Programowanie obrabiarek CNC na przykładzie układu sterowania Sinumerik 810D/840D

Transkrypt

1 Grzegorz Nikiel Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Programowanie obrabiarek CNC na przykładzie układu sterowania Sinumerik 810D/840D Bielsko-Biała 2004

2 Spis treci WSTP ISTOTA FUNKCJONOWANIA STEROWANIA NUMERYCZNEGO WPROWADZENIE POMIARY POŁOENIA W OSIACH STEROWANYCH NUMERYCZNIE UKŁADY WSPÓŁRZDNYCH DEFINICJA UKŁADÓW WSPÓŁRZDNYCH PUNKTY CHARAKTERYSTYCZNE OBRABIARKI NAJAZD NA PUNKT REFERENCYJNY ZALENOCI POMIDZY WSPÓŁRZDNYMI WYZNACZANIE WARTOCI REJESTRÓW NARZDZIOWYCH I REJESTRÓW PPZ STRUKTURA PROGRAMU STERUJCEGO WPROWADZENIE PODSTAWOWE ADRESY NUMER BLOKU N FUNKCJE PRZYGOTOWAWCZE G FUNKCJE TECHNOLOGICZNE S, F FUNKCJE NARZDZIOWE T, D FUNKCJE POMOCNICZE (MASZYNOWE) M INNE ELEMENTY W PROGRAMIE STERUJCYM OGÓLNA STRUKTURA BLOKU OGÓLNA STRUKTURA PROGRAMU STERUJCEGO PROGRAMOWANIE RUCHÓW NARZDZI WIADOMOCI OGÓLNE INTERPOLACJA LINIOWA G INTERPOLACJA PUNKTOWA G Przykład INTERPOLACJA KOŁOWA G2/G Przykład INNE METODY PROGRAMOWANIA INTERPOLACJI KOŁOWEJ Przykład UKŁADY WSPÓŁRZDNYCH DEFINICJE, TRANSFORMACJE PROGRAMOWANIE W UKŁADZIE WSPÓŁRZDNYCH PRZEDMIOTU DEFINIOWANIE RODZAJU I JEDNOSTEK WSPÓŁRZDNYCH Współrzdne absolutne i przyrostowe Jednostki Wymiary rednicowe i promieniowe Przykład dla obróbki frezarskiej Przykład dla obróbki tokarskiej PROGRAMOWANIE Z WYKORZYSTANIEM WSPÓŁRZDNYCH KTOWYCH Przykład PROGRAMOWANIE WE WSPÓŁRZDNYCH BIEGUNOWYCH I WALCOWYCH Przykład TRANSFORMACJE UKŁADÓW WSPÓŁRZDNYCH (FRAMES) Przykład... 81

3 5. NARZDZIA WYMIARY, PARAMETRY PRACY, KOMPENSACJA PROMIENIA REJESTRY NARZDZIOWE PARAMETRY PRACY NARZDZI KOMPENSACJA PROMIENIA NARZDZIA Istota kompensacji promienia narzdzia Programowanie automatycznej kompensacji promienia Przykład Inne funkcje sterujce automatyczn kompensacj promienia Przykład OBRÓBKA GWINTÓW NA OBRABIARKACH CNC INTERPOLACJA SPIRALNA O STAŁYM SKOKU G Przykład INTERPOLACJA SPIRALNA O ZMIENNYM SKOKU G34/G NACINANIE GWINTÓW NARZDZIAMI KSZTAŁTOWYMI BEZ KODERA (G63) NACINANIE GWINTÓW NARZDZIAMI KSZTAŁTOWYMI Z KODEREM (G331/G332) OBRÓBKA POWIERZCHNI SPIRALNYCH Z UYCIEM FUNKCJI G2/G INNE FUNKCJE PRZYGOTOWAWCZE POSTÓJ CZASOWY Przykład OBSZARY ROBOCZE NAJAZD NA PUNKT REFERENCYJNY NAJAZD NA PUNKT STAŁY STEROWANIE POŁOENIEM KTOWYM WRZECIONA STEROWANIE DOKŁADNOCI RUCHU NARZDZIA PROGRAMOWANIE PARAMETRYCZNE R-PARAMETRY OBLICZENIA NA R-PARAMETRACH Przykład INSTRUKCJE STRUKTURALNE Przykład dla obróbki frezarskiej Przykład dla obróbki tokarskiej PODPROGRAMY WPROWADZENIE WYWOŁYWANIE PODPROGRAMÓW Przykład ZAAWANSOWANE METODY WYWOŁYWANIA PODPROGRAMÓW PROGRAMOWANIE CYKLI OBRÓBKOWYCH INFORMACJE PODSTAWOWE WYWOŁYWANIE CYKLI OBRÓBKOWYCH CYKLE WIERCENIA Wiercenie, nawiercanie CYCLE Wiercenie, pogłbianie CYCLE Wiercenie głbokiego otworu CYCLE Gwintowanie bez uycia uchwytu kompensacyjnego CYCLE

