Введение 5
1 Литературный обзор 6
1.1 Общая информация об объекте исследования 6
1.2 Вспомогательные системы для модернизации ЧПУ-станков 8
1.2.1 Микроконтроллеры 8
1.2.2 Программное обеспечение 8
1.2.3 Датчики 9
1.3 Обзор решений и практик модернизации 9
1.4 Современные тенденции и перспективы развития ЧПУ-систем 10
1.5 Вывод по литературному обзору 10
2 Патентные исследования 12
2.1 Общие данные об объекте исследований 12
2.2 Основная (аналитическая) часть 12
2.2.1 Анализ патентно-лицензионной ситуации 12
2.2.2 Анализ патентовладельцев 16
2.3 Анализ технического уровня и тенденций развития в исследуемой
области техники 23
2.3.1 Анализ первого направления 23
2.3.2 Анализ второго направления 25
2.4 Вывод по патентным исследованиям 28
3 Маркетинговые исследования 29
3.1 Предмет исследования 29
3.2 Сравнительный анализ компонентов 29
3.2.1 Микроконтроллеры: анализ возможностей 29
3.2.2 Энкодеры: сравнительная оценка технических характеристик 31
3.3 Рынок и сегмент потребителей 34
3.4 Вывод по маркетинговым исследованиям 38
4 Техническая часть 40
4.1 Исходные компоненты проекта 40
4.1.1 Станок AMAN 3040 4axis 800W 40
4.1.2 Программа Mach3 41
4.2 Сборка системы обратной связи 43
4.3 Разработка программного обеспечения 44
4.4 Тестирование системы 46
4.5 Алгоритм работы замкнутого контура 47
4.6 Изменение точности после модернизации 50
4.7 Вывод по технической части 52
5 Технико-экономическое обоснование модернизации станка 54
6 Устойчивое развитие и условия труда 57
6.1 Развитие устойчивой и доступной производственной инфраструктуры ...57
6.2 Инновации и расширение технологического доступа 57
6.3 Условия труда 57
6.4 Образование, подготовка кадров и локальная индустриализация 58
6.5 Вывод 58
7 Инженерная этика 60
7.1 Матрица ответственности лиц, вовлеченных в исследование 60
7.2 Этика заимствования результатов исследования 61
Заключение 63
Список использованной литературы 64
Приложение А 68
Приложение Б
Целью работы является технико-экономическое обоснование модернизации системы управления фрезерного станка Aman 3040 4axis.
Говоря об актуальности, я обращусь к словам премьер-министра России Мишустина М.В. По его словам, развитие станкостроения и робототехники создаст серьезный кумулятивный эффект для экономики в целом. «Уверен абсолютно, он поддержит положительную динамику в целом ряде смежных отраслей, в том числе в части программного обеспечения, которое необходимо в тех же станках с ЧПУ, а также для работы основных управленческих процессов. Позитивно это также скажется и на повышении производительности труда», - сказал он. Программу развития станкостроения и робототехники планируется расширить до нацпроекта к 2030 году.
Кроме того, согласно отчёту аналитического центра MarketsandMarkets, мировой рынок станков с числовым программным управлением (ЧПУ) в 2023 году оценивался в
67,5 млрд долларов США, а к 2028 году ожидается его рост до 87,4 млрд при среднем годовом темпе 5,3%. Указанная динамика подчёркивает рост спроса на ЧПУ технологии, что делает проблему устаревших решений в сфере особенно острой. Растущие требования к качеству обработки усиливают необходимость модернизации существующего оборудования, особенно в условиях ограниченных финансовых ресурсов.
Основанием для выполнения данной работы стало выявление существенных недостатков в работе фрезерного ЧПУ-станка Aman 3040 4axis, эксплуатируемого в частной лаборатории. Устаревшие методы позиционирования рабочего органа обусловливали накопление ошибок, особенно при выполнении продолжительных операций.
В рамках подготовки проекта проведены патентные и маркетинговые исследования существующих решений, а также технический анализ возможностей модернизации оборудования с минимальными затратами. Исходными данными послужили конструктивные особенности станка и функциональные возможности программного обеспечения Mach3.
В рамках выполнения выпускной квалификационной работы была достигнута поставленная цель — разработано и технико-экономически обосновано решение по модернизации фрезерного станка с числовым программным управлением Aman 3040 4axis. Работа охватывала весь цикл инженерного проекта: от анализа исходных данных и изучения современных технологий до внедрения аппаратно-программного решения и оценки его эффективности.
На основании проведённого литературного обзора и патентных исследований были выделены наиболее перспективные направления повышения точности позиционирования рабочих органов ЧПУ-станков. Выбор технологии внедрения обратной связи с использованием оптических энкодеров и микроконтроллера Arduino Mega 2560 оказался обоснованным с точки зрения простоты, стоимости и интеграции в существующую архитектуру станка.
В технической части реализована система замкнутого контура: сигналы с энкодеров считываются контроллером, обрабатываются и передаются в систему Mach3 с помощью разработанного плагина. Проведённое тестирование показало значительное повышение точности повторяемости (с ±0,1...0,2 мм до ±0,05...0,1 мм). Статистический расчёт на основе нормального распределения продемонстрировал снижение процента брака с 13,36% до 0,26%.
Маркетинговый анализ подтвердил актуальность предложенного решения для целевых сегментов: образовательных учреждений, малых производств и инжиниринговых лабораторий. Отмечено соответствие решения 9 цели устойчивого развития ООН — развитию устойчивой и доступной промышленной инфраструктуры с использованием инновационных решений.
Таким образом, предложенная модернизация обеспечивает не только техническое улучшение оборудования, но и демонстрирует возможность создания доступных решений в условиях ограниченного бюджета. Работа может быть использована как практическое руководство по модернизации аналогичных станков и как основа для дальнейших исследований в области внедрения интеллектуальных систем управления.
