышенные показатели прочности шпинделя. В комплектацию таких устройств входят точные винты и рельсы – для быстрого перемещения инструментов по горизонтали.

Все это обеспечивает одинаково хорошее качество выполнения технических операций как при попутном, так и при встречном направлении движения.

То, что можно сделать на ЧПУ станке, зависит от конкретной его модели, а их в номенклатуре фрезерной группы сразу несколько сотен. Есть габаритные варианты, длина рабочего стола которых превышает 10 м. Или наоборот – миниатюрные, предназначенные для мелкосерийного производства и частных мастерских, выпускающих типовые заготовки из металла и пластика, дерева и других материалов. Обычно они маломощные (до 750 Вт), но все равно сравнительно надежные, оснащенные сервоприводом, поворотные во всех угловых направлениях, регулируемые по высоте. Естественно, в их базовую комплектацию также входит ПО для контроля, которое можно загрузить, подключив оборудование к персональному компьютеру.

Его основной орган – резец со сменными пластинами, зафиксированный в держателе, который может быть кассетным и совершенно точно является важной частью суппорт-узла, вместе с поворотной плитой и салазками. Деталь крепится в патроне, который расположен на вращающемся валу, приводные механизмы заставляют перемещаться инструменты (до 12 сразу), со скоростью вспомогательного хода выше, чем основного.


Классификация по характеру выполняемых задач

  • центровые – для точения фасонных поверхностей, цилиндрических и конических заготовок;
  • патронные – для зенкерования, создания резьбы, обтачивания под фланцы, диски, шестерни и втулки, как внешних, так и внутренних плоскостей;
  • универсальные – эти виды станков с ЧПУ могут выполнять все технологические операции, актуальные для двух предыдущих типов;
  • карусельные – для крупногабаритных и неправильных по своей форме элементов; бывают одностоечными (рассчитаны на диаметры до 2 м) и двухстоечными (для сечений до 15 м).

Конструктивные характеристики

Их компоновка обычно либо вертикальная, либо с крутым наклоном, благодаря чему из функциональной зоны проще удалить стружку. Сравнительно компактны, к ним не проблема подключить почти любое автозагрузочное устройство.


Несущие конструкции отличаются повышенной жесткостью, достижимой утолщением металла и введением дополнительных ребер. Оснащены сменными магазинами для инструментов и/или револьверными головками, устанавливаемыми на позицию держателя.

Это настоящие центры, выполняющие комплексную обработку заготовки (без перебазирования) и оборудованные комбинированными системами ПО. Они предназначены для нарезки фасок и резьбы, зенкерования, расточки, раскроя, фрезерования. Подходят для действий как с плоскими поверхностями, так и со сложными криволинейными формами.

Конструктивные особенности

Зачастую укомплектованные сменными магазинами, делающими доступной предварительную настройку инструментов. Обычно обладают поворотными столами, нужными для перемещения детали, а также переналаживаемыми вспомогательными устройствами-спутниками.

Принцип работы станков с ЧПУ многоцелевого типа базируется на универсальности операций, которая возможна благодаря высокомоментному, но малоинерционному двигателю с хорошим быстродействием. Даже на небольших частотах он развивает крутящий момент до серьезных величин, что позволяет обеспечить производительность труда.


По вариантам компоновки могут быть:

  • вертикальные – с головкой шпинделя, способной двигаться вдоль обеих осей; на них техпроцессы можно проводить с 2-5 сторон;
  • горизонтальные – для элементов больших габаритов, закрепленных на столе; действуют только в одной плоскости (если отсутствуют дополнительные поворотные приспособления).

Такое оборудование востребовано в следующих случаях:

  • производство плит и других плоских элементов из дерева, например, корпусной мебели;
  • выпуск пластиковых деталей всевозможных форм, включая криволинейные;
  • шлифовка камней и подобных им твердых материалов природного происхождения;
  • изготовление сложных металлических изделий, в том числе и ювелирных.

Все вышеперечисленные цели решаются путем операций резки, фрезерования, распила, гравировки, сверления.

Эксплуатация столь точного механизма позволяет быстро решать ранее неосуществимые задачи: наносить рельефные декоры, которые невозможно выполнить вручную. За счет компьютеризации и автоматизации оно дает возможность избежать ошибок, вызванных человеческим фактором. Если знать, как пользоваться ЧПУ-станками, риск возникновения брака стремится к нулю.

Для большинства заготовок это техника «полного цикла», которая минимизирует затраты на производство. Она также отличается надежностью (может бесперебойно функционировать в течение лет), гибкостью настройки, широтой опций.

Минусы – в нюансах постпроцессирования: даже несмотря на то, что G- и М- коды универсальны, каждый программист компонует их по-своему. Поэтому возможны нестыковки при запуске ПО, которые требуется отдельно отлаживать.

Зачастую сложна ситуация с кадрами. Молодые и начинающие специалисты прекрасно понимают, как работает станок с ЧПУ, но им неизвестны практические свойства дерева или металла. Опытные слесари, фрезеровщики и токари, наоборот, «на ты» с материалами, но почти не знают компьютера.

Первый должен:

  • подобрать инструмент по карте, проверить его целостность и остроту;
  • определить нужные размеры;
  • зафиксировать рабочий орган и зажимной патрон, убедиться в надежности крепления;
  • установить переключатель в позицию «от»;
  • выполнить проверку на холостом ходу;
  • убедиться в нормальном состоянии лентопротяжного механизма и ввести перфоленту;
  • закрепить деталь, включить режим «по программе»;
  • обработать первый элемент, измерить его геометрию, внести корректировки;
  • повторить техпроцесс, сравнить габариты;
  • переключить машину в позицию «автомат».

Здесь действия наладчика закончены, в дело вступает оператор, который обязан своевременно:

  • менять смазочные материалы и намасливать патроны;
  • очищать зону проведения операций;
  • проверять гидравлику, пневматику, точность заданных показателей.

Также ему необходимо запустить тестовое ПО, а после убедиться в надежности всех креплений и отсутствии отклонений. Если все в порядке, можно:

  • фиксировать заготовку;
  • вводить программу;
  • заправлять перфоленту;
  • нажимать «Пуск»;
  • замерять деталь, сравнивая с образцом.

На специальных курсах подробно расскажут и покажут, как научиться работать на станке с ЧПУ. На такую профильную подготовку просто необходимо отправить своих сотрудников, если вы хотите установить столь производительное оборудование на своем предприятии и эффективно использовать его преимущества.


Как работает 5 осевой фрезерный станок с чпу. Устройство станка с чпу 5 осей.

Содержание:


  1. Что такое 5-осевая обработка на станке с ЧПУ?
  2. Оси чпу станка в 5 координатной системе?
  3. А что же насчет двух других осей?
  4. Конфигурации 5 осевых станков
  5. Сколько же осей обработки вам нужно?
  6. Так сколько осей вам нужно?
  7. Зачем использовать 5-осевую обработку?
  8. 5 осей против 3 + 2 оси станка
  9. Сравним технологию 5-осевой обработки и 3D-печати
  10. Как получить максимальную эффективность при 5 осевой обработки
  11. Важность 5-осевого управления и программного обеспечения
  12. Предотвращение аварий в 5-осевой обработке
  13. Проверка инструмента на 5-осевом станке
  14. 5-осевая обработка: Соответствует ли принципу «сделать за 1 раз»?
  15. Техника обработки при 5-осевом фрезеровании

Всем привет, Друзья! С Вами 3DTool!


Это может прозвучать странно, но если бы художник эпохи Возрождения мог обменять свой молоток и зубило на компьютерное числовое программное управление (ЧПУ) и подходящие станки, у нас были бы тысячи статуй Давида, вырезанные из множества различных материалов.

Независимо от того, лепите ли вы шедевр из мрамора или фрезеруете лопасти турбиона из титана, основной принцип один и тот же: начинаете с цельного куска материала и удаляете ненужные части, пока не останется целевой объект. Конечно, этапы этого процесса намного сложнее, особенно для 5-осевой обработки на ЧПУ.

 

Что такое 5-осевая обработка на станке с ЧПУ?

Говоря простыми словами, 5-осевая обработка - это использование ЧПУ для перемещения детали или режущего инструмента по пяти различным осям одновременно. Такая обработка позволяет изготавливать очень сложные детали, и именно поэтому она особенно популярна, например, в аэрокосмической отрасли или машиностроении.

Однако, несколько факторов способствовали широкому применению 5-осевой обработке больше всего. Среди них:

  1. Максимальная приближенность к принципу – одна обработка за одну установку (иногда называемой «сделано за один раз»), что сокращает время выполнения и повышает эффективность.

  2. Удобство доступа к сложным частям геометрии изделия и возможность избежать столкновения с держателем инструмента благодаря возможности наклонять режущий инструмент или стол.

  3. Оптимизация и улучшение срока службы инструмента станка и времени цикла обработки. Это достигается путем наклона инструмента / стола, в результате чего поддерживается оптимальное положение и траектория резки .

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 5 осей

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 4 оси

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 3 оси

Оси чпу станка в 5 координатной системе?

Мы все знаем историю о Ньютоне и яблоке, но есть аналогичная апокрифическая история о математике и философе Рене Декарте.


Декарт лежал в постели (как обычно делают математики и философы), когда заметил, как по его комнате летает муха. Он понял, что может описать положение мухи в трехмерном пространстве комнаты, используя всего три числа, представленные переменными X, Y и Z.

Это декартова система координат, и она используется уже больше трех столетий после смерти ученого. Таким образом, координаты X, Y и Z - это три из пяти осей в 5-осевой обработке.


А что же насчет двух других осей?

Представьте себе поближе муху Декарта в полете. Вместо того, чтобы описывать только её положение как точку в трехмерном пространстве, мы можем описать её ориентацию. Представьте себе, что муха крутиться во время движения так же, как крутится самолет во время крена. Данное вращение описывается четвертой осью A: поворотная ось (вращение вокруг оси X)

Продолжая сравнение с самолётом, тангаж (наклон) мухи описывается пятой осью, B: ось вращения вокруг Y.

Проницательные читатели, без сомнения, сделают вывод о существовании шестой оси C, которая вращается вокруг оси Z. Это рыскание (поворот) мухи в нашем примере. 

Если вам сложно представить шесть осей, описанных выше, вот схема:



Оси A, B и C расположены в алфавитном порядке, чтобы соответствовать осям X, Y и Z. Хотя существуют 6-осевые станки с ЧПУ, конфигурации с 5- осью являются более распространенными, поскольку добавление шестой оси обычно дает не очень много дополнительных преимуществ.

Последнее замечание о соглашениях по маркировке осей: в вертикальном обрабатывающем станке оси X и Y находятся в горизонтальной плоскости, а ось Z - в вертикальной плоскости. В горизонтальном обрабатывающем станке оси Z и Y меняются местами. Смотрите схему ниже:



Конфигурации 5 осевых станков

 

Конфигурация 5-осевого станка определяет, какие две из трех осей вращения он использует. 

Например, машина c цапфой с вращающимся столом работает с осью A (вращается вокруг оси X) и с осью C (вращается вокруг оси Z), тогда как машина с инструментом на шарнире работает с осью B (вращается вокруг оси Y) и оси C (вращается вокруг оси Z).



Внутренний вид цапфы 5-осевого вертикального обрабатывающего центра.

 

Вращение осей в станках с цапфой обеспечивается посредством движения стола, тогда как в станках шарнирного вращения, дополнительные оси обеспечиваются поворотом шпинделя. Оба вида станков имеют свои уникальные преимущества. Например, станки с цапфой вмещают больший объем обрабатываемой детали, поскольку нет необходимости компенсировать пространство, занимаемое вращающимся шпинделем. С другой стороны, машины шарнирного вращения могут обрабатывать более тяжелые детали, поскольку стол всегда расположен горизонтально.

Видео о преимуществах станков с шарнирной головой:


Сколько же осей обработки вам нужно ?

Возможно, вы видели ссылки на обрабатывающие центры, предлагающие семь, девять или даже одиннадцать осей. Несмотря на то, что множество дополнительных осей могут показаться сложным, объяснение такой ошеломляющей геометрии на самом деле довольно просто.

«Когда вы имеете дело со станками, которые имеют, скажем, более одного вращающегося шпинделя, у вас уже есть больше осей», - объяснил Майк Финн, менеджер по разработке промышленных приложений в Mazak America.

