Обзор многофункциональных деревообрабатывающих станков

В зависимости от технологического назначения обрабатывающие центры в деревообработке различают: для окончательной обработки плитных материалов, в том числе и по замкнутому криволинейному контуру, сверления присадочных отверстий, выборки глухих и сквозных пазов, проемов по пласти и облицовывания кромки (детали типа столешниц); для фрезерования, сверления и шлифования деталей из массивной древесины и плитных материалов по пласти и контуру (детали типа ложной дверной филенки); для фрезерования, пиления и сверления деталей из массивной древесины для производства окон и дверей, в том числе и арочных; для выполнения столярных и плотницких работ на брусовых и щитовых элементах строительных конструкций и объемных деталях (венцовые соединения, различные шипы, гнезда, фрагменты декора и т.д. для деревянного домостроения); для производства объемных элементов мебели, литьевых моделей и т.д.; для сверления присадочных отверстий, впрыскивания клея, запрессовывания шкантов и автоматизированной установки фурнитуры и т.д.

Обрабатывающие центры позволяют производить обработку деталей на режимах, когда человек физически не в состоянии отслеживать их ход. Скорость перемещения суппорта обрабатывающего центра по горизонтальным координатам X и Y достигает 100 м/мин, а по вертикальной координате Z – 30 и более. Для защиты зоны, в которой может находиться оператор при настройке и обслуживании таких обрабатывающих центров, ее поверхность может быть покрыта специальными ковриками-датчиками либо перекрываться лучами лазера, фотодатчиками и другими устройствами безопасности. Это исключает возможность включения станка и перемещения консоли или портала при нахождении там человека. По виду движения заготовки обрабатывающие центры могут быть с неподвижным креплением заготовки на столе – основная масса центров для машинной обработки мебельных и столярных заготовок (при этом стол может быть как подвижным, так и неподвижным); с проходным (циклопроходным) движением – выборка пазов, сверление в щитовых деталях присадочных отверстий, установка фурнитуры и т.д.; с обработкой на нескольких позициях (например, сначала – неподвижное, затем вращательное либо поступательное) – фрезерование щитовой детали типа столешницы по контуру с последующим облицовыванием кромки либо брусковых заготовок на оконных центрах.

В зависимости от пространственной ориентации детали при ее обработке различают обрабатывающие центры: горизонтальные, когда заготовка укладывается на горизонтальный стол или независимые подвижные каретки; вертикальные (или наклонные), когда щитовая заготовка ставится на кромку практически вертикально (занимающие в сравнении с другими центрами гораздо меньше производственной площади); угловые, когда движущаяся заготовка перебазируется в процессе обработки с одного стола на другой с поворотом на определенный угол. Инструментальный суппорт обрабатывающего центра в зависимости от компоновки может располагаться относительно стола либо консольно, либо на портале. Суппорт (или два суппорта) консольного типа перемещается в продольном направлении по ряду направляющих, смонтированных на станине за рабочим столом, ширина которого обычно составляет 1 м (редко 2 м), а длина достигает 6,5 м.

Поперек стола суппорт перемещается по собственным направляющим консоли с помощью шариковинтовой пары или беззазорной зубчато-реечной передачи. Такая компоновка станка позволяет при загрузке заготовок более эффективно и удобно использовать рабочую поверхность стола, переместив суппорт назад в крайнее положение. Однако для сохранения жесткости конструкции консоль не может быть значительной, что и ограничивает ширину рабочего стола. При изготовлении широких деталей после обработки одной или двух сторон их приходится перебазировать, разворачивая на 180°, из-за чего снижается точность обработки и производительность, а также повышается трудоемкость изготовления. Как правило, такая компоновка используется для сверлильно-фрезерных обрабатывающих центров при малых значениях сил резания, особенно по координате Z. Подобных недостатков лишены обрабатывающие центры с вертикальной ориентацией детали.