4 Gwintowanie z uyciem uchwytu kompensacyjnego CYCLE Rozwiercanie 1 CYCLE Rozwiercanie 2 CYCLE Rozwiercanie 3 CYCLE Rozwiercanie 4 CYCLE Rozwiercanie 5 CYCLE Rzd otworów HOLES Kołowy układ otworów HOLES Macierz prostoktna otworów CYCLE Przykład CYKLE FREZOWANIA Rowki podłune na okrgu LONGHOLE Rowki podłune na okrgu SLOT Rowek kołowy na okrgu SLOT Frezowanie kieszeni prostoktnej POCKET Frezowanie kieszeni okrgłej POCKET Przykład Frezowanie płaszczyzny CYCLE Frezowanie konturu CYCLE Frezowanie wystpu prostoktnego CYCLE Frezowanie wystpu okrgłego CYCLE Przykład CYKLE TOCZENIA Toczenie rowków CYCLE Toczenie podci obróbkowych CYCLE Cykl toczenia i wytaczania CYCLE Toczenie podcicia gwintu CYCLE Toczenie gwintu prostego CYCLE Toczenie gwintu złoonego CYCLE Przykład PRAKTYCZNE ASPEKTY PRZYGOTOWANIA PROGRAMÓW STERUJCYCH ANALIZA PRZESTRZENI ROBOCZEJ TRANSMISJA PROGRAMÓW DO UKŁADU STEROWANIA Standardy kodowania danych Transmisja szeregowa asynchroniczna Kontrola przepływu danych Przykład programu do transmisji szeregowej Niniejszego opracowania nie wolno bez zgody autora w całoci ani w czciach rozpowszechnia ani powiela za pomoc urzdze elektronicznych, mechanicznych, optycznych i innych, wprowadza do systemów umoliwiajcych jego odtworzenie w całoci lub czci Internet, Intranet. (C) Copyright by Grzegorz Nikiel, Bielsko-Biała 2004

5 WSTP Znajomo zagadnienia tworzenia programów sterujcych dla obrabiarek CNC staje si coraz bardziej podan umiejtnoci. Zrozumienie funkcjonowania układów CNC i zasad programowania nie jest szczególnie trudne. Niestety, brak na polskim rynku wydawniczym w miar aktualnych, dostosowanych do potrzeb dydaktyki publikacji na ten temat. Trudno równie o łatwo dostpne programy symulacyjne, pozwalajce na praktyczn nauk programowania. Bazujc na dowiadczeniach wyniesionych z prowadzenia zaj na Akademii Techniczno-Humanistycznej (dawniej Filii Politechniki Łódzkiej), jak równie kursów programowania i obsługi układów sterowania, w szczególnoci firmy Siemens, opracowano niniejszy skrypt. Jest on powicony programowaniu obrabiarek CNC w oparciu o popularny jzyk sterowania Sinumerik 810D/840D (f. Siemens). Obecnie to jeden z najbardziej rozbudowanych układów sterowania stosowanych w Polsce, posiadajcy ogromne moliwoci, szeroko stosowany zarówno w małych jak i duych firmach. Jest on doskonał podstaw do poznawania jzyków innych układów sterowania, podobnie jak Sinumerik najczciej bazujcych na tzw. G-kodach. W skrypcie omawiane s podstawowe zasady funkcjonowania układów sterowania CNC, przede wszystkim wynikajce z zalenoci pomidzy układami współrzdnych (rozdz. 1). Przedstawiono najwaniejsze z układów współrzdnych, jakie wymagane s do poprawnej pracy obrabiarki, sterowanej z poziomu programu sterujcego. W syntetyczny sposób zaprezentowano zagadnienia przygotowania obrabiarki do pracy w trybie automatycznym. Znajomo zagadnie z tego rozdziału nie jest wymagana dla wprowadzenia do podstaw programowania (rozdz. 2), tym niemniej na dalszych etapach nauki, jak i przy nauczaniu podstaw obsługi obrabiarek CNC okae si na pewno niezbdna. W rozdz. 2 w przystpny sposób omówiono najwaniejsze elementy programu sterujcego: blok, słowo, adres. Przedstawiono podstawowe adresy jzyka Sinumerik 810D/840D. Bardzo szczegółowo potraktowano programowanie ruchów narzdzia, w tym podstawowe rodzaje interpolacji (rozdz. 3), transformacje układów współrzdnych (rozdz. 4). Omówiono zagadnienie kompensacji promienia narzdzia dla obróbki tokarskiej i frezarskiej (rozdz. 5). Duo miejsca powicono bardziej zaawansowanym technikom programowania, takim jak programowanie parametryczne (rozdz. 8), podprogramy (rozdz. 9) i zwizanych z nimi cyklom obróbkowym jako podstawowej metodzie automatyzacji tworzenia programów sterujcych (rozdz. 10). Zaprezentowano take rozwizywanie specyficznych zagadnie, takich jak programowanie obróbki gwintów (rozdz. 6). Przedstawiono take praktyczne aspekty przygotowania programów sterujcych na tle całego procesu planowania wytwarzania (rozdz. 11). Wiele informacji zostało zilustrowanych prostymi przykładami programów obróbczych. Zostały one tak przygotowane, by w pierwszej fazie mona było metod symulacji sprawdzi przebieg programu i instrukcji w nim zawartych, a nastpnie próbowa samodzielnych zmian i modyfikacji, na bieco weryfikujc ich skutki. Do symulacji programów sterujcych zaleca si stosowa program autora niniejszego skryptu ProgMaster. Jest to przykład systemu CAM do komputerowego wspomagania projektowania programów sterujcych metod manualn, przy wykorzystaniu takich narzdzi jak programowanie dialogowe czy graficzne