«Например, у нас есть станки со вторыми шпинделями и нижними револьверными головками. На этих станках будет несколько осей: верхняя револьверная головка будет иметь 4 оси, а нижняя револьверная головка имеет 2 оси, а затем у вас есть противоположные шпиндели, которые также имеют 2 оси. Итого в таких станках может быть до 9 осей», - продолжил Финн.


 «Детали, которые вы делаете, по-прежнему 5-осевые», - добавляет Уэйд Андерсон, специалист по продажам продукции в Okuma America.

 

«Такой компонент, как аэрокосмический клапан, может быть сделан на нашем вертикальном центре MU-5000, который представляет собой 5-осевую машину. Или мы могли бы выполнить эту деталь на многоосном станке, который имеет вращающуюся ось B и два шпинделя для двух осей C, плюс X, Y и Z. Есть также более низкая револьверная головка, которая дает вам второй X и Z. Все эти модификации дают большее количество осей, но сама деталь имеет всю ту же пяти-осевую геометрию» - пояснил Андерсон.

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 5 осей

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 4 оси

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 3 оси

Так сколько осей вам нужно?

Как часто бывает в производстве, ответ на этот вопрос зависит от вашего конкретного случая. Финн привел следующий пример:

«Лопатка турбины - это поверхность свободной формы и может она быть довольно сложной. Наиболее эффективный способ выполнить обработку лопасти, подобной этой, - использовать 5-осевую обработку инструментом по спирали вокруг аэродинамического профиля лезвия. Конечно, можно использовать и 3х-осевую обработку, если вы выставите лопасть на определенную позицию, а затем используете три линейные оси для обработки поверхности, но обычно это не самый эффективный способ».

Андерсон соглашается: «Геометрия детали скажет вам, нужна ли вам конфигурация с 3, 4 или 5 осями».


5-осевой вертикальный обрабатывающий центр.

 

Однако важно помнить, что количество нужных вам осей зависит не только от детали. «Выбор конфигурации в основном диктуется самой деталью, но нужно не забывать и того, что хочет заказчик», - сказал Андерсон.

Заказчик может принести деталь, скажем, титановую аэрокосмическую скобу, и я могу сказать: «Это идеальная деталь для 5-осевого обрабатывающего станка », но они могут планировать в будущем делать детали, которые будут работать лучше на одном из MULTUS U. Эта многофункциональная машина не может быть оптимизирована так же, как 5-осевой обрабатывающий центр, но она может предоставить заказчику возможность выполнять множество видов других работ, что является частью их долгосрочного плана».

«Еще одна вещь, которую следует учитывать, - это размер рабочей зоны», - добавил Финн.

«Какой максимальный размер детали вы можете вставить в станок и при этом выполнять смену инструмента и смену деталей? В этом заключается понимание возможностей машины и того, что она сможет и не сможет сделать».

Зачем использовать 5-осевую обработку?

Попытка выбрать между 3-осевой обработкой и 5-осевой обработкой - это то же самое, что попытаться выбрать между гамбургером из Макдональдса или стейком BBQ на косточке; если цена - ваша единственная забота, тогда, очевидно, вы выбираете первый вариант.

Однако дилемма становится намного более сложной при сравнении 5-осевой и 3 + 2-осевой.

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 5 осей

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 4 оси

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 3 оси

5 осей против 3 + 2 оси станка

Важно различать 5-осевую обработку и 3 + 2-осевую обработку.

Первая - также называемая непрерывной или одновременной 5-осевой обработкой - включает в себя постоянную регулировку режущего инструмента по всем пяти осям, чтобы наконечник оставался оптимально перпендикулярным к детали.


Полная 5-осевая демонстрационная часть из алюминия. Время цикла: 13 минут.

 

Вторая – так же называемая 5-сторонней или позиционной 5-осевой обработкой – представляет собой выполнение 3-осевой программы с режущим инструментом, зафиксированным под углом, определяемым двумя осями вращения. Механическая работа, которая включает в себя переориентацию инструмента по осям вращения между вырезами, называется «5-осевой индексацией», хотя она по-прежнему считается 3 + 2.


Демонстрационная часть с 3 + 2 осями из алюминия. Время цикла: 7 минут.

 

Основным преимуществом непрерывной 5-осевой обработки по сравнению с 5-осевой индексацией является скорость, так как последняя требует остановки и запуска между переориентацией инструмента, тогда как 5-осевая не делает этого.

Однако всегда есть возможность получить одинаковые результаты при использовании непрерывной или индексированной 5-осевой оси.

Стоит также отметить, что преимущество в скорости ведет к увеличению движущихся частей, что означает повышенный износ, а также к большей потребности в обнаружении возможности столкновения деталей. Это одна из причин, по которой непрерывная 5-осевая обработка является более сложной с точки зрения программирования.

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 5 осей

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 4 оси

Каталог фрезерных станков с ЧПУ 3 оси

Сравним технологию 5-осевой обработки и 3D-печати

 

3D-печать или аддитивное производство - актуальная тема в мире производства сейчас, особенно в сравнении с технологиями выборки, такими как 5-осевая обработка.

Хотя иногда предполагается, что эти два метода конкурируют (поскольку фанаты 3D-печати утверждают, что данная технология скоро разрушит всю обрабатывающую промышленность), правильнее будет думать, что аддитивные и субстрактивные технологии производства дополняют друг друга.


Станок INTEGREX i-400AM от Mazak сочетает в себе аддитивное производство и 5-осевую обработку.

 

«Я не думаю, что аддитивное производство полностью захватит рынок, но я думаю, что теперь появилась возможность для разработки деталей, которые не могли быть созданы в прошлом», - сказал Финн.

«Конечно, есть и останутся детали, требующие обработки выборкой. Например, детали с очень жестким допуском на круглость».

«Можно напечатать почти полностью готовый элемент, но для достижения необходимого допуска этот элемент все же может потребоваться обработать на станке», - добавил Финн.

Означают ли это, что будущее производство будет представлять собой гибрид 3D - принтер / 5-осевой ЧПУ станок?

Андерсон не уверен в этом: «Реальное применение 3D-печати вне лабораторной среды заключается не в том, чтобы использовать машину комбинированного стиля, а, в том, чтобы, например, 3D-принтер с технологией SLS сделал то, что он делает лучше всего, и фрезерный станок сделал то, что делает лучше всего, работая над общим результатом посредством автоматизации».

Причина существования двух отдельных машин, в данном случае, сводится к управлению порошком и стружкой внутри машины.

«Количество порошка, которое вы пропускаете при лазерном спекании, например, на 13кг детали, может составлять 70–140 кг», - сказал Андерсон.

«Если это входит в машину, где все объединено, то не существует проверенного способа заново использовать весь этот порошок».

Другими словами, вопросы, касающиеся взаимосвязи 3D-печати с 5- осевой обработкой, чаще всего касаются сотрудничества технологий, нежели конкуренции. «Я думаю, что аддитивное производство может уменьшить количество черновой обработки, которая необходима», - заключил Финн.

Каталог 3D принтеров

Как получить максимальную эффективность при 5 осевой обработки.

Нередко 5-осевые возможности используются недостаточно.

«Некоторые могут иметь станок, но могут не понимать, что он из себя представляет в полном объеме. Либо у них может не быть программного обеспечения, необходимого для создания программы резки, которая бы использовала все возможности машины», - заметил Финн.

Андерсон соглашается: «Это душераздирающее зрелище для компании, подобной нашей. Когда мы видим компанию, которая идет ва-банк, получает оборудование, устанавливают его. По разным причинам они приобретают многофункциональный станок с 5 или более осями и используют его как 3-осевой станок. Это происходит постоянно».


Схема горизонтального обрабатывающего центра Okuma MU-10000H.

 

«Во многом это зависит от персонала», - добавил Андерсон. «Требуется обучение и понимание того, как использовать машину. Иногда трудно думать об обработке детали с верхним, нижним, главным шпинделем и вспомогательным шпинделем, и все в процессе, одновременно.»

«Есть много компаний, разрабатывающих программное обеспечение, которые намного лучше справляются с этим, но освоить его сложно», - заключил Андерсон.

Важность 5-осевого управления и программного обеспечения

Несмотря на то, что наличие оператора с нужным набором навыков является основным фактором, позволяющим максимизировать возможности 5-осевого станка, управление и программное обеспечение станка также важны.

«Когда вы выполняете высокоскоростную 5-осевую обработку, сервоприводы на станке и время отклика очень важны, чтобы избежать короткого замыкания или перерегулирования при обработке», - сказал Финн. «Контроллер в станке должен уметь обрабатывать данные достаточно быстро, чтобы траектория движения была четкой, плавной, равномерной. Нужно избегать резких движений, которые могут вызвать повреждения заготовки».


Mazak's MAZATROL SmoothX с ЧПУ.

«Аналогично, программное обеспечение, которое создает 5-осевые программы, должно быть способно создавать хороший плавный код, чтобы станок мог двигаться плавно», - заключил Финн.

Выбор правильного пакета CAD / CAM необходим для получения максимальной отдачи от вашего станка.

«Если вы, например, занимаетесь аэрокосмическими деталями, вы должны работать с программными пакетами высокого класса», - сказал Андерсон.

«Если вы просто делаете небольшие алюминиевые формы компонентов для литья под давлением в автомобильной компании, или все, что вы делаете, это сверлите пару отверстий в корпусе двигателя, это совсем другая история».

«Если, же вы режете детали, которые требуют системы CAM для создания программ резки, вы должны инвестировать в систему CAM, которая дополняет возможности станка», - добавил Финн.


Предотвращение аварий в 5-осевой обработке.

Когда дело доходит до создания 5-осевых траекторий, обычно существует дилемма между работой на более высоких скоростях и подачами и минимизацией риска столкновений. К счастью, сегодня на рынке есть ряд программных инструментов, которые могут помочь решить ее.

«С нашим программным обеспечением по предотвращению столкновений вы можете загрузить трехмерную модель детали и инструментов, и программа просчитает на каждое движение инструмента вероятность столкновения с чем-либо», - сказал Андерсон.

«При условии, что ваше устройство смоделировано правильно, система уловит столкновение до того, как оно произойдет».


Система предотвращения столкновений Okuma работает в режиме реального времени.

 

«Существует программное обеспечение, которое будет выполнять моделирование работы станка», - прокомментировал Финн.

«Так что это важно, особенно когда дело касается дорогих запасных частей. Вам не нужно столкновение, которое может привести к тому, что вы сломаете деталь, либо кто-то получит травму или повредит станок».

«Vericut предлагает программное обеспечение для виртуального 3D-мониторинга, которое будет делать то же самое, только на автономном компьютере», - добавил Андерсон. «Таким образом, вместо того, чтобы работать в режиме реального времени на элементах управления станка, вы запускаете свою программу обработки деталей через Vericut, и она проверит все траектории и убедится, что станок будет делать то, что, как вы думаете, он должен сделать».

Проверка инструмента на 5-осевом станке.

Высокая производительность является преимуществом 5-осевой обработки, но она также увеличивает риск ошибок, таких как использование сломанного или неправильного инструмента. Одним из способов минимизации этих ошибок является выбор системы проверки инструмента, например лазер BLUM, на DMG MORI DMU 50C:

  

5-осевая обработка: Соответствует ли принципу «сделать за 1 раз» ?

 

Понятие «сделано за раз» - конечная цель в производстве: вы загружаете кусок материала в станок, запускаете программу и снимаете полностью готовую деталь.

Как и возможность минимизировать время подготовки, задача принципа "сделано за раз" - имеет смысл, даже если в конкретном случае она практически не достижима.

При этом 5-осевая обработка приближает нас к цели «сделано за раз» больше, чем любой другой процесс; даже детали после 3D-печати требуют пост-обработки. В этом контексте основным ограничением 5-осевой обработки являются зажимные приспособления.

«Большая часть движений 5-осевой работы лежит вокруг зажимного механизма», - сказал Андерсон. «У меня может быть лучшая машина в мире, но если мое зажимное приспособление паршивое, я никогда не получу того, что задумывал».

По словам Финна, ключ к преодолению данного слабого места лежит в использовании станков с более чем пятью осями:

«Например, станок INTEGREX может быть оснащен противоположными поворотными шпинделями и нижней режущей револьверной головкой. Таким образом, детали можно разрезать на одном шпинделе, а затем перенести на противоположный шпиндель для обработки оставшейся части детали. Так что, по сути, вы можете загрузить кусок сырой заготовки, и в конце снять готовую деталь».

Техника обработки при  5-осевом фрезеровании

 

 

5-осевая обработка обеспечивает значительные преимущества, включая сокращение времени выполнения заказа, повышение эффективности и увеличение срока службы инструмента. Однако важно понимать, что для достижения этих преимуществ требуется нечто большее, чем просто покупка новейшего 5-осевого обрабатывающего центра.

