Розширення експлуатаційних характеристик фрезерного верстата з числовим програмним керуванням

Abstract

У вступі розглянуто актуальність використання фрезерних верстатів з числовим програмним керуванням у машинобудуванні та інших галузях. Описано проблеми високої вартості промислових ЧПК-верстатів, що обмежує їх застосування у малих підприємствах, навчальних закладах і домашніх майстернях. Обґрунтовано необхідність розробки доступних верстатів, що виконують базові функції промислових моделей. У першому розділі виконано загальний огляд технологій та компонентів фрезерних верстатів з ЧПК на базі ОС Windows. Детально проаналізовано види та принципи роботи верстатів, охарактеризовано основні складові частини. Розглянуто сучасні технології, зокрема інтеграцію з різними системами, що підвищують функціональність і зручність керування. У другому розділі розроблено алгоритм та структуру системи керування верстатом. Описано взаємодію основних компонентів системи. Розглянуто алгоритми інтерполяції, що забезпечують точне формування траєкторії руху інструменту. У третьому розділі проведено комплексний розрахунок електромеханічної системи приводу верстата. Визначено режими різання, параметри приводу шпинделя і механічні характеристики системи подачі. Синтезовано ПІ-регулятор для замкнутого контуру струму шпиндельного вузла, що забезпечує стабільність роботи та високу якість обробки матеріалів. У четвертому розділі запропоновано заходи підвищення ефективності та розширення функціональних можливостей верстата. Описано системи контролю та адаптації, розглянуто методи компенсації та управління процесами. Наведено перспективи переходу на сучасні ЧПК-системи типу Mach4. У п’ятому розділі здійснено економічний аналіз проектованого верстата. Обчислено загальну вартість виготовлення обладнання, включно з базовою системою та запропонованими модернізаціями. Проведено порівняння з аналогічними рішеннями, що підтверджує економічну доцільність розробки. У шостому розділі розглянуто питання охорони праці при експлуатації верстата. Проведено оцінку метеорологічних та гігієнічних умов, техніки електробезпеки та пожежної безпеки. Здійснено розрахунок природного та штучного освітлення робочого місця, що сприяє створенню безпечних і комфортних умов праці. Об’єктом дослідження цієї бакалаврської кваліфікаційної роботи є фрезерний верстат з числовим програмним керуванням.. Предметом дослідження є функціональні та експлуатаційні характеристики системи керування верстата, а також можливості її модернізації. Мета роботи – спроектувати доступний та функціональний фрезерний верстат з ЧПК, а також створити основи для подальшої модернізації системи керування.The introduction outlines the relevance of using CNC milling machines in mechanical engineering and other industries. It highlights the high cost of industrial CNC machines, which limits their use in small enterprises, educational institutions, and home workshops. The need to develop affordable machines that perform the basic functions of industrial models is substantiated. The first chapter provides a general overview of CNC milling technologies and components based on the Windows operating system. The types and principles of CNC machines are analyzed in detail, along with a description of their key components. Modern technologies are discussed, including integration with various systems that improve functionality and control convenience. The second chapter presents the development of the control system structure and algorithm for the milling machine. The interaction of the system’s main components is described. Interpolation algorithms are considered to ensure accurate toolpath generation. The third chapter includes a comprehensive calculation of the electromechanical drive system. Cutting modes, spindle drive parameters, and feed system mechanical characteristics are defined. A PI controller is synthesized for the closed-loop current control of the spindle assembly, ensuring stable operation and high processing quality. The fourth chapter proposes measures to improve efficiency and expand the functionality of the machine. Control and adaptation systems are described, as well as compensation and process management methods. The potential for upgrading to modern CNC systems such as Mach4 is discussed. The fifth chapter provides an economic analysis of the designed machine. The total cost of manufacturing, including the basic system and proposed upgrades, is calculated. A comparison with similar solutions confirms the economic feasibility of the project. The sixth chapter addresses occupational safety issues during machine operation. Meteorological and hygienic conditions, electrical and fire safety measures are evaluated. Natural and artificial lighting at the workplace is calculated to ensure safe and comfortable working conditions. The object of this bachelor's qualification work is a CNC milling machine. The subject of the research is the functional and operational characteristics of the machine’s control system and its modernization potential. The goal of the work is to design an affordable and functional CNC milling machine and lay the groundwork for further control system upgrades.