6 programowanie cigów konturowych. Szerzej moliwoci programu opisano w dołczonej do niego dokumentacji. Wersja ProgMastera, przeznaczona do celów edukacyjnych, dołczona została w formie załcznika. Autor

7 1. ISTOTA FUNKCJONOWANIA STEROWANIA NUMERYCZNEGO 1.1. Wprowadzenie Historia obrabiarek ze sterowaniem numerycznym (NC, ang. Numerical Control) przekroczyła ju 50 lat pierwsza powstała w MIT w Bostonie w roku 1953 (Rys. 1). Przez pół wieku znacznie zmieniły si cechy zewntrzne obrabiarek NC, ich kinematyka i moliwoci obróbkowe, jednak idea funkcjonowania pozostała bez zmian. Jedyn istotn zmian było zastosowanie na pocztku lat 70-tych komputera jako jednostki wykonawczej (CNC, ang. Computer Numerical Control), co znacznie zwikszyło funkcjonalno układów sterowania i spowodowało ich upowszechnienie, nie tylko w sterowaniu obrabiarek. Dzisiaj coraz czciej uywa si pojcia NC w stosunku do układów CNC, cho konstrukcyjnie róni si one od układów NC starszych generacji, coraz rzadziej pracujcych w przemyle. Rys. 1. Pierwsza obrabiarka ze sterowaniem numerycznym (NC) Z punktu widzenia automatyki sterowanie CNC jest układem automatycznej regulacji programowej (std uywane w jzyku polskim pojcie sterowanie nie jest w pełni poprawne), pracujcym w zamknitej ptli sprzenia zwrotnego (Rys. 2). Warto zadana połoenia (Z zad ) elementów ruchomych obrabiarki (np. suportu) w danej osi sterowanej numerycznie (Z) jest wyznaczana na podstawie programu. Nastpnie jest ona porównywana z wartoci rzeczywist połoenia (Z rz ), mierzon przez przetwornik pomiarowy (C). Na podstawie rónicy pomidzy wartoci zadan a rzeczywist połoenia w osi SN układ sterowania (CNC) generuje sygnał sterujcy

8 (S), kierowany do napdu osi (M), korygujc tym samym jej połoenie a do uzyskania zerowej rónicy pomidzy wartoci zadan a rzeczywist połoenia osi (Z rz Z zad ). Rys. 2. Schemat ideowy sterowania numerycznego NC Istot funkcjonowania obrabiarek CNC jest zatem przyjcie załoenia o istnieniu pewnego układu współrzdnych, w którym odbywa si sterowanie. Jest to najprostszy sposób na okrelanie wzgldnych połoe narzdzia i przedmiotu obrabianego, wymaganych dla przeprowadzenia obróbki i uzyskania odpowiednich jej rezultatów. Pojcie numeryczny naley wic obecnie kojarzy ze współrzdnymi (o wartociach liczbowych, numerycznych). Naley jednak pamita, e ródłem nazwy numeryczny była posta programu sterujcego, opisana w postaci kodów numerycznych (np. ASCII, ISO, EIA). Na podstawie powyszych informacji mona poda dwie najwaniejsze cechy układów sterowania CNC: s to układy sterowania programowego program opisuje zarówno parametry technologiczne obróbki (posuwy, prdkoci skrawania, chłodzenie, itp.) jak i geometryczne (połoenia zespołów ruchomych obrabiarki w trakcie obróbki); s to układy o elastycznej postaci programu sterujcego wymóg sterowania programowego jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczajcym. Warunkiem tym jest taka posta programu sterujcego, aby łatwo i szybko mona było j zmodyfikowa (np. w celu usunicia błdów lub zmiany wymiarów obrabianego przedmiotu). Warunek ten nie jest moliwy do spełnienia w takich układach sterowania programowego, jak np. sterowanie krzywkowe. Elastyczna posta programu sterujcego predestynuje zatem obrabiarki CNC do produkcji o charakterze rednio i małoseryjnym (cho nie wyklucza wielkoseryjnej