Овладение искусством 5- осей требует учета множества факторов. На эту тему Андерсон сказал так:

«Когда вы смотрите на проблемы, с которыми сталкиваются клиенты, очень редко это касается обработки детали. Как правило, проблема, которая их тормозит, заключается не в создании идеи, а в чем-то другом. Это наличие, обучение и тренировка персонала, правильный подход операторов к машине или понимание до начала работы, что у них будет достаточно инструментов в запасе, чтобы закончить деталь, которую начали. Сторонние составляющие бизнеса тормозят больше, чем фактическое создание».

 

Что ж, а на этом у нас все! Надеемся эта статья была для Вас полезна!

Заказать 5-ти координатный фрезерный ЧПУ станок, 3D-принтер, или расходные материалы, задать свои вопросы и узнать статус Вашего заказа, вы можете 

Не забывайте подписываться на наш YouTube канал:

Подписывайтесь на наши группы в соц.сетях:

INSTAGRAM

ВКонтакте

Facebook


Что такое ЧПУ станок - системы ЧПУ на станках ⭐ АО КоСПАС

Содержание:

  1. Системы ЧПУ для станков: просто о сложном
  2. Немного истории
  3. NC - это не Norton Commander
  4. Классификация современных систем ЧПУ
  5. Его величество компьютер нуждается в программе
  6. «G»« и «M» коды в программах для станков с ЧПУ
  7. Методы создания и структура управляющих программ
  8. Системы ЧПУ всемирно признаннных лидеров отрасли

Системы ЧПУ для станков: просто о сложном

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.

О том, как избавиться от однообразной и монотонной работы, и поручить ее каким-либо «умным» механизмам, человечество задумалось давно. Задолго до появления кибернетики и электронно-вычислительных машин. Еще в начале XVIII века прообраз станка с ЧПУ создал изобретательный француз Жозеф Жаккар. Изготовленный им механизм ткацкого станка управлялся куском картона, в котором в нужных местах были сделаны отверстия. Чем не перфокарта с программой?

Немного истории

Однако современный этап истории станков с ЧПУ начался лишь спустя полтора столетия после изобретения Жаккара, в Соединенных Штатах Америки. После окончания второй мировой войны, в конце 40-х годов, Джон Пэрсонс - сын владельца компании Parsons Incorporated, попытался управлять станком при помощи специальной программы, которая вводилась с перфокарт. Какого-либо положительного результата Пэрсонс не достиг, поэтому обратился за помощью к специалистам в Массачусетский технологический институт.

Улучшать представленную их вниманию конструкцию сотрудники институтской лаборатории сервомеханики не стали, и про Пэрсонса быстро забыли. А про его идеи – нет. Создав собственную конструкцию, они инициировали покупку институтом компании, которая выпускала фрезерные станки. После чего руководство Массачусетского технологического института заключило контракт с Военно-воздушными силами США. В контракте шла речь о создании высокопроизводительных станков нового типа для обработки пропеллеров фрезерованием. 

Управление работой фрезерного станка, который собрали сотрудники лаборатории в 1952 году, производилось по программе, считываемой с перфоленты. Эта конструкция оказалась слишком сложной, и желаемый результат достигнут не был. Однако история получила огласку, сведения о новой разработке попали в печать и вызвали большой интерес конкурентов. Свои разработки в данном направлении одновременно начали несколько известных фирм.

Наибольшего успеха добились конструкторы компании BendixCorporation. Выпущенное компанией Bendix NC-устройство c 1955 года пошло в серию и уже реально применялось для управления работой фрезерных станков. Новинка приживалась трудно, но благодаря заинтересованности и финансовой помощи военного ведомства, за два года было выпущено более 120 станков ЧПУ, которые существенно повысили производительность труда и точность выполнения станочных работ.

Уже тогда были отмечены бесспорные преимущества NC-системы числового управления станками: существенный прирост производительности труда и значительно более  высокая точность обработки поверхностей. Но по-настоящему революционные изменения в области станков с ЧПУ состоялись, когда в качестве «умного» модуля, управляющего работой станков, были использованы специально разработанные микропроцессоры и микроконтроллеры. Технический термин «CNC», которым стали обозначать эти системы за рубежом, является аббревиатурой английских слов ComputerNumericalControl.

NC – это не Norton Commander

Изучая историю совершенствования «умных» ЧПУ станков, которые за рубежом когда-то обозначались аббревиатурой латинских букв «NC», студенты прошлых лет часто путали это понятие с популярной в те годы компьютерной программой-оболочкой. На самом деле сокращение NC произошло от английских слов NumericControl. Числовое управление было тогда весьма примитивным, и программа действий станка могла выглядеть как множество специальных штекеров, расположенных на контактном наборном поле.

Кстати, одна из первых советских транзисторных вычислительных машин для инженерных расчетов «Проминь», появившаяся в начале 60-х годов прошлого века,  программировалась подобным образом. В то время управляющий модуль ЧПУ станка не мог должным образом реагировать на отклонения процесса обработки от расчетного, если такая ситуация происходила. Управляющие адаптивные микропроцессорные системы  появились значительно позднее.

Со временем, по мере того, как совершенствовались электроника и вычислительная техника, в помощь новому поколению станков были приданы «думающие» управляющие модули на микропроцессорах и микроконтроллерах. Вот они-то и смогли обеспечить гибкое многовариантное управление процессом резания. И не только это. Такие системы получили более звучный титул «CNC», что по-английски звучит как ComputerNumericalControl.  Наш термин ЧПУ оказался более универсальным, и его менять не пришлось.

Классификация современных систем ЧПУ

Системы управления и станки с числовым программным обеспечением настолько сложны, что их невозможно классифицировать по какому-то одному признаку. Основные характеристики систем ЧПУ позволяют систематизировать их следующим образом:

1.В зависимости от способа управления исполнительными механизмами станка:

● Позиционные. Здесь инструмент в соответствии с программой ЧПУ движется от одной точки, в которой производится необходимая операция с заготовкой, к другой, где также выполняется обработка, Во время перемещения инструмента никакие другие операции не выполняются. 

● Контурные, в которых обработка может производиться по всей траектории движения инструмента.

● Универсальные – системы ЧПУ, в которых могут применяться оба принципа управления.

2.По возможностям и способу позиционирования:

● Абсолютный отсчет – местоположение подвижного механизма станка ЧПУ всегда определяется по расстоянию от начала координат.   

● Относительный отсчет при позиционировании осуществляется приращением дополнительного пути к координатам предыдущей точки, которая временно принимается за начало координат. Затем началом координат считается следующая достигнутая точка.  

3. По наличию или отсутствию обратной связи в контуре управления ЧПУ:

 ● Разомкнутые – («открытого» типа). Перемещение исполнительных элементов производится по командам, содержащимся в программе. Информация о фактически достигнутых координатах отсутствует.

● Замкнутого типа (закрытые). В системах ЧПУ этого типа координаты положения исполнительных механизмов постоянно контролируется.

● Самонастраивающиеся («закрытые» повышенной точности). Более совершенная система, которая запоминает поступающие сведения о расхождении заданных и фактических координат исполнительного элемента, отрабатывает их, и корректирует новые команды с учетом изменившихся условий.

4.Поколение. В зависимости от технического уровня используемых микропроцессоров, микроконтроллеров или управляющих ПК, различают системы ЧПУ 1-го, 2-го и 3-го поколения.

5. Количество координатных осей.  Различные станки, оборудованные ЧПУ, могут поддерживать режимы работы с различным количеством координатных осей – от двух до пяти. Например, если при движении заготовки на фрезерном станке (3 координаты – X,Y,Z), она одновременно может поворачиваться вокруг своей оси, такой станок называют 4-координатным.  Простейшие сверлильные и односуппортные токарные станки имеют две координатные оси.    

Его величество компьютер нуждается в программе

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.

Одной из самых важных характеристик, которая позволяет судить о производительности и технических возможностях станка и управляющей его работой системы, является количество «осей». Иначе говоря, - каналов взаимодействия с объектом, управляемых параметров.  Однако в любом случает, независимо от того, микропроцессор какого уровня сложности и архитектуры установлен в данном управляющем контроллере, для его работы нужна предварительно подготовленная программа. В которой должны быть точно и последовательно описаны все действия механизмов станка ЧПУ, необходимые для изготовления или обработки требуемой детали.

При работе станков с ЧПУ используется два вида программ:

● Системные (служебные) программы, которые хранятся в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве системы). Они обеспечивают начальный этап работы контроллера после включения, отвечают за настройку станка и всей системы ЧПУ, ее способность понимать команды оператора и взаимодействовать с внешними устройствами.    

● Управляющие – внешние программы. Содержат набор команд и инструкций для исполнительных органов станка. Управляющие программы (УП) в контроллер может пошагово вводить оператор, возможен ввод с внешних носителей информации, а в современных системах программы могут поступать прямо с компьютеров разработчиков ПО через компьютерную сеть предприятия.    

Заменив человека, который до наступления эры станков с ЧПУ сам успешно справлялся с изготовлением нужных деталей, программируемый блок управления, он же – контроллер, должен обеспечить требуемый результат, пошагово включая и выключая механизмы передвижения стола, заготовки и инструментального магазина, меняя режимы вращения или скорость поступательного движения заготовки. В результате выполнения программы должна быть получена деталь, полностью соответствующая заданию по размерам и чистоте обработки поверхностей.        

Компании, которые стояли у истоков разработки и производства систем CNC, на первом этапе программировали свои станки при помощи собственных, специально разработанных команд. Если бы при таком подходе на производство попали станки с ЧПУ от разных производителей, подготовка программ для их работы была бы трудно выполнимой задачей. Чтобы попытаться обеспечить программную и техническую совместимость оборудования различных брендов, язык создания программ для станков с ЧПУ был унифицирован.

Базовым управляющим кодом для подготовки программ стал набор команд, разработанный специалистами компании Electronic Industries Alliance в 60-е годы прошлого столетия. Это так называемый язык «G» и «M» кодов, который чаще называют просто G-кодом (G-code). Принятые в этом языке обозначения подготовительных и  основных функций начинаются с латинской буквы «G», а обозначение дополнительных – технологических команд – с буквы «M».

«G»« и «M» коды в программах для станков с ЧПУ

По стандарту все команды, код которых начинается с буквы «G», предназначены для линейного или кругового передвижения рабочих органов станка ЧПУ, выполнения определенных последовательностей действий, функций управления инструментами, сменой параметров координат и базовой плоскости. Синтаксис команды обычно состоит из наименования G-кода, координат или адресов перемещений (X, Y, Z) и заданной скорости движения рабочего органа, обозначаемой буквой «F».

В команду ЧПУ может быть включен параметр, описывающий продолжительность паузы, так называемую выдержку – «P», указание о параметрах вращения шпинделя – «S»,  значение радиуса – «R»,  функцию коррекции инструмента – «D», а также параметры дуги «I», «J» и «K».      

Например:     G01  X0  Y0  Z110  F180;       G02  X20  Y20  R5  F200;          G04  P1000.  

В первом примере код G01 обозначает «линейную интерполяцию» - прямолинейное перемещение с указанной скоростью (F) к заданной точке с координатами (X,Y,Z). Во втором примере указан код G02, который описывает дугообразное перемещение (круговая интерполяция). При этом код G02 соответствует перемещению в направлении вращения часовой стрелки, а его антипод G03 -  против. В третьем примере содержится код команды, описывающий время задержки в миллисекундах.       

Технологические команды, обозначаемые буквой «M», отвечают за включение или отключение определенных систем станка ЧПУ, смену инструмента, начало или окончание какой-либо специальной подпрограммы, другие вспомогательные действия.

Например:             M3  S2000;               M98  P101;               M4 S2000 M8.  

Здесь в первом примере указана команда о начале вращения шпинделя со скоростью «S». Во втором – распоряжение о вызове указанной подпрограммы «P». Третий пример описывает команду о включении основного охлаждения (M8) при вращении шпинделя со скоростью (S) в направлении против часовой стрелки (M4).

Методы создания и структура управляющих программ

Современное оборудование позволяет создавать программы для работы станков с ЧПУ несколькими способами:

● Написание программы вручную или в текстовом редакторе ПК. Необходимый этап в подготовке специалистов для работы на станках с ЧПУ. Подходит также как основной способ программирования на производствах, где в течение длительного времени выпускают несколько простых деталей, не прибегая к перестройке оборудования.  