Также сегодня широко распространены компоновки портального типа. В этом случае портал может быть установлен как вдоль, так и поперек станины. Обычно в обрабатывающем центре с порталом, расположенным вдоль станины, портал и стол выполняются неподвижными. По оси Х суппорт перемещается по направляющим портала, по оси Y – по собственным направляющим. Из обрабатывающих центров портального типа в деревообработке наибольшее применение находят центры с поперечным неподвижным порталом и подвижным столом (столами). Перемещающийся стол при неподвижном портале создает более устойчивую динамическую систему станка, при этом его конструкция получается более технологичной и точной. Недостатком такой компоновки является необходимость увеличения практически в два раза размеров станины для обеспечения хода стола и, как следствие, расширение занимаемой производственной площади. Такие центры разливаются по числу обрабатываемых координат. Двухкоординатный центр позволяет выполнять фрезерование хвостовой фрезой и получать плоский рисунок постоянной глубины. Фреза настраивается на заглубление в заготовку, как правило, вручную. Управление перемещениями при этом осуществляется системой ЧПУ по двум координатам – X и Y. На трехкоординатном центре осуществляется фрезерование на плоскости на изменяемую глубину, управление перемещениями обеспечивается по трем координатам – X, Y и Z. Суппорт осуществляет по направляющим станины движение по оси X, по собственным направляющим – по оси Y, а режущий инструмент вместе с электрошпинделем – по оси Z.

Четырехкоординатный центр обеспечивает фрезерование на поверхности цилиндра с управлением по четырем координатам – перемещениями по осям X, Y и Z и разворотом (чаще всего инструмента) вокруг оси Z. Пятикоординатный центр обеспечивает проведение фрезерования на поверхности сферы с управлением по пяти координатам – перемещениями по осям X, Y и Z и поворотом вокруг осей Z и Y или осей Х и Y. Пятикоординатные центры компонуют, как правило, по схеме с перемещающимся столом: одну координату отрабатывает стол, вторую – движущийся по порталу суппорт, а оставшиеся движения выполняет сама шпиндельная головка с инструментом. Такие центры в основном предназначены для обработки деталей, габаритные размеры которых по высоте значительно больше размеров мебельных деталей, например литьевых моделей.

Шпиндельный суппорт таких центров должен иметь значительный ход по оси Z, а следовательно, и достаточно высоко располагаться над столом (как правило, не менее 650 мм), что выдвигает требования по обеспечению виброустойчивости суппорта при разгоне и торможении без вибраций. Такие центры могут снабжаться и двумя столами, обеспечивающими возможность как поочередной обработки закрепленных на них различных заготовок, так и синхронной работы обоих столов при обработке заготовок значительных размеров. Также существуют обрабатывающие центры, на которых детали обрабатываются по шести и более координатам. Однако наибольшее распространение сегодня в деревообработке получили трех- и пятикоординатные обрабатывающие центры.

Станина деревообрабатывающего станка, как правило, изготавливается из стабилизированной искусственно состаренной стали. Из этого же материала выполняются порталы и несущие элементы суппортов – кронштейны, направляющие и т.д. Хотя в конструкциях современных станков все чаще применяется искусственный камень типа полимербетона. Этот материал позволяет значительно повысить виброустойчивость конструкции, так как гасит колебания элементов станка вследствие как переменности сил резания при обработке деталей, так и реверса столов и манипуляторов при смене инструмента. Это существенно повышает качество обработанной поверхности, точность заданных размеров и стойкость режущего инструмента. Механизмом резания суппорта для фрезерования являются, как правило, электрошпиндели – высокоточные и надежные электродвигатели на металлокерамических подшипниках с частотой вращения до 24–30 тыс. об/мин. Поскольку электрошпиндели работают под напряжением повышенной частоты, то они имеют меньшие, в сравнении с обычными промышленными электродвигателями, габариты и вес.

На рабочем торце электрошпинделя находится торцевая расточка под полый инструментальный конус типа HSK. Такой конус (инструментальный хвостовик) обладает высокой надежностью крепления на высоких оборотах даже массивного инструмента и позволяет быстро производить его замену в автоматическом режиме. Особенностью его конструкции является то, что с увеличением центробежной силы возрастает усилие зажима инструмента. Благодаря особенностям конструкции и точности изготовления конических хвостовиков HSK при замене инструмента обеспечивается повторяемость его положения в пределах одного микрометра как в радиальном, так и осевом направлениях. Поскольку частота вращения установленного на электрошпинделе инструмента и его масса могут быть значительными, то для соблюдения теплового режима его работы во многих станках, особенно среднего и тяжелого класса, предусмотрено принудительное циркуляционное охлаждения жидкостью или воздухом. Это облегчает условия работы обмоток двигателя, подшипников и повышает надежность всего узла. Рабочая температура шпинделя контролируется с помощью термодатчика, а при ее превышении информация выводится на монитор, предупреждая оператора о возникшей неполадке.