9 i masowej), dominujcej w dzisiejszym przemyle. Elastyczno obrabiarek CNC to główna przyczyna ich szerokiego stosowania. Przez program sterujcy w układach CNC rozumie si zatem plan zamierzonej pracy obrabiarki, majcej na celu wykonanie przedmiotu o danych kształtach, wymiarach i chropowatoci powierzchni. Składa si z nastpujcych informacji, zapisanych w postaci alfanumerycznej: Geometrycznych, dotyczcych kształtów i wymiarów, obejmujcych opis toru ruchu narzdzi; Technologicznych, dotyczcych warunków obróbki: narzdzia, prdko skrawania i posuw, pomocnicze. Informacje technologiczne na ogół s konsekwencj planu procesu, ustalajcego wykaz zabiegów, narzdzia w nich uczestniczce, warunki ich pracy itp. W duym stopniu wynikaj one take z dowiadczenia programisty. Znacznie trudniejsze jest sprecyzowanie czci geometrycznej programu sterujcego. Jest to w znacznym stopniu uwarunkowane rodzajem obróbki jak i informacjami zawartymi w dokumentacji konstrukcyjnej przedmiotu obrabianego. Duy wpływ maj take moliwoci samego układu sterowania dostpne sposoby wyraania współrzdnych, dostpne cykle obróbkowe, kompensacja promienia narzdzia itp. W przypadku prostej obróbki (np. toczenie) zapis programu sterujcego moe w całoci odby si metod rczn lub w tylko niewielkim stopniu wspomagan komputerowo, czsto ograniczajc si do symulacji programu. Dla obróbki powierzchni swobodnych stosuje tylko automatyczne generowanie programu sterujcego przy pomocy systemów CAM (bardzo obszerne programy wymagajce duego nakładu obliczeniowego). Niezalenie od metody programowania znajomo struktury programu wydaje si by niezbdny (np. do zdefiniowania postprocesorów w systemach CAM). Dokładny opis struktury programu i jego elementów składowych omówiono zatem w dalszej czci niniejszego skryptu. Programowanie polega wic przede wszystkim na zapisie ruchów wykonywanych przez obrabiark w trakcie obróbki. Ruchy te mog mie dwojaki charakter: sterowane w sposób cigły (cigły pomiar połoenia, cigłe sterowanie napdem), s one ogólnie nazywane osiami sterowanymi numerycznie (SN). S to ruchy zarówno liniowe (oznaczane symbolami X, Y, Z,...) jak i obrotowe (oznaczane symbolami A, B, C,...). Stanowi one zasadnicz cz programu sterujcego a funkcje je obsługujce stanowi standard jzyka układu sterowania, zaprojektowany przez producenta układu sterowania. sterowane w sposób dyskretny (typu włcz wyłcz, obroty w lewo obroty w prawo itp.). Ich realizacja ma w programie sterujcym charakter pomocniczy (np. obsługa silnika pompki chłodziwa, zamykanie otwieranie podtrzymki, uruchamianie podajnika prta, wymiana palet itp.) dlatego s obsługiwane przez specjaln grup funkcji, zwanych pomocniczymi. Cz funkcji pomocniczych stanowi standard jzyka układu sterowania (opis w dokumentacji jzyka), wikszo jednak jest implementowane przez producenta obrabiarki w zalenoci od fizycznych urzdze na niej zainstalowanych (opis w dokumentacji techniczno-ruchowej obrabiarki).

10 Z osi sterowan numerycznie zwizany jest zawsze oddzielny napd (silnik, siłownik) jak i układ pomiarowy. Te cechy odróniaj obrabiarki CNC od innych rodzajów obrabiarek, gdzie napd najczciej jest scentralizowany. Na Rys. 3, Rys. 4 i Rys. 5 pokazano typowe obrabiarki CNC wraz z układem i typowymi oznaczeniami osi sterowanych numerycznie. Rys. 3. Układ i oznaczenia osi sterowanych numerycznie dla frezarki pionowej

11 Rys. 4. Układ i oznaczenia osi sterowanych numerycznie dla frezarki poziomej Rys. 5. Układ i oznaczenia osi sterowanych numerycznie dla tokarki