● Составление и ввод программы на стойке ЧПУ. Пульт управления большинства современных систем управления содержит клавиатуру и дисплей, что позволяет программировать и просматривать виртуальную имитацию процесса обработки непосредственно на рабочем месте. Многие системы позволяют производить ввод программ в «фоновом» режиме, когда станок занят обработкой заданной детали. 

● Использование возможностей CAD-CAM систем компьютеризированной подготовки производства.  Специальное программное обеспечение позволяет создать трехмерную модель детали, рассчитать и подготовить программу для ее производства. А также виртуально «изготовить» требуемую деталь, используя реальные данные о кинематике конкретного станка ЧПУ. Этот метод позволяет создавать управляющие программы быстро и точно, практически исключить ошибки программирования и связанную с этим порчу заготовок. Особенно высока эффективность данного способа при создании УП для изготовления особо сложных деталей.

Структурно программа в G-кодах состоит из кадров. Так называют группы команд, которые предназначены для совершения какого-либо завершенного действия. Кадры могут состоять и из одной команды. Об окончании каждого «кадра» сообщает знак перевода строки (ПС/LF). Каждая программа начинается с пустого «кадра», который состоит их знака «%», а заканчивается кодами М02 или М30, обозначающими соответственно финиш программы ЧПУ или окончание имевшегося в памяти информационного блока.

Указанная структура и язык подготовки программ для оборудования с ЧПУ закреплены в международных стандартах RS2740, ISO-6983-1.82, а также ГОСТ СССР 20999-83. Отечественные профильные специалисты часто используют обозначение «ИСО-7 бит», которое закрепилось  за программами в G-кодах еще со времен СССР. Программисты компаний, которые разрабатывают и производят станки с ЧПУ, при подготовке программного обеспечения обязаны  придерживаться требований мировых стандартов.

В некоторых случаях, когда разработчики наделяют свои системы дополнительными возможностями и некоторыми специальными функциями, могут иметь место определенные отклонения программного обеспечения от стандарта создания программ в G и M кодах. В таких случаях следует внимательно изучить документацию, которая должна быть предоставлена производителем оборудования. 

Системы ЧПУ всемирно признанных лидеров отрасли

Программное обеспечение для цифровой управляющей системы SINUMERIK, которую выпускает всемирно известная корпорация SIEMENS AG, также базируется на G и M кодах, но содержит и некоторые дополнительные команды, не включенные в стандарт. Современные полностью цифровые системы ЧПУ на базе платформы Sinumerik 840D используются на самых сложных процессах металлообработки, требующих высокой точности и быстродействия.

 

Многовариантность и гибкость программирования в G и M кодах учтена создателями программных станций и передовых систем ЧПУ HEIDENHAIN. Эта немецкая компания успешно работает в направлении модернизации устаревших станков NC за счет установки новых управляющих систем. Универсальные программные станции от компании Heidenhaih позволяют не только создавать необходимые программы обработки на персональных компьютерах, но и тестировать ПО, подготовленное при помощи CAD-CAM систем.

 

Системы управления ЧПУ, которые производит японская компания FANUC, известны во всем мире и используются на многих предприятиях. Очень популярны стойки ЧПУ от FANUK LTD и в России. Специалисты этой корпорации одними из первых адаптировали работу своих систем под программы в G и M кодах, и сумели организовать работу самых сложных систем строго в рамках стандарта программирования.  Распространенные стойки FANUK серии 0i рассчитаны на работу с 6-8 управляемыми осями (одновременное управление – 4 оси). Стойки серий 30i-35i позволяют производить высокоточную обработку на наивысших скоростях, и являются пока недостижимым ориентиром для многих конкурентов.

Успешно работает в России и странах СНГ испанская компания FAGOR AUTOMATION. Ее последние разработки, к которым относится ЧПУ FAGOR CNC 8070, полностью совместимы с
персональным компьютером, имеют феноменальные возможности и могут управлять самыми сложными станками. Возможно управление по 28 (!) интерполируемым осям (4 канала одновременно),  может поддерживать по 4 шпинделя и инструментальных магазина. Создатели системы гарантируют скоростную обработку, нанометрическую точность и высочайшую чистоту обработки поверхности.  

Приятно отметить, что наряду с иностранными компаниями на рынке разработки и производства систем управления для станков с ЧПУ с 1998 года успешно работает российская компания «БАЛТ-СИСТЕМ». Специалисты считают, что при модернизации устаревшего оборудования выгоднее всего устанавливать системы от «Балт-Систем», так как они в несколько раз дешевле импортных, вполне надежны и функциональны. На российских предприятиях успешно работают и отлично себя зарекомендовали устройства ЧПУ NC-210, NC-220, NC-230. Самые сложные обрабатывающие центры и высокоскоростные  многосуппортные станки могут работать под управлением стойки NC-110, которая на сегодня является лучшей в соотношении цена-качество.

 

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, а при массовом производстве – невероятно низкой себестоимостью. Дальнейшее развитие систем ЧПУ идет по пути объединения отдельных станков в производственные комплексы, удешевления процесса подготовки производства и снижения стоимости управляющих систем. Пожелаем разработчикам успеха!  

 

Автор статьи: зам. генерального директора АО "КоСПАС" по производству  А.Ю. Парфенов

Как работать на лазерном станке с ЧПУ

Лазерный станок ЧПУ является универсальным высокотехнологичным оборудованием, которое работает с очень большим перечнем материалов и практически самостоятельно производит их раскрой, гравировку и еще некоторые операции.

Единственным инструментом, который использует в своей работе лазерно-гравировальный станок, является луч лазера, сфокусированный линзой в крохотную точку на поверхности материала

Особенности аппаратов лазерной резки

По мере совершенствования лазерных технологий и нахождения путей для упрощения станков, работающих по этому принципу, их стоимость снижается, причем на качестве работы оборудования это никак не сказывается. Еще десять лет назад производители лазерных станков могли только мечтать о лазерных резаках, теперь же его можно встретить даже частной домашней мастерской, не говоря уже о крупных промышленных предприятиях. Такая распространенность и популярность объясняется множеством преимуществ лазеров перед прочими станками, например:

  • очень высокая скорость перемещения луча (для резки предел составляет 500 мм/с, для гравировки он доходит до 700 мм/с) и, соответственно, более высокие производственные показатели;
  • точность позиционирования луча на плоскости настолько высока, что отклонения невозможно заметить невооруженным глазом. Погрешность не превышает 0, 01 мм, поэтому все серийные изделия, вырезанные на лазерном станке, совершенно идентичны;
  • ассортимент материалов, с которыми может работать лазерно-гравировальный аппарат, включает в себя все, используемые при производстве нужных людям товаров, от бумаги и меха до металлов и дерева;
  • лазерный луч является самым тонким режущим инструментом из существующих на текущий момент. При помощи фокусирующей линзы его можно сузить до диаметра 0,1-0,01 мм. При таких параметрах для него не составляет проблем аккуратно вырезать заготовки, расположенные встык, острые углы на миниатюрных элементах узоров или детально воспроизвести при гравировке мех животного;
  • принцип работы лазерного инструмента заключается в прожигании материала в точке воздействия и как таковое физическое усилие в этом процессе не присутствует, поэтому нет необходимости прижимать и удерживать заготовки во время раскроя и гравировки. Это исключает расходы на покупку различных крепежных зажимов и временные потери на их установку;
  • поверхность в зоне реза не подвергается никаким воздействиям, в том числе и термическим, несмотря на очень высокую температуру луча, поэтому брак в виде вздутий, царапин, трещин и т. д исключен;
  • минимальное количество отходов материала благодаря тому, что все заготовки можно размещать вплотную друг к другу.

Работа на станке с ЧПУ

Так как все лазерное оборудование функционирует при помощи электронных компонентов, команды которым отдает компьютерная программа, то и работа за такими станками начинается не у рабочего стола, а за компьютером. Независимо от того, какую операцию планируется выполнять (гравировку, резку, маркировку и т. д.), необходимо сначала создать модель заготовки или изделия в цифровом формате в каком-либо из графических редакторов, например, в CorelDraw. В нем, помимо, собственно, контуров, указывается также тип материала, с которым будет работать станок, и его толщина. Готовый чертеж сохраняется в одном из форматов, которые может читать станок.

Эскиз будущей вешалки из фанеры, создаваемый в CorelDraw

Прежде чем импортировать файл в систему станка, следует подготовить аппарат к работе: убедиться в чистоте оптики, разложить материал на поверхности стола, включить оборудование. Пока устройство прогревается, запустить программу управления станком, идущую в комплекте, и выгрузить в нее модель, сохраненную на компьютере.

Меню настройки у разных программ может различаться, но общим для всех станков будет предварительный выбор единицы измерения, точки входа, ширины реза, типа операции («вектор» для резки и «растр» для гравировки), мощности луча и скорости его перемещения. После этого необходимо проверить фокусировку и выставить высоту лазерной головки на нужном уровне.

Убедившись в корректной работе системы вентиляции и водоохлаждения можно нажимать кнопку запуска, после чего ждать окончания выполнения программного цикла.

Инструкция для начинающих операторов станков ЧПУ

Это и называется параметрическое моделирование.

Для знакомства с такими программами перейдите по ссылкам: Inventor SolidWorks OnShape Компас 3D Creo

 

Рокомендуеемые программы  (CAD системы): при выборе программы стоит думать не тоько о простоте но и перспективности и функцианальности. Проектировщикам без опыта  Я советуею рисовать 3D модели в веб приложении Tinkercad. Tinkercad работает в браузерах, которые поддерживают 3D функционал: Chrome, Firefox, Yandex.

Этап II - объяснить станку как обрабатывать заготовку для получения детали

После получения модели, вам необходимо объяснить станку как (с какой скоростью, каким инструментом а главное, по какой траектории) обрабатывать заготовку для получения запланированной детали. Все это называется технологический процесс. Для написания техпроцесса используются CAM системы ли как ее называют - программа для ЧПУ .

   Для написания техпроцесса Я рекомендую Вам использовать программу SprutCAM. Это полнофункциональная профессиональная CAM система от отечественного разработчика, незаменима при программирование станков с чпу для начинающих

Для небольших производств имеется специальное доступное предложение - SprutCAM Practik. Это программы для ЧПУ станков на русском  под управлением Mach4, NCStudio, LinuxCNC и аналогов. Установщик SprutCAM Practik можно скачать бесплатно.


  Задача - объяснить станку как обработать деталь

  Решение - написать техпроцес в CAM системе


 

В CAM  системе определяется траектория движения инструмента, далее эта информация переводится в специализированный язык G кодов (на рисунке), которые понимает сам станок с ЧПУ.  Для вывода траектории из CAM системы в G-код используют постпроцессор. Постпроцессор выводит команды в G кодах понятные именно вашему станку с чпу. В следующих материалах мы разберем данную тему очень подробно на видео.

К слову, в SprutCAM постпроцессоры под большенсвто станков уже написанны и идут в комплекте с программой SprutCAM, что серъезно облегчает работу по написанию процесса, особенно для новичков (например программа для управления чпу станком mach4)

 

 

Этап III - запуск обрабортки на станке

Промышленные станки поставляются в комплекте со специальным компьютером. На него устанавливают программу управления электромоторами станка и выполнения перемещений на основе G-кода из CAM-системы.


  Задача - получитьт деталь на станке

  Решение - запустить программу обработки на станке


Бюджетные станки подключают к персональному компьютеру. На компьютер устанавливается простая программа для ЧПУ станка - Mach4, LinuxCNC или другие программы. Однозначно лучшая программа для чпу станка та которая стояла на нем!

Для получения программы для ЧПУ станков перейдите по ссылкам: Mach4 LinuxCNC

 

 

 

 

Подведем итог

Небольшая шпаргалка в виде таблицы.

I Программа для написания чертежей

CAD

II Программа для написания техпроцессов

CAM

III Программа для станков

ЧПУ

Tinkercad

SprutCAM

SprutCAM Practik

Mach4

LinuxCNC

Дальше мы будет погружаться в более сложные и специфические темы. А пока можете установить предложенные выше программы и немного освойтесь. 

В следующей статье начнем вникать в режущий инструмент и материалы.

Если вы уже готовы начать изготовление деталей на своем станке, установите триальную версию SprutCAM Practik и проведите первые эксперименты.

Попробуйте сами бесплатно!

 

Андрей Харациди

Специалист службы технической поддержки

СПРУТ-Технология.