Одним из важнейших параметров обрабатывающего центра является мощность фрезерного суппорта, выполняемого на базе электрошпинделя, составляющая от 1,5 кВт на легких станках и до 22,5 и более кВт – на тяжелых. Как правило, в зависимости от мощности основного электрошпинделя рассчитывается и прочность всего суппорта, в том числе и механизма его перемещения. Так, например, у трехкоординатного центра для обработки мебельных щитовых деталей сложилось типовая комплектация суппорта, в которую входит: главный вертикальный фрезерный шпиндель; горизонтальный фрезерный шпиндель для обработки кромок и торцев деталей, например гнезд под врезную фурнитуру; горизонтальный пильный шпиндель для формирования пазов по осям X и Y под задние стенки или сдвижные стекла; вертикальные сверлильные головки с шагом отверстий 32 мм, вызываемые отдельно по программе как вдоль оси X, так и оси Y; горизонтальная сверлильная головка двух- или трехшпиндельная, вызываемая отдельно для сверления по оси X; горизонтальная сверлильная одно- или двухшпиндельная головка для сверления по оси Y.

Привод механизмов резания сверлильных головок осуществляется от обычных асинхронных электродвигателей с частотой вращения 3000 об/мин, установленных на корпусе суппорта головок. В зависимости от назначения суппорт центра может иметь один, два и более шпинделей, расположенных как вертикально, так и горизонтально. Суппорт пятикоординатного центра, как правило, состоит из четырех независимых, расположенных крестообразно на головке в одной плоскости (или попарно в двух параллельных плоскостях) мощных высокомоментных электрошпинделей. Головка со шпинделями может вращаться в корпусе на 360° вокруг оси Х, а сам корпус – вокруг оси Y или Z в диапазоне 120–360°.

Однако некоторые виды обработки нельзя осуществить набором инструментов базовой комплектации. Для этого центр (кроме простейших типов) оснащается инструментальным магазином (или двумя – для двухсуппортных центров). Инструментальные магазины могут быть выполнены как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости. Установка инструмента в шпиндель осуществляется либо при непосредственном подходе фрезерного суппорта к магазину с предусмотренной в нем заранее свободной ячейкой под инструмент, либо с помощью двухместного поворотного манипулятора. В первом случае суппорт подходит к свободной ячейке магазина сбоку, вставляет по трапециевидным канавкам отработавший инструмент с конусом в направляющие свободной ячейки. Шпиндель освобождает цангу крепления конуса инструмента и поднимается вверх, ожидая подход нового инструмента. Инструментальный магазин разворачивается, подставляя под шпиндель этот инструмент. Шпиндель опускается, вводя наружный посадочный конус инструмента внутрь своей конической расточки, цанга надежно захватывает инструмент, и шпиндель выводит его из направляющих ячейки магазина в рабочую зону.

Во втором случае манипулятор одной «рукой» захватывает нужный инструмент из магазина, затем, дойдя до суппорта, второй «рукой» снимает отработавший инструмент со шпинделя, разворачивается на 180°, подает новый инструмент в шпиндель, а отработавший возвращает в освободившуюся ячейку магазина. Второй случай чаще всего применяется на металлообрабатывающих центрах. Замена инструмента осуществляется программным путем с помощью системы ЧПУ центра. Магазин может быть установлен либо на суппорте центра и перемещаться вместе с ним, либо неподвижно на кронштейне станины. В первом случае инструмент заменяется более оперативно, поскольку магазин всегда рядом и суппорту не надо возвращаться на исходную позицию.