12 Inne cechy, charakterystyczne dla obrabiarek CNC, to (s one szerzej omawiane w innych publikacjach): Bezstopniowa regulacja prdkoci obrotowej i posuwów; Napd przenoszony za pomoc rub tocznych; Eliminowanie prowadnic lizgowych na rzecz tocznych; Eliminowanie przekładni zbatych; Kompaktowa konstrukcja o zamknitej przestrzeni roboczej; Konstrukcja modułowa o elastycznie dobieranej konfiguracji elementów składowych; Mała podatno statyczna i dynamiczna; Automatyczny nadzór i diagnostyka; Dua moc (jako suma mocy poszczególnych napdów); Osiganie znacznych wartoci parametrów obróbki (np. due prdkoci obrotowe); Obróbka równoległa z wykorzystaniem wielu wrzecion i/lub suportów narzdziowych; Złoona kinematyka pracy (uchylne głowice narzdziowe, stoły obrotowo-uchylne, obróbka picioosiowa, obrabiarki o strukturze równoległej); Magazyny narzdziowe z automatyczn wymian narzdzi; Systemy narzdziowe z narzdziami składanymi; Nowoczesne materiały narzdziowe; Automatyczny pomiar narzdzi; Kodowanie narzdzi; Automatyczna wymiana przedmiotu obrabianego; Automatyczny pomiar przedmiotu obrabianego; Automatyczne usuwanie wiórów. Wystpowanie powyszych cech w konkretnej obrabiarce czsto zaley od tego, w jak duym stopniu jest ona przystosowana do pracy autonomicznej (bez obsługi człowieka) Pomiary połoenia w osiach sterowanych numerycznie Jak wspomniano w poprzednim rozdziale, pomiar połoenia to warunek konieczny poprawnego funkcjonowania osi sterowanej numerycznie. Układy pomiaru połoenia mona podzieli na dwie grupy: z bezporednim pomiarem połoenia czujnik pomiarowy mierzy wprost połoenie danego elementu obrabiarki (np. suportu) na Rys. 6 pokazano pomiar połoenia suportu liniowego za pomoc liniału i przetwornika optoelektronicznego. z porednim pomiarem połoenia czujnik pomiarowy mierzy pewn wielko porednio zwizan z połoeniem danego elementu obrabiarki, na podstawie której to połoenie jest wewntrznie obliczane przez układ pomiarowy. Dla przykładu na Rys. 7 pokazano pomiar poredni połoenia suportu liniowego za pomoc ktowego przetwornika pomiarowego, gdzie na podstawie połoenia ktowego ruby przemieszczajcej suport i znajomoci jej skoku jest obliczane jego połoenie.

13 Rys. 6. Pomiar bezporedni połoenia Rys. 7. Pomiar poredni połoenia Ze wzgldu na charakter pracy układy pomiaru połoenia mona podzieli na dwa rodzaje: absolutne układy pomiaru połoenia (Rys. 8a) sygnał wyjciowy przetwornika pomiarowego wprost zawiera informacj (najczciej w postaci zakodowanej, np. w kodzie binarnym, Graya, Wattsa) o mierzonym połoeniu. Działanie takie pozwala na stałe ustalenie punktu zerowego osi sterowanej numerycznie, działanie układu pomiarowego nie wymaga dodatkowych czynnoci po włczeniu zasilania

14 obrabiarki. Wad układów absolutnego pomiaru połoenia jest bardziej skomplikowana budowa ni układów przyrostowych (a wic i wyszy koszt) dlatego s one rzadko stosowane. przyrostowe (inkrementalne) układy pomiaru połoenia (Rys. 8b) sygnał wyjciowy przetwornika jest cigiem impulsów (umownie mona je nazwa jako 0 i 1), które wprost nie nios informacji o absolutnym połoeniu, ale o przyrostowej zmianie połoenia w osi sterowanej numerycznie. Zasadniczo układ pomiarowy działa jako licznik impulsów (Rys. 9). Na podstawie stanu licznika (liczby impulsów N) oraz znajomoci wartoci działki elementarnej λ liniału pomiarowego obliczana jest zmiana połoenia ( X), a połoenie rzeczywiste w osi SN (X rz ) jest sum wartoci współrzdnej połoenia poprzedniego (X 0 ) i zmiany połoenia w osi SN ( X). Wad tych układów jest płynne połoenie punktu zerowego, co powoduje konieczno wykonywania tzw. zerowania osi po włczeniu zasilania obrabiarki. Tym niemniej ze wzgldu na prostsz konstrukcj i niszy koszt s one powszechnie stosowane w obrabiarkach CNC. Zasada pracy układów przyrostowych opiera si na wykorzystaniu liniału z naprzemiennie połoonymi polami o zmiennej charakterystyce optycznej, indukcyjnej czy pojemnociowej. Przesuwajcy si wzgldem liniału przetwornik pomiarowy przetwarza zmiany strumienia wiatła, indukcyjnoci czy pojemnoci elektrycznej na zmienny sygnał wyjciowy, najczciej w postaci napicia elektrycznego, przekazywanego do liczników przetwarzajcych ten sygnał (Rys. 6). Rys. 8. Absolutny (a) i przyrostowy (b) pomiar połoenia