 

 

 

 

 

6 простых механизмов: облегчение работы

На протяжении всей истории люди разработали несколько устройств, облегчающих работу. Наиболее известные из них известны как «шесть простых механизмов»: колесо и ось, рычаг, наклонная плоскость, шкив, винт и клин, хотя последние три на самом деле являются просто продолжениями или комбинациями первых. три.

Поскольку работа определяется как сила, действующая на объект в направлении движения, машина облегчает выполнение работы, выполняя одну или несколько из следующих функций, согласно лаборатории Джефферсона:

  • передача силы из одного места в другое. другой,
  • изменяет направление силы,
  • увеличивает величину силы, или
  • увеличивает расстояние или скорость силы.

Простые машины - это устройства без движущихся частей или с очень небольшим количеством движущихся частей, которые облегчают работу. По данным Университета Колорадо в Боулдере, многие из современных сложных инструментов представляют собой просто комбинации или более сложные формы шести простых машин. Например, мы можем прикрепить длинную ручку к древку, чтобы сделать брашпиль, или использовать блок и снасть, чтобы подтянуть груз вверх по пандусу. Хотя эти машины могут показаться простыми, они продолжают предоставлять нам средства для выполнения многих вещей, которые мы никогда бы не смогли сделать без них.

Колесо и ось

Колесо считается одним из самых значительных изобретений в мировой истории. «До изобретения колеса в 3500 г. до н.э. люди были сильно ограничены в том, сколько вещей мы могли перевозить по суше и на какое расстояние», - написала Натали Вулховер в статье «10 лучших изобретений, изменивших мир». "Колесные тележки облегчили сельское хозяйство и торговлю, давая возможность перевозить товары на рынки и с рынков, а также облегчая бремя людей, путешествующих на большие расстояния.«

Колесо значительно снижает трение, возникающее при перемещении объекта по поверхности.» Если вы поместите картотечный шкаф на небольшую тележку с колесами, вы можете значительно уменьшить силу, необходимую для перемещения шкафа с постоянной скоростью. , "по данным Университета Теннесси.

В его книге" Древняя наука: предыстория-н.э. 500 »(Гарет Стивенс, 2010 г.) Чарли Сэмюэлс пишет:« В некоторых частях мира тяжелые предметы, такие как камни и лодки, перемещались с помощью бревенчатых катков.По мере того, как объект продвигался вперед, ролики снимались сзади и заменялись спереди ». Это был первый шаг в развитии колеса.

Однако большим нововведением была установка колеса на ось. Колесо могло быть прикреплен к оси, которая поддерживалась подшипником, или его можно было заставить свободно вращаться вокруг оси. Это привело к развитию повозок, повозок и колесниц. Согласно Самуэльсу, археологи использовали развитие колеса, которое вращается на оси. ось как показатель относительно развитой цивилизации.Самые ранние свидетельства существования колес на осях относятся к 3200 г. до н. Э. Шумеры. Китайцы самостоятельно изобрели колесо в 2800 году до нашей эры. [Связано: почему так долго изобреталось колесо]

Множители силы

Согласно Science Quest от Wiley, помимо уменьшения трения, колесо и ось могут также служить в качестве множителя силы. Если колесо прикреплено к оси и для поворота колеса используется сила, вращающая сила или крутящий момент на оси намного больше, чем сила, приложенная к ободу колеса.В качестве альтернативы, к оси можно прикрепить длинную ручку для достижения аналогичного эффекта.

Все остальные пять машин помогают людям увеличивать и / или перенаправлять силу, приложенную к объекту. В своей книге «Перемещение больших вещей» (Пора пора, 2009) Джанет Л. Колоднер и ее соавторы пишут: «Машины обеспечивают механическое преимущество, помогающее перемещать объекты. Механическое преимущество - это компромисс между силой и расстоянием. " В следующем обсуждении простых машин, которые увеличивают силу, прилагаемую к их входу, мы пренебрегаем силой трения, потому что в большинстве этих случаев сила трения очень мала по сравнению с задействованными входными и выходными силами.

Когда сила действует на расстоянии, она производит работу. Математически это выражается как W = F × D. Например, чтобы поднять объект, мы должны выполнить работу, чтобы преодолеть силу тяжести и переместить объект вверх. Чтобы поднять объект, который вдвое тяжелее, требуется в два раза больше работы, чтобы поднять его на такое же расстояние. Также требуется вдвое больше работы, чтобы поднять один и тот же объект вдвое дальше. Как показывает математика, главное преимущество машин состоит в том, что они позволяют нам выполнять такой же объем работы, прикладывая меньшее количество силы на большее расстояние.

Качели - это пример рычага. Это длинная балка, балансирующая на оси. (Изображение предоставлено: BestPhotoStudio Shutterstock)

Рычаг

«Дайте мне рычаг и место, чтобы встать, и я переверну мир». Это хвастливое заявление приписывается греческому философу, математику и изобретателю III века Архимеду. Хотя это может быть немного преувеличением, это действительно выражает силу рычагов, которые, по крайней мере, образно, движут миром.

Гений Архимеда заключался в том, чтобы понять, что для того, чтобы выполнить ту же работу, можно найти компромисс между силой и расстоянием, используя рычаг.Его Закон рычага гласит: «Величины находятся в равновесии на расстояниях, обратно пропорциональных их весам», согласно «Архимеду в 21 веке», виртуальной книге Криса Рорреса из Нью-Йоркского университета.

Рычаг состоит из длинной балки и точки опоры. Механическое преимущество рычага зависит от соотношения длин балки по обе стороны от точки опоры.

Например, мы хотим поднять 100 фунтов. (45 кг) вес 2 фута (61 см) от земли.Мы можем потянуть 100 фунтов. силы на вес в направлении вверх на расстояние 2 фута, и мы проделали 200 фунт-футов (271 Ньютон-метр) работы. Однако, если бы мы использовали рычаг длиной 30 футов (9 м) с одним концом под грузом и точкой опоры длиной 1 фут (30,5 см), расположенной под балкой на расстоянии 10 футов (3 м) от груза, у нас было бы только надавить на другой конец с 50 фунтами. (23 кг) силы для подъема груза. Однако нам придется опустить конец рычага на 4 фута (1,2 м), чтобы поднять груз на 2 фута.Мы пошли на компромисс, в котором мы удвоили расстояние, на которое нам нужно было переместить рычаг, но мы уменьшили необходимое усилие вдвое, чтобы проделать тот же объем работы.

Наклонная плоскость

Наклонная плоскость - это просто плоская поверхность, поднятая под углом, как пандус. По словам Боба Уильямса, профессора кафедры машиностроения Инженерно-технологического колледжа Русса Университета Огайо, наклонная плоскость - это способ поднять груз, который будет слишком тяжелым, чтобы поднять его прямо вверх.Угол (крутизна наклонной плоскости) определяет, какое усилие необходимо для подъема груза. Чем круче пандус, тем больше усилий требуется. Это означает, что если мы поднимем наши 100 фунтов. вес 2 фута, скатывая его по 4-футовой рампе, мы уменьшаем необходимое усилие вдвое и вдвое увеличиваем расстояние, на которое он должен перемещаться. Если бы мы использовали рампу высотой 8 футов (2,4 м), мы могли бы уменьшить необходимую силу до 25 фунтов. (11,3 кг).

Шкив

Если мы хотим поднять те же 100 фунтов. груз с веревкой, мы могли прикрепить шкив к балке над грузом.Это позволило бы нам тянуть вниз, а не вверх по веревке, но для этого все равно требуется 100 фунтов. силы. Однако, если бы мы использовали два шкива - один прикреплен к верхней балке, а другой - к грузу, - и мы должны были бы прикрепить один конец троса к балке, пропустить его через шкив на грузовике, а затем через шкив на балке, нам нужно будет только натянуть веревку с 50 фунтами. силы, чтобы поднять вес, хотя нам пришлось бы тянуть веревку на 4 фута, чтобы поднять вес на 2 фута.Опять же, мы обменяли увеличенное расстояние на уменьшение силы.

Если мы хотим использовать еще меньшую силу на еще большем расстоянии, мы можем использовать блок и захват. Согласно материалам курса Университета Южной Каролины, «блок и захват - это комбинация шкивов, которая снижает количество силы, необходимой для подъема чего-либо. Компромисс заключается в том, что для блока и захвата требуется более длинная веревка. переместить что-нибудь на такое же расстояние ".

Какими бы простыми ни были шкивы, они все еще находят применение в самых современных новых машинах.Например, Hangprinter, 3D-принтер, который может создавать объекты размером с мебель, использует систему проводов и управляемых компьютером шкивов, прикрепленных к стенам, полу и потолку.

Винт

«Винт - это, по сути, длинная наклонная плоскость, обернутая вокруг вала, поэтому его механическое преимущество можно оценить так же, как и наклон», - говорится на сайте HyperPhysics, созданном Государственным университетом Джорджии. Многие устройства используют винты для приложения силы, намного превышающей силу, используемую для поворота винта.К таким устройствам относятся настольные тиски и гайки на автомобильных колесах. Они получают механическое преимущество не только за счет самого винта, но также, во многих случаях, за счет использования длинной ручки, используемой для поворота винта.

Клин

По данным Института горного дела и технологий Нью-Мексико, «клинья перемещают наклонные плоскости, которые двигаются под нагрузкой для подъема или в груз для разделения или разделения». Более длинный и тонкий клин дает больше механических преимуществ, чем более короткий и широкий клин, но клин делает кое-что еще: основная функция клина - изменять направление входной силы.Например, если мы хотим расколоть бревно, мы можем с большой силой вогнать клин в конец бревна с помощью кувалды, и клин перенаправит эту силу наружу, в результате чего древесина расколется. Другой пример - дверной упор, в котором сила, используемая для толкания его под край двери, передается вниз, в результате чего возникает сила трения, которая сопротивляется скольжению по полу.

Дополнительный отчет Чарльза К. Чоя, участника Live Science

Дополнительные ресурсы

  • John H.Линхард, почетный профессор машиностроения и истории Хьюстонского университета, «еще раз взглянет на изобретение колеса».
  • Центр науки и промышленности в Колумбусе, штат Огайо, предлагает интерактивное объяснение простых машин.
  • HyperPhysics, веб-сайт, созданный Государственным университетом Джорджии, проиллюстрировал объяснения шести простых машин.

Найдите забавные занятия с использованием простых машин в Музее науки и промышленности в Чикаго.

Как работают машины: Zoo Break !, Дэвид Маколей

Рецензия на детскую книгу | 18 июня 2016 г.

Написано и проиллюстрировано Дэвидом Маколеем

Возрастной диапазон: 7-11

Твердая обложка: 32 страницы

Издательство: DK Children (2015)

ISBN: 978-1-4654-4012-9

Чего ожидать: Simple Machines, Science, Engineering, STEM, Zoo animals, Pop-Up, Lift-the-Flap, Interactive Book

Как работают машины: Zoo Break! берет потенциально сухую тему простых машин и превращает ее в интерактивное приключение.

Два животных (ленивец по имени Ленивец и сэнги, также известный как слоновая землеройка по имени - подождите - Сэнги) чувствуют себя скучными и скучными в своем вольере и решают покинуть зоопарк. Их побег стал возможным благодаря простым машинам. Ленивец и Сенги, хотя и различаются по размеру и уровню энергии, хорошо работают вместе, чтобы найти и умело использовать несколько простых машин для облегчения своего побега. К сожалению, их настойчивость не вознаграждается успехом; даже когда они, в конце концов, освобождаются из своей среды обитания, их быстро обнаруживает смотритель зоопарка и возвращает в их первоначальный дом, который «кажется им теперь намного меньше».Однако автор создает современный счастливый конец для Лени и Сенги, который позволяет им смотреть на мир как на знаменитостей.

Дэвид Маколей достигает почти невозможного в серии How Machines Work: Zoo Break !. Его презентация простых машин не только увлекательна и креативна, но также организована и логична, что является редкостью для вводной научной книги. Первые двенадцать глав книги знакомят читателя с шестью простыми механизмами: наклонными плоскостями, клиньями, рычагами, колесами и осями, шкивами и винтами.Каждая из этих двухстраничных глав предлагает существенную информацию о данной простой машине, не перегружая читателя. Забавные попытки побега и неудачи Лени и Сенги учат детей инженерному делу доступным и понятным способом. То, что Ленивец и Сенги терпят множество неудач, но никогда не сдаются, - еще одна причина, по которой родители и дети любят эту историю. Каждая страница How Machines Work: Zoo Break! красиво иллюстрирован яркими цветами и соответствующими деталями.Почти в каждой главе есть откидная створка или всплывающий элемент. В частности, в одной главе («Получение рычагов») есть очень интерактивная «катапульта», которая наверняка понравится любому любознательному ребенку. Книга заканчивается полезным глоссарием (родители особенно оценят ключ с ответами для компонентов сложной машины Сенги) и веселой заключительной главой.