В инструментальном магазине может быть до нескольких десятков видов инструментов или агрегатных головок, которые могут устанавливаться в главный шпиндель станка, что расширяет его технологические возможности. Это могут быть различные фрезерные, пильные, сверлильные и присадочные головки и т.д. В некоторых моделях центров они устанавливаются и в конус второго фрезерного шпинделя. Многие агрегатные головки имеют свою внутреннюю кинематику, вписанную в ограниченный объем, что не всегда положительно сказывается на надежности узла, особенно при работе на высоких частотах вращения. Базирование обрабатываемой заготовки происходит в большинстве случаев на столе центра, которые различаются по виду, конфигурации, размерам, способу крепления на нем заготовки и т.д. Способ базирования заготовки на столе является одной из важных характеристик обрабатывающего центра, так как это определяет время ее установки, надежность закрепления и гибкость всей производственной системы центра.

В то же время каждый вид заготовки предъявляет свой набор требований к фиксации на столе. Так, при обработке деталей из композиционных материалов возникают значительные силы резания, что заставляет оператора используемые вакуумные прижимы дублировать другими элементами – чаще всего механическими. Обязательным условием во время обработки заготовки является отсутствие вибраций, которые в большинстве случаев приводят к снижению качества поверхности. Поэтому зажимное приспособление должно обладать высокими динамическими характеристиками, в первую очередь – жесткостью. При обработке щитовых заготовок только по верхней пласти часто используется сплошной вакуумный стол, над поверхностью которого выступают стальные подпружиненные шарики пневмоклапанов, связанных с вакуумной системой станка. Заготовка своим весом надавливает на шарики, которые попали под ее плоскость, и под поверхностью заготовки создается разрежение.

В этом случае заготовки прижимаются к поверхности стола силой атмосферного давления. В некоторых конструкциях столов по всей плоскости выбраны пазы, делящие поверхность на небольшие квадраты, в центре которых монтируются пневмоклапаны. Для повышения надежности прижима заготовки по ее периметру в пазы стола вкладывается круглый жгут из вакуумной резины, который дополнительно герметизирует стыки. Существуют столы, у которых вся поверхность покрыта пневмоприсосками небольшого диаметра. Включение соответствующего количества пневмоприсосок, обеспечивающих прижим обрабатываемой заготовки, задается по ее координатам в программе обработки. При этом пневмоприсоски, частично перекрывающие поверхность заготовки, в процессе работы центра к вакуумной системе не подключаются. Также есть столы, внутри которых смонтирована сеть вакуумных распределителей с шагом 100–150 мм. Вокруг каждого распределителя внутри стола располагается круговой постоянный магнит, а вакуумные модули, устанавливаемые на столе, монтируются на съемной плите из магнитомягкой толстолистовой стали. В плите делаются отверстия, позволяющие создать вакуум на поверхности модуля, чтобы он мог работать как присоска.

Такие модули не имеют соединительных патрубков, поэтому могут свободно располагаться на столе, разворачиваться на полный угол вокруг своей оси, устанавливаясь наилучшим образом относительно поверхности детали. Эта же система может работать и в режиме подачи сжатого воздуха, когда требуется создать воздушную подушку при манипулировании тяжелыми и протяженными деталями, а также для очистки пневмосистемы. Так, например, стол размерами 4400х1250 мм имеет 360 магнитных креплений и вакуумных соединений. Однако при обработке кромки щитовой детали необходимо установить ее над поверхностью стола, для того чтобы подвести агрегатную головку с режущим инструментом. Наибольшее распространение получили подвижные столы консольного типа, устанавливаемые на горизонтальные направляющие станины с легко перемещаемыми модулями-линейками. Установленные на нем вакуумные присоски со свободным позиционированием либо отдельные присоски, перемещаемые в Т-образных пазах стола, обеспечивают высокую гибкость при обработке заготовок различных форм и размеров. На обрабатывающих центрах устанавливаются, как правило, мощные вакуумные насосы, снабженные автоматикой контроля вакуума. Это необходимо для надежной фиксации заготовок на столе и, как следствие – высокой надежности при обработке древесно-композиционных, пористых материалов и сложных поверхностей.