15 Rys. 9. Przyrostowy pomiar połoenia w układzie sterowania CNC Stosowanie przyrostowych układów pomiarowych wie si z dwoma istotnymi problemami: nie posiadaj stałego połoenia punktu zerowego, co wyklucza powtarzalno pracy obrabiarki CNC po kadym włczeniu zasilania punkt zerowy osi SN znajdowałby si w innym miejscu (zalenym od aktualnego połoenia zespołów ruchomych obrabiarki) z uwagi na automatyczne zerowanie liczników impulsów pomiarowych; aby wyeliminowa t wad na liniale pomiarowym nanosi si specjalny znacznik (moe to by np. wyłcznik drogowy) o stałym połoeniu (a wic i stałej wartoci absolutnej współrzdnej). Nosi on nazw punktu referencyjnego (oznaczany jako R). Połoenie tego punktu jest mierzone przez producentów obrabiarek od umownie przyjtego punktu zerowego danej osi SN (zwanego punktem maszynowym M) i wprowadzane do pamici układu sterowania. Po kadorazowym uruchomieniu obrabiarki, kiedy połoenia jej zespołów ruchomych s przypadkowe (Rys. 10a) pierwsz czynnoci jest przemieszczenie ich do punktu referencyjnego (Rys. 10b), co nazywane jest najazdem na punkt referencyjny, zerowaniem, bazowaniem. W tym połoeniu nastpuje zerowanie liczników odczytujcych połoenie i wprowadzanie do nich wartoci odpowiadajcych pobranym z pamici połoeniom referencyjnym (Rys. 10c). Tym samym jest okrelone stałe, niezmienne w czasie połoenie punktu zerowego osi SN, umoliwiajce stosowanie absolutnego układu współrzdnych.

16 Rys. 10. Zasada najazdu na punkt referencyjny osi SN: a - po włczeniu obrabiarki, b - najazd na punkt referencyjny R, c - ustawienie punktu zerowego w punkcie maszynowym M przyrostowe układy pomiarowe posiadaj stosunkowo du warto podziałki elementarnej λ (rzdu 0,1 0,01 mm), co powodowałoby mał dokładno odczytu wartoci połoenia; dodatkowo oprócz odczytu zmiany wartoci połoenia w osi SN powinna by równie podana informacja o kierunku tej zmiany (znak wartoci X na Rys. 10c). W tym celu stosuje si zwielokrotnione układy przetworników pomiarowych (minimum dwa) Rys. 11. Dodatkowo wane jest ich wzajemne połoenie, przesunite w fazie o ¼ długoci działki elementarnej λ. Efekt tego przesunicia jest widoczny na wykresach sygnałów wyjciowych przetworników, zamieszczonych na Rys. 12. Kierunek przesunicia elementu ruchomego jest wykrywany poprzez analiz kolejnoci impulsów z przetworników (Rys. 12a). Jeeli w sytuacji jak na rysunku przemieszczenie nastpi w lewo to pierwszy zawsze wystpi impuls z przetwornika P2, w przeciwnym przypadku z przetwornika P1. Z kolei zwikszona dokładno odczytu połoenia zwizana jest z wykorzystaniem rónicy sygnałów z obu przetworników (Rys. 12b). Zbliona do liniowej charakterystyka tego sygnału za pomoc interpolacji pozwala mierzy połoenie z dokładnoci 10, a nawet 100 razy wiksz, ni podziałka elementarna λ układu pomiarowego.

17 Rys. 11. Zwielokrotniony układ przetworników pomiarowych przy przyrostowym pomiarze połoenia w osi SN

18 Rys. 12. Przebiegi sygnałów na przetwornikach pomiarowych w układzie zdwojonym: a - teoretyczne, b - rzeczywiste 1.3. Układy współrzdnych Podstaw do programowania jest zdefiniowanie układu współrzdnych, dziki któremu moliwe jest zadawanie współrzdnych połoe elementów ruchomych obrabiarki CNC. W rzeczywistoci na kadej obrabiarce istnieje wiele rónych układów współrzdnych. Na szczególn uwag zasługuj trzy z nich: Maszynowy układ współrzdnych; Bazowy (podstawowy) układ współrzdnych; Układ współrzdnych przedmiotu. 1. Maszynowy układ współrzdnych (MKS, niem. Maschinen Koordinaten Systeme) układ współrzdnych zbudowanych z osi sterowanych numerycznie obrabiarki lub innego urzdzenia sterowanego numerycznie (Rys. 3, Rys. 4, Rys. 5), zdefiniowany przez prowadnice, łoyskowanie i inne elementy konstrukcji obrabiarki. W tym układzie odbywa si sterowanie, tylko w tym układzie osie posiadaj niezalene napdy i układy pomiarowe. Współrzdne zadane w innych