В сегодняшнем мире, ориентированном на STEM, бывает сложно просмотреть все доступные книги STEM и найти идеальный вводный текст для детей.Родителям нужна книга, в которой найдется правильный баланс между фактами и развлечениями для начинающих изучать естественные науки. Как работают машины: Zoo Break! делает именно это. Настоятельно рекомендуется.

Доступен здесь:

О Дэвиде Маколе

Лауреат медали Калдекотта и сотрудник Макартура Дэвид Маколей проиллюстрировал и написал более 25 книг для детей. Его самые известные работы включают The Way Things Work и Cathedral .Его иллюстрации были представлены в популярных научно-популярных книгах, сочетающих текст и иллюстрации, объясняющие архитектуру, дизайн и инженерию.

Как работают машины: Zoo Break! , Дэвид Маколей, был рассмотрен Келли Смит. Откройте для себя больше книг, например « Как работают машины: зоопарк»! , следуя нашим обзорам и статьям с тегами David Macaulay, DK Children, Engineering Books, Lift-the-Flap Books, Pop Up Books, Science, STEM и Zoo Animals.

Пожалуйста, покажите нам немного любви ...

Как вы поддерживаете The Children's Book Review
Мы можем получать небольшую комиссию за покупки, сделанные по ссылкам на этой странице. Если вы обнаружите на этой странице интересующую вас книгу или продукт и воспользуетесь предоставленными ссылками для совершения покупки, вы поможете поддержать нашу миссию «Рост читателей». Ваша поддержка означает, что мы можем продолжать предоставлять качественный контент, доступный для всех.Спасибо!

Простая машинная задача | Национальное географическое общество

1. Представьте концепцию, согласно которой простые машины облегчают работу.

Скажите классу, что определение работы, используемое в науке, может отличаться от того, что большинство людей считает работой. Работа может быть определена как сила, умноженная на расстояние (работа = сила x расстояние). Попросите учащегося перенести книгу с одной парты на другую . Задайте вопрос: Соответствует ли эта работа научному определению? (Да, это работа.) Вы применяете силу на определенном расстоянии. Спросите: Делает домашнее задание по этому определению? (Нет, домашнее задание - это не работа.) Толкать книгу по столу - это работа, потому что вы прилагаете силу (толчок) к книге на определенном расстоянии (длине стола). Вы никуда не торопитесь.

Представьте, что вы хотите, чтобы такой же объем работы выполнялся с меньшими усилиями. В этом примере это означает, что вы по-прежнему хотите, чтобы книга перемещалась с одной стороны стола на другую, но вы не хотите давить так сильно.Если вы приложите вдвое меньшее усилие, чтобы толкнуть книгу, вам придется толкать книгу вдвое дальше, чтобы выполнить тот же объем работы. Или вы можете использовать простую машину, чтобы компенсировать разницу в прилагаемой вами силе. Объясните: люди часто используют простые машины, чтобы облегчить работу.

Познакомьте класс с названиями различных простых машин и покажите им изображение каждой из фотогалереи Simple Machines: рычаги, колесо и ось, шкивы, винты и наклонные плоскости.Скажите классу, что простые машины облегчают работу, увеличивая механическое преимущество. Скажите студентам, что примером механического преимущества является использование когтя молотка для удаления гвоздя. Небольшое усилие, приложенное к рукоятке молотка, создает большее усилие на конце молотка с когтями, что позволяет удалять упрямые гвозди.

Объясните: сложные машины, такие как роботы и автомобили, состоят из комбинации простых машин и других частей. Роботы - это сложные машины, состоящие из множества простых машин.Некоторыми примерами простых машин, которые используются в конструкции роботов, являются колеса и оси для мобильности, позволяющие роботам перемещаться с места на место, и руки роботов, которые являются рычагами, позволяют им манипулировать объектами.

Объясните: ученики собираются провести простые эксперименты с простыми машинами, а затем использовать эти простые машины для решения задач.

2. Продемонстрируйте, как работают рычаги.

Постройте рычаг, прикрепив маркер лентой параллельно краю стола.Оторвите кусок малярной ленты, сделайте петлю и прикрепите к концу линейки. Поместите линейку на маркер в центре, как качели, а затем плотно прижмите теннисный мяч к ленте. Пригласите студента-добровольца продемонстрировать рычаг; Сначала попросите учащегося осторожно поднять мяч, приложив силу к концу рычага (линейки), противоположному мячу. Во-вторых, попросите ученика переставить рычаг (линейку) так, чтобы мяч находился как можно ближе к точке опоры (маркеру). Попросите ученика снова нажать на рычаг, чтобы поднять мяч.Наконец, переместите рычаг (линейку) так, чтобы шарик находился как можно дальше от точки опоры (маркера), оставив при этом часть рычага (линейки) прижатой. Попросите ученика нажать на рычаг, чтобы снова поднять мяч. Фотография каждого положения рычага доступна в фотогалерее Simple Machines Demonstrations.

Обсудите, что видел класс и что наблюдал волонтер. Спросите: Какая конфигурация рычага позволила легче всего поднять мяч? С какой конфигурацией рычага было сложнее всего поднять мяч? Какая конфигурация рычага переместила мяч дальше всего от исходного положения? Как рычаг обеспечивает механическое преимущество при перемещении мяча?

3.Студенты выполняют задание, используя рычаги.

Представьте себе испытание рычагом. Объясните, что каждая группа будет пытаться переместить теннисный мяч со стола в центр рулона малярной ленты на разном расстоянии. Ознакомьте с правилами. Руки нельзя использовать для перемещения мяча к воротам, но можно использовать руки, чтобы положить мяч на рычаг и управлять рычагом. Ничто не может быть использовано для закрепления шара на рычаге. Маркер нельзя сдвигать с края стола. Рулон малярной ленты нельзя перемещать без указания учителя.Победителем становится группа, которая перемещает мяч в центр рулона малярной ленты с трех разных расстояний с наименьшим количеством попыток.

Разделите класс на группы по 2-4 человека. Раздайте каждой группе следующие предметы: теннисный мяч, жесткую линейку, цилиндрический маркер и рулон малярной ленты. Попросите учеников прикрепить маркер параллельно краю стола, как ранее продемонстрировал учитель. Теперь попросите группы отмерить 24 см (9.5 дюймов) от маркера и поместите край рулона малярной ленты плоской стороной в эту точку.

Дайте группам несколько минут для совместной работы над различными идеями попадания мяча в ворота. Затем дайте пять минут исследованиям и экспериментам. Попросите учащихся записать в дневнике расстояние 24 см (9,5 дюйма) и набросать конфигурацию рычага, которая лучше всего работает на этом расстоянии, непосредственно под номером. Выполните те же действия на расстоянии 15 см (6 дюймов) и 5 ​​см (2 дюйма).Наконец, учитель будет наблюдать, как группы демонстрируют свои конфигурации рычагов на разных расстояниях. Группа с наименьшим количеством попыток после прохождения всех трех дистанций побеждает.

4. С помощью демонстрации учащихся знакомят со шкивом.

Сообщите учащимся, что шкивы облегчают работу, уменьшая усилие, необходимое для подъема объекта. Попросите учащегося поднимать кувшин для молока, наполненный водой, только рукой.Затем попросите двух дополнительных учеников держать ручку метлы на уровне плеч между ними. Теперь привяжите тонкую веревку к ручке кувшина и дайте ей упасть на пол. Попросите ученика, который ранее поднимал кувшин, натянуть веревку на метлу и потянуть за конец веревки, чтобы поднять кувшин. Попросите учащегося описать разницу между двумя переживаниями. Теперь развяжите веревку от кувшина и привяжите один конец веревки к метле. Попросите двух учеников продолжать держать метлу на уровне плеч, в то время как другой доброволец продвигает свободный конец веревки через ручку кувшина, а затем обратно через метлу.Попросите того же ученика потянуть за конец веревки, чтобы поднять кувшин. Попросите учащегося описать различия в трех опытах. Фотографии второй и третьей ситуаций доступны в фотогалерее Simple Machines Demonstrations.

5. Учащиеся выполняют задание, используя шкивы.

Представьте себе шкив. Каждая группа будет поднимать металлические предметы с пола, используя спроектированную ими систему шкивов. Ознакомьте с правилами.В дизайне можно использовать только предоставленные материалы. Руки нельзя использовать для подбора предметов. Предмет, поднятый в воздух на высоту не менее 10 см (4 дюйма), можно снять со шкива руками. В конструкцию должны быть включены как минимум две катушки. Можно использовать ленту длиной не более 15 см (6 дюймов). Часть системы шкивов может быть прикреплена лентой к неподвижному объекту, например к столу.

Разделите класс на группы по 2-4 человека. Раздайте каждой группе следующие предметы: три пластиковые катушки; метр (3.2 фута) струны; магнит для пончиков диаметром 1¼ дюйма; различные мелкие металлические предметы, например скрепки; изоляционная лента; и три карандаша. Дайте группам время для совместной работы над различными идеями конструкции шкивов. Затем дайте от пяти до десяти минут исследованиям и экспериментам с материалами. Поощряйте студентов делать наброски идей в своих дневниках. В заключение каждая группа продемонстрирует учителю наиболее удачную систему блоков, разработанную группой.

6.Студенты знакомятся с колесом и осью.

Скажите учащимся, что колесо и ось используют вращательное движение для облегчения работы. Когда к колесу прилагается усилие, оно вызывает движение в оси, а когда оно прилагается к оси, оно вызывает движение в колесе. Попросите одного из учеников взять узкий конец воронки и с его помощью катить большой конец воронки по столу . Спросите: Это пример усилия, прилагаемого к оси или колесу? (На ось приложено усилие.Затем попросите учащегося прикрепить конец веревки длиной 1 м (3,2 фута) к узкому концу воронки. Теперь попросите ученика повернуть воронку круговыми движениями, используя большой конец воронки. Спросите: Это пример усилия, прилагаемого к оси или колесу? (Усилие, приложенное к колесу.)

7. Студенты применяют знания о колесе и оси, чтобы выполнить задание.

Представьте себе проблему колес и осей. Каждая группа попытается переместить теннисный мяч на 3 метра (примерно 10 футов), используя конструкцию, включающую колесо и ось.Ознакомьте с правилами. Могут использоваться только предоставленные материалы. Нельзя касаться мяча после того, как он начал двигаться. Колесо и ось должны быть первичным механизмом, с помощью которого достигается движение шара.

Разделите класс на группы по 2-4 человека. Раздайте каждой группе следующие предметы: два куска картона, примерно 57 г (2 унции) пластилина, две соломинки для питья, 30 см (12 дюймов) малярной ленты и 30 см (12 дюймов) веревки. Дайте группам время для совместной работы над различными идеями перемещения мяча.Затем дайте десять минут исследованиям и экспериментам. Поощряйте студентов делать наброски идей в своих дневниках. Когда все группы будут готовы, они будут соревноваться, чтобы определить, какая конструкция может переместить мяч на наибольшее расстояние. Дайте группам пять минут на реинжиниринг или ремонт своих автомобилей после первого теста и протестируйте его во второй раз.

8. Учащиеся на простых машинах конструируют робота на бумаге.

Попросите класс представить, как простые машины, с которыми они экспериментировали, можно было использовать для создания различных рабочих частей робота.Задайте следующие вопросы: Как можно использовать рычаг? (Возможно, как часть руки или ноги.) Как насчет шкива? (Его можно использовать для управления захватом на руке робота.) А как насчет колеса и оси? (Его можно использовать как часть модуля мобильности.) Попросите учащихся создать чертежи своих собственных роботов, включающие все простые машины, с которыми они экспериментировали в классе.

Неформальная оценка

Соберите чертежи роботов-учеников, чтобы убедиться, что все необходимые простые машины включены и применяются надлежащим образом.

Расширение обучения

Предложите учащимся найти в классе образцы рычагов, шкивов, колеса и оси. Некоторые распространенные примеры рычагов - ножницы, дыроколы и слив на унитазе в ванной. Общие примеры шкивов включают подъемный механизм на жалюзи и механизм, используемый для подъема флага на флагштоке. Некоторые неожиданные примеры колеса и оси - диспенсеры ленты, дверные ручки и внутренняя работа точилок для карандашей.Более распространенными примерами колеса и оси являются колеса тележек и лопастной механизм вентиляторов. Предложите студентам рассказать о случаях, когда они использовали рычаги, шкивы и / или колесо и ось для выполнения работы.