Позиционирование положения вакуумных присосок (или контура заготовки) на столе может контролироваться с помощью лазерного устройства, установленного под потолком над обрабатывающим центром, лазерными крестовыми отметками, а также программными способами. Для экономичного раскроя ламинированных древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит широко используются обрабатывающие центры, работающие по технологии нестинг. Фиксация раскраиваемой облицованной плиты на вакуумном столе обеспечивает быстрый и точный ее раскрой фрезерованием концевой фрезой диаметром 10–16 мм. Фреза устанавливается в патрон электрошпинделя повышенной мощности. Программное обеспечение системы ЧПУ такого станка позволяет выкраивать детали максимальной готовности различной формы, оптимизируя их максимальный выход из плиты данной площади, минимизируя при этом количество отходов.

Для исключения повреждения вакуумного стола в процессе обработки, вследствие выхода торца фрезы из нижней поверхности плиты, в качестве подложки используется плита МДФ толщиной порядка 12 мм. Благодаря своей достаточно рыхлой структуре, такая плита позволяет надежно фиксировать обрабатываемую древесно-стружечную плиту на столе. Поверхность плиты-подложки периодически выравнивается для исключения дополнительного подсоса воздуха через сформированные канавки. Однако такой способ фиксации требует наличия на станке более производительного вакуумного насоса. Наибольшее распространение такая технология получила в мебельной промышленности. Примером могут служить сложной формы крышки офисных компьютерных столов, угловые элементы щитовой мебели, полки и горизонтальные щиты шкафов с гнуто-клееными дверцами и т.д. Появились и специализированные обрабатывающие центры для изготовления мебельных деталей по данной технологии. Так, например, немецкая фирма Holz-Her выпускает обрабатывающие центры Dynestic. Они отличаются размерами рабочих столов, соответствующих формату выпускаемых промышленностью древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит, являющихся заготовками для мебельных щитовых деталей.

Для обработки, например, продольных профилей брусков как прямых, так и арочных окон усилия пневмоприсосок недостаточно. Для этого наряду с присосками в столах некоторых станков установлены «всплывающие зажимы», позволяющие обрабатывать брусок с двух сторон без переустановки детали. Над базовой поверхностью стола поднимается набор зажимов, напоминающих струбцины, захватывающих оконный брусок с одной стороны с усилием до 80 кг. После обработки одной стороны бруска всплывают другие зажимы с противоположной, уже обработанной стороны бруска и снова фиксируют его. И только после этого первые зажимы отпускают заготовку и утапливаются вниз, и заготовка обрабатывается с другой стороны. Перемещение зажимов происходит автоматически. На столе могут устанавливаться сразу до десятка заготовок. В некоторых случаях щитовые заготовки дополнительно прижимаются к столу двумя подпружиненными страховочными роликами, которые устанавливаются над столом и имеют возможность настроечных перемещений как по высоте, так и вдоль стола.

Чем больше программа обработки деталей, чем меньше их размеры, тем большее время затрачивается на их установку и снятие. Чтобы сократить его, обрабатывающий центр оснащается двумя, а иногда и тремя рабочими столами. На одном из них обрабатывается деталь, второй выводится в рабочую позицию, а с третьего снимают готовую деталь и устанавливают новую заготовку. Существует также стол в виде трехгранной призмы с горизонтальной осью вращения. Все три грани призмы оснащены вакуумными захватами. На наклонной ее части, обращенной к оператору, происходит снятие детали и установка заготовки, в это же время на задней части идет машинная обработка заготовки. А с обработанной ранее детали, закрепленной на нижней грани призмы, производится удаление стружки и пыли щеточным агрегатом. Рабочая поверхность стола может разбиваться на зоны, в которых обрабатываются две зеркально-симметричные детали, например две ножки стула – левая и правая.