19 układach współrzdnych s przeliczane na układ maszynowy przez sterownik CNC i na odwrót biece współrzdne maszynowe s przeliczane na inne układy współrzdnych. Układ maszynowy moe by układem prostoktnym, walcowym, sferycznym lub o złoonym charakterze (np. w robotach). Układ maszynowy jest odniesiony do konstrukcji konkretnej obrabiarki i nie jest objty normami. W układzie maszynowym s podane współrzdne punktu referencyjnego (R), punkty wymiany narzdzi, punkty wymiany palet itp. Osie maszynowego układu współrzdnych mog by oznaczane kolejnymi cyframi (1, 2, 3.., AX1, AX2,...) lub oznaczeniami podobnymi do osi pozostałych układów współrzdnych (np. X, Y, Z, X1, Y1, Z1) Rys. 13. Układ maszynowy jest układem rzeczywistym, tj. obarczonym rónego rodzaju błdami wykonawczymi nieprostoliniowo osi, nieprostopadło osi, błdy podziałki itp. Rys. 14. Obróbka przy wykorzystaniu takiego układu wyklucza uzyskanie wysokiej jakoci produktów. Jeeli jednak wspomniane błdy s znane przez układ sterowania to drog programow mog zosta skompensowane (nie jest to moliwe na obrabiarkach konwencjonalnych). Rys. 13. Maszynowy układ współrzdnych na przykładzie tokarki Rys. 14. Rzeczywisty układ osi maszynowych (przykład)

20 2. Bazowy (podstawowy) układ współrzdnych (BKS, niem. Basis Koordinaten Systeme) prostoktny, prawoskrtny układ współrzdnych, stanowicy podstaw do programowania (Rys. 15). Jest odniesiony do przedmiotu zamocowanego na obrabiarce, traktowanego jako nieruchomy, przy poruszajcym si narzdziu (zakłada si wzgldny ruch narzdzia wzgldem przedmiotu obrabianego). Jest zwizany z układem maszynowym poprzez transformacje kinematyczne, odwzorowujce układ bazowy na osie maszynowe (np. osie sferycznego układu współrzdnych robota, transformacja we frezarce 5-osiowej itp.). W najprostszym przypadku układ bazowy (tokarki, frezarki) jest tosamy z układem maszynowym brak transformacji kinematycznych. W tym układzie s definiowane korektory narzdziowe, wyznaczana jest kompensacja promienia narzdzia, wyznaczane s transformacje układu przedmiotu, ustawiane s granice obszaru obróbki oraz wykonywane s wszystkie obliczenia toru ruchu narzdzia. Słuy on zatem przede wszystkim układowi CNC. Wymagania stawiane układowi bazowemu s unormowane, szerzej zostanie to omówione w dalszej czci skryptu. Układ bazowy jest zdefiniowany przez producenta układu sterowania, zadaniem producenta obrabiarki, któr on steruje, jest powizanie układu maszynowego i bazowego (poprzez tzw. dane maszynowe). Rys. 15. Bazowy układ współrzdnych 3. Układ współrzdnych przedmiotu (WKS, niem. Werkstück Koordinaten Systeme) prostoktny, prawoskrtny układ współrzdnych, zwizany z przedmiotem obrabianym, słucy do programowania obróbki, zapisanej w postaci programu sterujcego (Rys. 16). Jest przekształconym układem bazowym poprzez definicj tzw. FRAMES, bdcych matematycznymi formułami matematycznymi, przekształcajcymi układy współrzdnych z wykorzystaniem czterech podstawowych działa: Translacji o wektor; Obrotu wokół osi; Symetrii osiowej (odbicia lustrzanego); Skalowania osi.