Как работают машины. Что такое машина? Устройство, которое позволяет вам выполнять работу проще.

Презентация на тему: «Как работают машины. Что такое машина? Устройство, которое позволяет вам выполнять работу более простым способом.»- стенограмма презентации:

ins [data-ad-slot = "4502451947"] {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14> ins: not ([data-ad-slot = "4502451947"]) {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14 {width: 250px;}} @media (max-width: 500 пикселей) {# place_14 {width: 120px;}} ]]>

1 Как работают машины

2 Что такое машина? Устройство, которое позволяет вам выполнять работу проще.

3 Как машины облегчают работу 1. Увеличение усилия Пример: автомобильный домкрат увеличивает вашу силу, перемещая ее на большее расстояние. 2. Увеличение расстояния Пример: пандус позволяет человеку использовать меньшее усилие, чтобы поднять ящик на заднюю часть грузовика. 3. Изменение направления Пример: грузовой тренажер или поднятие флажка на флагштоке.

4 Разница между входной и выходной силой? Входная сила - сила, которую вы прикладываете к машине.Выходная сила - сила, которую машина оказывает на объект. Пример: для лопаты - приложите  вашу силу к выходу лопаты  усилие, которое лопата оказывает на землю.

5 Механическое преимущество Сколько раз машина увеличивает прилагаемую к ней силу. Формула: MA = выходное усилие входное усилие Пример: Предположим, вы прилагаете входное усилие 10 Н к ручному консервному ножу, а открывающее устройство оказывает выходное усилие 30 Н.В чем механическое преимущество консервного ножа?

6 MA и как машины облегчают работу Увеличение силы: M.A.> 1 Увеличение расстояния: M.A. <1 Изменение направления: M.A. = 1

7 Идеальные и настоящие машины Для машин IDEAL выход всегда равен входу. Для НАСТОЯЩИХ машин (тех, с которыми мы знакомы) выход всегда меньше, чем входная работа из-за _________.


Simple Machines - The Physics Hypertextbook

Обсуждение

В самом общем смысле машина - это любое устройство, которое можно использовать для выполнения задачи. В механическом смысле машина - это устройство для передачи работы из одного места в другое.

  • Велосипед - это машина. Водитель работает с педалями, которые, в свою очередь, работают с передней рукояткой, которая работает с цепью, которая работает с задней звездочкой, которая работает с колесом, которая работает с осью, которая действительно работает на раме, которая работает на всадника.
  • Велосипедист - это машина, то есть люди и другие животные со скелетами - это машины. Наши мышцы работают с костями, которые, в свою очередь, работают с окружающим нас миром.
  • Дверная ручка - это машина. Работа выполняется с внешним диаметром ручки, которая, в свою очередь, работает с шпинделем, который работает с цилиндром, который работает с защелкой.
  • Молоток - это машина. Работа выполняется на ручке, которая, в свою очередь, воздействует на головку, которая воздействует на гвоздь.

Работа определяется как произведение силы и перемещения…

W = F s

Машины - это устройства, с помощью которых первичная сила (называемая усилием ), прилагаемая к некоторому смещению в одном месте, вызывает вторичную силу (называемую нагрузкой ) и смещение в другом месте. Работа, выполненная на , машина в конце усилия, называется работой на , а работа, выполненная с на , машина в конце нагрузки, называется работой , .

работ выполнено на станке
W дюйм = F усилие s усилие
работа выполнена на машина
W на выходе = F нагрузка s нагрузка

Нагрузка и усилие обычно различаются по величине и направлению, а также местоположению.В мире ideal механическая энергия никогда не теряется для других форм и работает на равных. (О, счастливый день!) В реальном мире, однако, механическая энергия всегда теряется, поэтому работа строго больше, чем работа. (Проклятия, снова сорвано!)

идеальный станок
Вт дюйм = Вт на выходе
F усилие s усилие = F нагрузка s нагрузка
настоящая машина
Вт на выходе > Вт на выходе
F усилие s усилие > F нагрузка s нагрузка

КПД , ну нравится мне эта деталь.

За исключением греческого символа эта (η). Это слишком похоже на латинскую букву n .

механическое преимущество , хоум

Коэффициент скоростей , гул хо.

классических станка, простых станков. Стоит ли вообще учить эту тему?

Классический список насчитывает 6 устройств, но 3 из них являются вариациями одного и того же.

Первое употребление на английском языке 1545, для другой цели

1545 в J.Schäfer Early Mod. Англ. Lexicogr. (1989) II. (в процитированном слове) Дырочная машина этого мира разделена на 0,2. parte. То есть в небесных и стихийных областях.

Подробнее OED

1704 J. Harris Lexicon Technicum Машина, или Двигатель, в «Механикс», - это то, что имеет Силу, достаточную для того, чтобы поднять или остановить движение тела ... Простые машины обычно считаются шестью по числу, а именно. Балансировка, рычаг, шкив, колесо, клин и винт... Составные машины или двигатели бесчисленны.

простая машина n. тот, в котором нет комбинации частей, например рычаг или любая другая из так называемых механических сил.

  • рычаг
    • качели
    • разводной мост
    • руки, ноги, пальцы рук, пальцы ног, челюсть
    • лом
    • ручной домкрат
    • молоток
    • меч
    • крикет / бейсбольная бита
    • гольф-клуб
  • колесо и ось
    • пассивное колесо на тележке или прицепе - это машина? колесо само по себе - это машина? такие машины на шарикоподшипниках?
    • это саночные машины?
    • парус машина?
    • брашпиль, лебедка
    • рукоятка арбалета
    • поезд, велосипед, автомобиль, колеса грузовика
    • шестерни
    • дверная ручка
    • отвертка
  • шкив
    • блокировка и захват
    • цепная таль
  • наклонная плоскость
    • пандусы, лестницы и эскалаторы
    • винт
      • винт архимеда
      • шуруп по дереву и металлу
      • червячная передача
      • пресс
    • клин

Почему наклонная плоскость в этом списке? На мой взгляд, ему здесь не место, потому что мы не должны использовать слово «машина».На наклонной плоскости нет различия между местоположениями нагрузки и усилия, если только машина не…

  • устройство для изменения величины или направления силы.
  • любое устройство, которое передает силу или направляет ее применение.
  • прибор, предназначенный для передачи или изменения приложения мощности, силы или движения
  • любое устройство, которое передает силу или направляет ее приложение
  • Все, что передает силу или направляет ее применение.
    • перенос войск с одного места на другое
    • изменение направления силы
    • изменение величины силы
    • изменение расстояния или скорости силы

Усилие - неизменная сила. Нагрузка - это измененная сила.

Простые станки и инструменты - Разъясните, что надо

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 28 сентября 2020 г.

Он создан, чтобы прослужить вам всю жизнь - вполне буквально.Но хотя человеческое тело - самый удивительный инструмент в вашем распоряжении, ему часто требуется рука помощи. Инструменты из металла, дерево и пластик работают как расширения вашего тела, заставляя вас чувствовать себя сильнее и помогая вам работать быстрее и эффективнее. В науке такие инструменты называются простые машины . И хотя вы можете подумать, что есть большая разница между крошечным гаечным ключом и огромным великим землеройным аппаратом, именно в обоих работает одна и та же физика. Давайте подробнее рассмотрим инструменты и машины и как они работают!

Фотография: В этом гидравлическом экскаваторе используется набор простых машин (колеса, оси и рычаги) для увеличения силы, которую может проявить водитель.Сколько разных машин вы можете увидеть в работе внутри экскаватора? Вот некоторые из них, с которых можно начать: рычаги, которые водитель тянет, чтобы заставить его что-то делать, колеса внутри гусениц, рычаг с ковшом на конце ... и многое другое!

Что такое машина?

Сделать что угодно - поднять ящик, толкнуть машину, выбраться из кровать, подпрыгнуть, почистить зубы - нужно толкать или тянущее действие, называемое силой . Если ты будешь рассказывать люди, вы сильные, на самом деле вы имеете в виду, что ваше тело может применять большую силу.Ты могли наблюдать по телевизору невероятно сильных людей, тянущих грузовики или тренируется голыми руками, но есть предел тому, что даже самые мускулистое человеческое тело может сделать. Простые машины позволяют нам выйти за рамки этого предел. Простые машины могут сделать всех нас сильными!

Фото: Кнопки (иногда их называют булавками для рисования) немного похожи на гвозди со встроенными молотками. Когда вы нажимаете на большую плоскую головку, сила, которую вы прикладываете (к большому сплющенному концу), эффективно увеличивается, потому что она сконцентрирован на гораздо меньшей площади у крошечной булавки.Согласно науке, даже канцелярские кнопки - это простые машины.

Когда вы слышите слово «машина», вы наверняка о чем-то думаете. как бульдозер или паровоз. Но в науке машина - это все, что увеличивает силу. Итак, молоток - это машина. Нож и вилка - это пара машин. И даже венчик для яиц - это машина. У всех этих машин есть одна общая черта: когда вы прикладываете силу к они увеличивают его размер и прикладывают большую силу в другом месте.Одной рукой мясо разрезать нельзя, но если надавить на нож, длинная ручка и заостренное лезвие увеличивают силу, которую вы нанесите его рукой - и мясо нарежет без особых усилий. Когда вы забиваете гвоздь молотком, ручка увеличивает силу, с которой вы сталкиваетесь. применять. А поскольку головка молотка больше, чем головка гвоздя, сила, которую вы применяете, действует на меньшую площадь с гораздо большей давление - и гвоздь легко входит в дерево. Попробуйте вдавить гвоздь пальцем и вы оцените преимущество, которое дает вам молоток.

Существует пять основных типов простых машин: рычаги, колеса и оси (которые считаются за единицу), шкивы, аппарели и клинья (которые также считаются за один) и винты. Посмотрим на них повнимательнее.

Рычаги

Рычаг - самый простой из всех механизмов: это просто длинный стержень, который помогает вам приложить большую силу, когда вы его поворачиваете. Когда вы сидите на качели, ты наверное разобрался, что нужно сидеть подальше от баланса точка (известная как точка поворота или точка опоры ) если человек на противоположном конце тяжелее тебя.Чем дальше вы сидите от точки опоры, тем больше вы можете умножить силу вашего веса. Если ты долго сидишь с точки опоры вы можете поднять даже более тяжелого человека, сидящего на в другой конец - при условии, что они сидят очень близко к точке опоры на своей стороне. Сила, которую вы прикладываете своим весом, называется усилие . Благодаря точке опоры он создает большую силу для подъема нагрузка (вес Другое лицо). Слова «усилие» и «нагрузка» могут сбивать с толку. поэтому мы избегали их использования в этой статье.О рычагах важно помнить, что сила, которую вы продукция больше, чем сила, которую вы применяете:

С длинным рычагом можно использовать много рычага . Когда ты используйте топор или гаечный ключ, длинная ручка помогает увеличить силу, которую вы можно подать заявку. Чем длиннее ручка, тем больше у вас рычагов. Так что ключ с длинной ручкой всегда проще в использовании, чем с короткой ручкой. И если вы не можете сдвинуть гайку или болт с помощью короткого гаечного ключа, попробуйте более длинная ручка.

Фото: два инструмента - рычаги. Слева: садовый культиватор (зеленый, вверху) и трубный ключ (красный, внизу). Культиватор - это рычаг класса 1, а гаечный ключ - рычаг класса 2 (эти термины объясняются непосредственно ниже). Справа: вот прополка в действии. Встроенная опора позволяет легко поднимать сорняки с помощью длинного и сильного стержневого корня.

Типы рычага

Рычаги вокруг нас. Молотки, топоры, щипцы, ножи, отвертки, гаечные ключи, ножницы - во всем есть рычаги.Все из них дают рычаги, но не все из них работают одинаково. На самом деле существует три разных типа рычаги (иногда называют классы ).

Рычаги кл.1

В рычаге класса 1 сила, которую вы прикладываете, равна на противоположной стороне точки опоры силу, которую вы производите. Качели пример рычага 1-го класса. Так ножницы:

Рычаги 2-го класса

Рычаг класса 2 расположен немного по-другому, с точка опоры на одном конце.Вы применяете силу на другом конце и сила, которую вы производите, находится посередине. Щелкунчики, чесночные прессы, и тачки все примеры рычагов класса 2:

Рычаги кл.3

Рычаг класса 3 снова другой. Нравиться рычаг 2 класса, это имеет точку опоры на одном конце. Но две силы меняются местами. Теперь вы прикладываете силу посередине, и создаваемая вами сила равна противоположный конец. Рычаги класса 3 отличаются от других машин тем, что уменьшают сила, которую вы применяете, дает вам гораздо больший контроль.Пинцет и щипцы Пример рычагов 3-го класса:

Ручки тоже являются рычагами класса 3: поворачивая их на руках и удерживая их посередине, мы получаем гораздо больший контроль над пером или шариковая ручка.