Определенный интерес представляет конструкция стола одного из обрабатывающих центров для изготовления строительных деталей для деревянных брусовых и каркасных домов. Такой центр снабжен вместо сплошного стола набором узких кареток с индивидуальным приводом, перемещающихся по направляющим станины и служащих для базирования и перемещения в процессе обработки тяжелого бруса или балки. Каждая каретка оснащена автоматически настраивающимися по высоте и ширине базовыми упорами, дающими возможность копирования продольной кривизны заготовки. Если на обработку подается брус, имеющий допустимую продольную кривизну, базовые упоры вместе с прижимами повторяют эту кривизну, не распрямляя брус и не внося в его форму искажения. В процессе сборки дома под весом соседних брусьев или болтовых стяжек брус деформируется по месту и эта кривизна устраняется, что позволяет экономить дорогостоящие клееные деревянные конструкции. Такой центр портального типа в зависимости от комплектации может иметь один или два суппорта с соответствующими магазинами инструмента. Причем во втором случае один из суппортов специализируется на формировании венцовых соединений стеновых брусьев, а второй выполняет торцевание, зарезание торцевых пазов под установку дверных и оконных коробок, сверление отверстий под соединительные нагели и т.д. Такая компоновка центра позволяет реализовать практически любые фантазии архитектора деревянного домостроения.

Большинство фирм-изготовителей предлагают собственные разработки конструкций столов под выполнение конкретных технологических задач своего оборудования. Однако стандартные элементы конструкций столов – присоски, модули различного типа, прижимы, упоры – зачастую выпускаются специализированными фирмами. В настоящее время существуют обрабатывающие центры, у которых загрузка-разгрузка стола осуществляется встроенным роботом, управляемым от объединенной компьютеризированной системы управления. В этом случае исключается возможность повреждения режущего инструмента и прижимов в процессе обработки детали, поскольку траектории движения руки робота, режущего инструмента и схема расположения прижимов введены в единую управляющую программу. Системы ЧПУ в зависимости от особенностей работы центра могут быть либо позиционными, либо непрерывными (контурными). В первом случае система задает фиксированное значение координат, определяющее положение инструмента относительно детали в начале и конце каждого из этапов цикла.

Примером таких систем может служить система ЧПУ для сверлильно-присадочных центров, когда важно обеспечить точность конечного положения сверла относительно детали. В этом случае безразлично, по какой траектории будет осуществляться перемещение сверла с одной позиции на другую в процессе обработки детали. Во втором случае система обеспечивает управление рабочим органом центра в любой момент времени. Это необходимо при обработке деталей сложного профиля, когда перемещения инструмента относительно детали (или наоборот) по двум и более координатам должны быть синхронизированы между собой. Такое согласование достигается чаще всего с помощью интерполятора, задающего соответствующий закон движения рабочего органа в промежутках между заданными программой координатами опорных точек обрабатываемого контура. Такими системами ЧПУ оснащаются фрезерно-сверлильные центры для обработки сложных криволинейных поверхностей.

Интерфейс обрабатывающего центра в настоящее время в основном реализуется на базе компьютерной стойки с программной оболочкой Windows и программного обеспечения технологического процесса фирмы-производителя. В стойке смонтированы также контроллеры приводов центра. Используя системы автоматизированного проектирования и производства изделия CAD/CAM и специальные программы-трансляторы, можно создать не только чертеж изделия, но и сразу же ввести в систему ЧПУ центра программу технологического процесса его изготовления, что обеспечивает наиболее качественный и производительный выпуск продукции. Некоторые системы ЧПУ позволяют программировать станок параллельно с процессом обработки деталей, а также получать на мониторе картинку всех движений узлов центра в 3D-анимации, благодаря чему можно производить проверку программы на отсутствие возможных столкновений. Подготовка управляющей программы может происходить и методом «обучения». В этом случае заранее изготавливается модель детали, поверхность которой ощупывается с заданной дискретой специальным щупом или сканируется электронным способом. Полученная информация о форме и размерах детали вводится в память устройства ЧПУ. На дисплей может быть выведена видеоинформация обо всех движениях станка и обрабатываемой детали в виде 3D-анимации. Обрабатывающий центр – сложный как по конструкции, так и в эксплуатации станок, что предъявляет высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, а также к качеству подготовки инструмента.

Стоит такое оборудование достаточно дорого, а потому перед его приобретением необходимо определиться, какие детали и из какого материала будут на нем обрабатываться, каковы технологические требования к качеству обработки, какую производительность необходимо обеспечить исходя из объема заказа, каков должен быть набор выполняемых центром операций и т.д. Это позволит оптимизировать расходы на его приобретение.