21 Zapis matematyczny tych działa jest realizowany z wykorzystaniem rachunku macierzowego. Wybór układu współrzdnych przedmiotu zaley od sposobu jego wymiarowania, moliwe jest uycie w jednym programie sterujcym kilku rónych układów współrzdnych przedmiotu. Rys. 16. Układ współrzdnych przedmiotu (WKS) 1.4. Definicja układów współrzdnych Przy definicji układów współrzdnych (dotyczy to przede wszystkim układu bazowego i przedmiotu) s stosowane pewne zasady, pozwalajce na ich unifikacj. Zasady te s zawarte w normach. W Polsce jest to norma M-55251, oparta na normie DIN oraz na normach midzynarodowych (ISO). Podstawowe zasady definiowania układów współrzdnych s nastpujce: Osie układu współrzdnych s odniesione do przedmiotu obrabianego; Przyjmuje si przedmiot obrabiany za nieruchomy, porusza si tylko narzdzie (układ współrzdnych moe si przemieszcza z przedmiotem obrabianym); Podstawowym układem jest prostoktny, prawoskrtny układ współrzdnych (Rys. 17); Za podstawowe przyjmuje si nazwy osi liniowych X, Y i Z. W szczególnych przypadkach osie mog przyjmowa inne nazwy, np. U, V, W, P, Q, R; Sterowane numerycznie osie obrotowe przyjmuj nazwy A, B, C. S one zwizane z osiami liniowymi (A obrót wokół X, B wokół Y, C wokół Z). Zwroty dodatnie przyjmuje si zgodnie z reguł ruby prawoskrtnej; Jeeli osie zwizane s z ruchem przedmiotu obrabianego przyjmuj indeks (np. X ) i zwrot przeciwny do zwrotu danej osi sterowanej numerycznie (np. X).

22 Rys. 17. Układ i oznaczenia osi prostoktnego, prawoskrtnego układu współrzdnych Definicja układu współrzdnych obejmuje trzy fazy (Rys. 18): 1. Kierunki osi: W pierwszej kolejnoci definiuje si kierunek osi Z, który powinien by zgodny lub pokrywa si z osi wrzeciona głównego (przedmiotowego lub narzdziowego). W drugiej kolejnoci definiuje si kierunek osi X. Jest on prostopadły do kierunku osi Z i na ogół ley w płaszczynie równoległej do płaszczyzny mocowania przedmiotu lub prowadnic obrabiarki zwizanych ze stołem przedmiotowym. W trzeciej kolejnoci wyznacza si kierunek osi Y korzystajc z właciwoci prostopadłoci osi układu współrzdnych. 2. Zwroty osi: za zwrot dodatni osi uwaa si taki, z którym zwizany jest ruch od strony przedmiotu obrabianego (ruch do materiału wg ujemnego zwrotu osi). Zwroty osi naley tak ustali, aby spełniały warunek prawoskrtnoci (reguła ruby prawoskrtnej lub prawej dłoni Rys. 19). Rys. 18. Definiowanie kierunków i zwrotów osi układu współrzdnych na przykładzie tokarki

23 Rys. 19. Zasada prawej dłoni przy wyznaczaniu zwrotów osi 3. Punkty zerowe układu współrzdnych i punkty, których współrzdne s kodowane w danym układzie współrzdnych: przyjmuje si pewne punkty charakterystyczne dla kadej maszyny NC, omówione w nastpnym rozdziale Punkty charakterystyczne obrabiarki Kada obrabiarka posiada charakterystyczne punkty, odnoszce si do zdefiniowanych układów współrzdnych. Najwaniejsze z nich to [PN-ISO 3002] Rys. 20, Rys. 21: M punkt maszynowy (niem. Maschinen-Nullpunkt); punkt pocztku maszynowego układu współrzdnych MKS (równoczenie równie układu bazowego BKS). Jego połoenie jest ustalane przez producenta obrabiarki, na ogół cile zwizane z jej konstrukcj. Do niego odnoszone s pozostałe punkty charakterystyczne. W punkt zerowy przedmiotu (niem. Werkstück-Nullpunkt). Punkt pocztku układu współrzdnych przedmiotu WKS, ustalany w sposób dowolny przez programist. Warunkiem poprawnej pracy obrabiarki jest wprowadzenie do układu sterowania informacji o połoeniu tego punktu. R punkt referencyjny (niem. Referenzpunkt). Punkt o znanej odległoci od punktu maszynowego M, słucy do ustalenia połoenia punktu pocztku osi układu maszynowego MKS (bazowego BKS). Jego połoenie ustala producent obrabiarki. F punkt odniesienia zespołu narzdziowego. Punkt kodowy, którego współrzdne s podawane w układzie współrzdnych MKS (BKS). Połoenie tego punktu zwizane jest z konstrukcj obrabiarki. Dla celów programowania obróbki znajomo połoenia tego punktu nie ma istotnego znaczenia co zostanie P wyjanione w dalszych rozdziałach. punkt kodowy narzdzia. Punkt, którego współrzdne s zadawane w programie sterujcym. połoenie tego punktu przyjmuje programista obrabiarki w zalenoci od rodzaju narzdzia i jego przeznaczenia. Warunkiem poprawnej pracy obrabiarki jest wprowadzenie do układu sterowania informacji o połoeniu tego punktu. Ww punkt wymiany narzdzia (niem. WerkzeugWechselpunkt). W tym punkcie musi znale si punkt kodowy F aby w sposób prawidłowy i bezpieczny dokona wymiany narzdzia (nie jest to wymagane dla wszystkich obrabiarek).