Колеса и оси

Изобретение колеса и оси (стержень, вокруг которого вращается колесо) около 5500 лет назад на Ближнем Востоке произвело революцию в транспорте и постепенно внесло огромные изменения в общество, но что сделало его таким особенным? Легче толкать тележку с тяжелым ящиком, чем толкать тот же ящик по земле, потому что колеса и оси тележки уменьшают трение и обеспечивают рычаг.Вы можете узнать, как это сделать, в нашей основной статье от того, как работают колеса.

Artwork: Колесо может работать как множитель силы или как множитель скорости (но не оба одновременно). Если повернуть внешнюю часть (обод) колеса, ось в центре поворачивается с меньшей скоростью, но с большей силой, поэтому колесо работает как множитель силы. Если вместо этого повернуть ось (как это делает автомобиль), колесо станет множителем скорости. Ось поворачивается только на короткое расстояние (синяя стрелка), но рычаг колеса означает внешний обод за это же время поворачивается намного дальше (красная стрелка).Вот так колесо помогает ехать быстрее.

Большие колеса используются для увеличения силы и другими способами. К трубам, например, прикреплены колеса, называемые запорными кранами (или запорными клапанами). Когда ты поверните внешний обод крана, внутренняя ось поворачивается с большим большее усилие - поэтому трубу легче закрыть. Рулевые колеса работают это путь тоже. У грузовика или автобуса рулевое колесо часто больше, чем у легкового автомобиля. потому что для поворота колес требуется больше силы. Большое колесо дает у водителя больше рычагов.

Колеса могут увеличивать расстояние и скорость, а также силу. Велосипеды имеют большие колеса, поэтому они идти быстрее. Когда вы крутите педали, вы включаете внутреннюю часть колеса. Но внешний обод колеса поворачивается быстрее и покрывает большую площадь, поэтому ваш педалирование имеет гораздо больший эффект. Так же работают и автомобильные колеса.

Тачки великолепно сочетают в себе колеса и рычаги. А тачка позволяет легко транспортировать груз из одного места в другой - по двум причинам. Во-первых, его длинная рама действует как рычаг, поэтому груз поднять намного легче.Во-вторых, легче толкать груз, используя тачка, потому что трение возникает только между колесом и осью. Если вы толкнули груз по шероховатой поверхности земли, не используя тачка, трение было бы намного больше.

Шестерни

Фотография: Шестерня состоит из двух или более колес разных размеров с зубьями, врезанными в их края, чтобы гарантировать, что они «зацепляются» (вращаются вместе без проскальзывания).

Шестерни - это колеса с зубьями, которые могут увеличивать скорость машины или ее силу, но не оба одновременно.Велосипеды используют шестерни в обоих направлениях. Если хочешь крутить педали в гору, вы используете шестеренки, чтобы увеличить свою силу, поэтому вам не нужно так много работать, хотя загвоздка в том, что они одновременно снижают вашу скорость. Если вы мчитесь по прямой дороге, вы можете использовать шестерни, чтобы увеличить скорость, но на этот раз загвоздка в том, что они уменьшат вашу силу. Хотя это не очевидно, просто взглянув у них шестерни работают точно так же, как рычаги (как и колеса). Это требует небольшого объяснения, поэтому мы не будем вдаваться в подробности здесь.Вместо этого вы можете прочитать все об этом в нашей статье о шестеренках.

Шкивы

Сложите два или более колеса вместе и обмотайте их веревкой. раз, и вы создаете мощную подъемную машину, называемую шкивом. Каждый когда веревка наматывается на колеса, вы создаете большую подъемную силу или механическое преимущество. Если есть четыре колеса и веревка наматывается У них шкив работает так, как будто груз несут четыре троса. Таким образом, вы можете поднять в четыре раза больше, хотя загвоздка в том, что вам придется тянуть веревку в четыре раза дальше.Подробнее читайте в нашей статье о шкивах.

Пандусы и клинья

Работа: Голова топора работает как пандус. Когда он проникает в дерево, дерево раскалывается по диагонали. Это означает, что вы можете распиливать древесину, прикладывая меньшее усилие на большем расстоянии. Если вы хотите разорвать бревно голыми руками, вам потребуется приложить гораздо большую силу (хотя и на гораздо меньшем расстоянии).

Если вы когда-нибудь помогали вытаскивать лодку из моря, вы знаете, что это легче это сделать, если на берегу есть пандус.Вместо того, чтобы поднимать лодку вертикально, прямо вверх, вы можете вытащить его из моря с гораздо меньшими усилиями, если вы подняться по пандусу. Вы используете меньше силы, но вам нужно дольше тянуть лодку расстояние - значит, вы используете такое же количество энергии в каждом случае. Hillwalkers иногда используют идею пандуса, чтобы подняться на вершину крутого подъема. От зигзагообразно двигаясь из стороны в сторону на подъеме, они эффективно создать собственный пандус. Холм становится менее крутым, но им приходится пройдите немного дальше, чтобы добраться до вершины.

Пандусы иногда называют наклонными плоскостями или клинья . Голова топора - это клин, работающий в другой путь. Топор раздвигает дерево двумя способами. Ручка работает как рычаг, увеличивающий прилагаемую силу. Клинок клиновидной формы концентрирует силу на меньшей площади, увеличивая давление на дерево и расколоть его. Лезвие ножа работает так же способ.

Винты

Фото: Спиральная резьба на винте означает, что его заворачивание занимает больше времени. в дерево, но - по крайней мере теоретически - вам потребуется меньше усилий.Канавки также помогите винту остаться на месте.

Винт вгрызается в дерево, когда вы его поворачиваете. Вы часто читаете научные книги, в которых говорится, что винт похож на пандус, обернутый по кругу ", что довольно запутанно и сложно понимать. Но представьте, что вы муравей и хотите пролезть снизу винта на верх. Если подняться вертикально снаружи вы пройдете относительно небольшое расстояние, но это займет ужасно много подъемной силы. Если вы подойдете к резьбе винта, намотка а вокруг вы действительно поднимаетесь по винтовой лестнице - пандусу завернутый по кругу.Да, вы идете намного дальше, но это целое намного проще. В винте есть еще одна хорошая вещь: потому что головка больше вала под ней, винт работает как колесо (или рычаг): каждый раз при повороте головы заточенный острие под ним вгрызается в древесину с большей силой. Сужение (конусообразная) конструкция облегчает ввинчивание винта.

Машины вокруг нас!

Это почти все, что касается науки о простых машинах. Как только вы поймете, как работают машины, вы начнете их видеть везде.Даже ваше тело забито машинами. Ваш скелет, для Например, это набор рычагов! Осмотрите свой дом и посмотрите, сколько еще "простых машин" вы можете заметить. Вы будете удивлены, сколько их здесь!

Есть ли подвох?

Подъем, резка, измельчение, перемещение, гибка - машины, подобные тем, которые мы рассмотрели выше, упрощают выполнение любых задач. создавая силы больше, чем вы обычно можете создать своим собственным телом. С первого взгляда, похоже, что это может открыть путь к разработке машины, которая может дать нам что-то бесплатно - может быть, один который может производить энергию из воздуха, или вечный двигатель, который работает вечно.

На практике законы физики строги, и если вы облегчите себе жизнь одним способом, вы всегда усложняете другому человеку компенсацию. Это способ ученого сказать: «Нет такой вещи, как бесплатный обед », и в физике это называется законом сохранения энергии (проще говоря: мы не можем заставить энергию появляться волшебным образом из ниоткуда). Поэтому всякий раз, когда у вас есть машина, которая дает вам больше силы, она не дает вам дополнительных энергии , которых у вас не было раньше.Например, со шкивом канаты и колеса дают вам гораздо большую подъемную силу, но вам придется поднимать их гораздо дальше, поэтому вы используете то же количество энергии, что и раньше. Вы просто используете его медленнее, с меньшими усилиями, так что подъем кажется легче. Таким же образом вы можете использовать качели, чтобы поднять гораздо более тяжелого друга, сидя подальше. от точки уравновешивания, чем они есть, но вам придется переместить ноги намного дальше, чтобы это компенсировать. Вы получаете дополнительную силу, но никакой лишней энергии - и в этом загвоздка.

Artwork: качели позволяют создавать дополнительную подъемную силу. Маленький красный человек может поднять большого синего человека, сидя подальше от точки поворота. Это означает, что они могут поднять большую силу, но загвоздка в том, что им приходится перемещать собственное тело на гораздо большее расстояние. Эта машина создает больше силы, но не энергии.

Работа, энергия и простые машины

Что такое простая машина?

Простые машины облегчают работу за счет увеличения, уменьшения или изменения направления силы.Научная формула работы: w = f x d, или работа равна силе, умноженной на расстояние. Простые машины не могут изменить объем выполняемой работы, но они могут уменьшить усилие, необходимое для выполнения работы! Для наклонной плоскости и рычага требуется меньшее усилие (сила усилия) для выполнения той же работы, потому что расстояние увеличивается. Используя простые машины, египтяне смогли построить пирамиды.

Наклонные плоскости уменьшают необходимое усилие, но требуется большее расстояние.

Толкая объект вверх по наклонной поверхности, можно переместить объект на высоту h с меньшей силой, чем вес объекта.

Сила сопротивления Fr = мг, вес объекта. Требуется работа (Fxd = mgh), чтобы преодолеть эту силу сопротивления и поднять объект на высоту h. Работая с ним, мы придаем ему гравитационную потенциальную энергию mgh. Прилагая силу (усилие), чтобы подтолкнуть объект вверх по склону, мы проделываем тот же объем работы в идеальном случае без трения.Таким образом, установив работу равной FeL = Frh, мы приходим к идеальному механическому преимуществу Fr / Fe = L / h или Din / Dout.

Другой подход к уклону - просто вычислить количество силы, необходимой для того, чтобы подтолкнуть объект вверх по склону без трения. Если силы разрешены, как в стандартной задаче наклона, вы обнаружите, что требуемая сила составляет Fe = mgsinθ = mgh / L = Fr (h / L).

Идеальное механическое преимущество (IMA) представляет сценарий без трения

Фактическое механическое преимущество учитывает трение

Термины могут сбивать с толку!

Как видно на рисунке справа, AMA рассчитывается путем деления силы сопротивления на силу усилия.В других источниках вы увидите, что они обозначены как выходная сила и входная сила соответственно. Сила сопротивления - это ВЕС перемещаемого объекта. Это выходная сила простой машины. Входная сила такая же, как сила усилия, приложенного к перемещению объекта с помощью машины. Эта формула ААД одинакова для рычага и наклонной плоскости.

Эффективность = тренировка / работа в x 100

Другой способ расчета эффективности - AMA / IMA x 100

Рычаг облегчает работу, уменьшая силу, необходимую для перемещения груза, за счет увеличения расстояния.

Рычаг - это простой механизм, состоящий из жесткого стержня, который вращается вокруг фиксированной точки, называемой точкой опоры. Рычаг облегчает работу, уменьшая силу, необходимую для перемещения объекта. Чтобы уменьшить необходимое усилие, необходимо увеличить расстояние, на котором прикладывается сила. Чтобы увеличить это расстояние, перемещаемый груз должен быть близко к точке опоры, а сила должна прилагаться далеко от точки опоры.

Типичным примером рычага являются качели.Человеческая рука также является рычагом, где локоть является точкой опоры, а мышцы прикладывают силу.

Как и в случае с наклонными плоскостями, термины могут сбивать с толку и с рычагами.

Как показано на рисунке слева, IMA для рычага можно рассчитать, если длину плеча рычага от точки опоры до силы (усилия) разделить на длину плеча рычага от точки опоры до нагрузки. Другой способ увидеть это - разница между расстоянием между усилиями и сопротивлением. И еще один способ (как показано ниже): длина входного плеча / выходного плеча = IMA. Как и в случае с наклонными плоскостями, перемещаемый объект - это сила сопротивления или нагрузка, а усилие - это сила, прилагаемая к перемещению груза на другом конце оси.Итак, сила = усилие = вход, а сопротивление = нагрузка = выход.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *