Cechy konstrukcyjne nowoczesnych obrabiarek CNC. Uchwyty przedmiotu obrabianego. Urządzenia wymiany narzędzi. Materiały szkoleniowe. Opracował: mgr inż. Wojciech Kubiszyn
1. Cechy konstrukcyjne nowoczesnych obrabiarek Obrabiarka sterowana numerycznie jest to obrabiarka w której obróbka odbywa się w trybie automatycznym w układzie otwartym lub zamkniętym z symbolicznym zapisem informacji. Celem jest wykonywanie określonych zadań technologicznych. Rysunek 1. Obrabiarka sterowana numerycznie. Konfiguracja obrabiarki CNC obejmuje wymianę informacji pomiędzy: układem sterowania numerycznego NC który odczytuje zapisane w formie symbolicznej kody opisujące ruch oraz informacje technologiczne. programowalny sterownik logiczny PLC interfejs przetwarzający sygnał z układu nc na język UDS układ dopasowująco sterujący UDS steruje układami wykonawczymi obrabiarki. obrabiarka Napędy suportów Napędy wrzeciona Zaciski prowadnic Sterowanie chłodziwem Inne UDS NC PLC Sygnały z przetworników pomiarowych Wyłączniki krańcowe Inne Rysunek 2. Poglądowy schemat działania obrabiarek cnc. 1 Sterowanie w układzie zamkniętym w układzie tym występuje sprzężenie zwrotne pomiędzy czujnikami pomiarowymi obrabiarki a układem sterowania NC.
Powoduje to iż wszystkie zakłócenia zewnętrzne mające miejsce w czasie obróbki są wychwycone wcześniej dzięki czemu system sterowania może wprowadzić korekty obróbcze. Sterowanie w układzie otwartym nie posiada sprzężenia zwrotnego w wyniku czego wszystkie czynniki zewnętrzne powodujące błędną obróbkę możemy usunąć po wykonaniu detalu. Elementy odróżniające obrabiarkę cnc od konwencjonalnej przedstawia rysunek Rysunek 3. Różnice pomiędzy obrabiarką CNC a konwencjonalną. 1 Obrabiarki sterowane numerycznie- układ sterowania numerycznego przetwarza sygnały sterujące odpowiednimi mechanizmami i zespołami maszyny, każdy zespól, suport czy wrzeciono są napędzane oddzielnymi silnikami z bezstopniową regulacją obrotów. Dokładność wymiarowa uzyskiwana jest przez pomiar położenia narzędzia powiązanego z układem sterowania za pomocą sprzężenia zwrotnego. Powoduje to iż wszystkie nieprawidłowości pomiarowe są wychwycone i przekazane do układu sterowania jeszcze przed obróbką. Powoduje to iż błędy obróbki są korygowane jeszcze przed obróbką. Obrabiarki konwencjonalne - układ sterowania ręczny wszystkie wymiary uzyskujemy przez ręczne ustawienia pokręteł dźwigni obrabiarki. Do napędu suportu czy wrzeciona stosowane są silniki z zapewniające stała prędkość obrotową zaś jej zmianie uzyskujemy za pomocą odpowiednich przełożeń w skrzynkach przekładniowych.
Zalety obrabiarek sterowanych numerycznie:. Bezstopniowa regulacja prędkości obrotowej i posuwów, Osiąganie znacznych parametrów obróbki, Obróbka z wykorzystaniem wielu wrzecion i suportów narzędziowych, Złożona kinematyka: uchylne głowice narzędziowe, stoły obrotowo uchylne, obróbka pięcioosiowa, Magazyny narzędziowe z automatyczną wymianą narzędzia, Automatyczny pomiar przedmiotu obrabianego, Automatyczna wymiana narzędzia itp. 1.1 Zasada sterowania numerycznego Najprostszy sposób sterowani numerycznego w dwóch osiach przedstawia rysunek 4. Program sterujący rozkodowywany jest w układzie cnc i przesyłany za pomocą odpowiednich impulsów do interpolatora który przekształca te impulsy na określone przyrosty współrzędnych w osiach z i x. Położenie suportów mierzone jest w danej chwili za pomocą układów pomiarowych. W przypadku wystąpienia różnicy pomiędzy położeniem zadanym przez interpolator a położeniem odczytanym z urządzeń pomiarowych silnik odpowiedzialny za położenie w danej osi zaczyna się obracać i przesuwa za pośrednictwem przekładni śrubowej odpowiedni suport do uzyskania odpowiedniej wartości położenia. W przypadku osiągnięcia położenia zadanego następuje zatrzymanie posuwu. Układy napędowe stosowane w cnc pracują w układzie automatycznej regulacji zwane serwo mechanizmami lub serwonapędami. Zasada działania takich urządzeń polega na tym ze potrzebują do wykonania ruchu niezerowej różnicy pomiędzy chwilowym położeniem zadanym a rzeczywistym Powoduje to ze stół lub suport obrabiarki opóźniają się względem punktu określającego ich zadane położenie. Wielkość tego opóźnienia nosi nazwę uchybu nadążania. Ważne jest aby uchyb nie przekraczał wartości dopuszczalnych czyli tolerancji wymiarowej oraz był jednakowy we wszystkich osiach. Rysunek 4 Zasadza działania układu numerycznego. 3
Obróbka przedmiotów wymaga stosowania regulowanych osi posuwowych napędzanych niezależnie przez silniki serwopędne. Obecne obrabiarki sterowane numeryczne posiadają od dwóch, trzech i więcej osi ruchów posuwowych. Dzięki którym można wykonywać różne skomplikowane kształty. Podstawowe ruchy osi przedstawiają rysunki: Rysunek 5. Ruchy osi obrabiarek CNC 3 Poza ruchami wzdłuż osi X Y Z stosowane są ruchy obrotowe wokół tych osi realizowane przez wrzeciennik suport czy stół oznaczamy jest literami A,B,C. Podczas obróbki sanie narzędziowe i stół z przedmiotem obrabianym przemieszczają się w założonych kierunkach. Urządzeniom tym stawia się wysokie wymagania zmierzające do uzyskania dużej dokładności i powtarzalności w krótkim czasie obróbki. W celu spełnienia postawionych kryteriów napęd obrabiarki musi składać się z następujących elementów: Silnik, sprzęgło przeciążeniowe, układ sterowania elektronicznego, Przekładnia śrubowo toczna, Czujnik pomiarowy ( pomiar przemieszczenia), Wzmacniacz mocy. W celu właściwej i funkcjonalnej pracy obrabiarek sterowanych numerycznie napędy ruchu posuwowego muszą być połączone z układem pomiarowym.
Każda oś musi posiadać swoje urządzenie pomiarowe (układ pomiaru przemieszczenia) z automatyczną oceną sygnału pomiarowego. Dokładność pomiarowa wynosi od 0,001 wymiary długościowe w tokarkach, wymiary średnicy 0,0005 zaś w przypadku szlifierek precyzyjnych dokładność pomiarów wynosi nawet 0,0001. Pomiar dokonywany jest na podstawie przesuwu śruby tocznej przesuwającej sanie narzędziowe lub sanie stołu przedmiotu obrabianego. 1.2 Pomiary położenia w osiach sterowanych numerycznie Obrabiarki sterowane numerycznie posiadają własne narzędzia pomiarowe mówiąc pomiarowe mamy na myśli odczytujące położenia narzędzia w danym momencie w celu ustawienia go do wykonywania obróbki zgodnej z napisanym programem obróbkowym. Możemy wyróżnić pomiary pozycji bezpośrednie i pośrednie, absolutne czyli całościowe oraz inkrementalne czyli przyrostowe. Pomiar bezpośredni- czujnik pomiarowy mierzy bezpośrednio na umieszczonej np. na stole obrabiarki skali położenie stołu. Czujnik zamienia odczytane wartości w odpowiedni sygnał i przekazuje do układu sterowania ( rys.6). Rysunek 6 Schemat pomiaru bezpośredniego 3. Pomiar pośredni - czujnik pomiarowy mierzy wielkość związaną z położeniem danego elementu na podstawie której wielkość pożądana jest obliczana przez układ pomiarowy. Na rysunku 7 przedstawiono pomiar położenia suportu liniowego. Pomiar położenia odbywa się za pomocą znajomości położenia kątowego śruby i skoku gwintu śruby. Dane te służą do obliczania przez przetwornik pomiarowy położenia stołu z materiałem do obróbki. Absolutne układy pomiaru położenia położenie suportu narzędziowego lub stołu obrabiarki jest odczytywane na podstawie stałego ptk zerowego obrabiarki która zaopatrzona jest w skale odpowiednio zakodowaną (rys. 8 a)
Rysunek 7 Schemat pomiaru pośredniego 3. Inkrementalne ( przyrostowe) układy pomiaru położenia przy pomiarze stosuje się skale kreskową zawierającą jasne i ciemne pola podczas ruchu czujnik odczytuje liczbę jasnych i ciemnych pół wyliczając położenie san z różnicy poprzedniej pozycji (rys 8 b). Rysunek 8. Pomiar absolutny a), pomiar przyrostowy b) 3.
2. Uchwyty przedmiotu obrabianego. Uchwyty przedmiotu obrabianego służą do sztywnego i stabilnego zamocowania przedmiotu we wrzecionie obrabiarki w przypadku toczenia oraz na stole frezarki podczas frezowania. Istnieje dużą liczba uchwytów zapewniająca pewność zamocowania ( pozbawienie luzów, przeciwstawianie się siłom obróbki). Do uniwersalnych uchwytów tokarskich zaliczamy: Uchwyty szczękowe z zamocowaniem ręcznym,- obr. konwencjonalne. Uchwyty szczękowe z zamocowaniem mechanicznym,- obr. cnc, Trzpienie tokarskie, Uchwyty z tulejami zaciskowymi, Uchwyty obrotowe elektromagnetyczne i magnetyczne, Uchwyty obrotowe do zamocowania za pomocą próżni. Rysunek 9. Uchwyty tokarskie. Uchwyty szczękowe z zamocowaniem mechanicznym Z tyłu wrzeciennika umieszczony jest siłownik hydrauliczny lub pneumatyczny który przenosi napęd na szczeki. Ruch siłownika powoduje przesuniecie szczęki. Trzpienie tokarskie stosowane do obróbki zewnętrznych powierzchni walcowych dzielą się na: Trzpienie tokarskie stałe Trzpienie tokarskie rozprężne Trzpienie z tuleją rozprężną, Trzpienie ze sprężynami krążkowymi, Trzpienie z tuleją cienkościenna Trzpienie z wkładkami płytkowymi.
Uchwyty z tulejami zaciskowymi służą a do mocowani prętów lub wałków krótkich. Uchwyty obrotowe elektromagnetyczne i magnetyczne wykorzystywane są do obróbki powierzchni czołowych, zaś uchwyty do mocowania za pomocą próżni stosowane do obróbki materiałów nie magnetycznych. Przy frezowaniu najważniejszą funkcją uchwytów jest właściwe ustalenie przedmiotu obrabianego dlatego przedmiot powinien być tak umocowany aby w każdej chwil można było w sposób łatwy, szybki, właściwy i dokładny ustawić przedmiot zachowując jego powtarzalną wymianę. Najczęściej do prostych prac frezarskich wykorzystujemy uchwyty o hydraulicznym ścisku szczęk. Przy obróbce wielu powierzchni powinno się dążyć aby zminimalizować ilość zamocowań przedmiotu obrabianego. W przypadku bardzo skomplikowanych przedmiotów wytwarza się uchwyty lub zestawia z gotowych zestawów takie uchwyty które doprowadzą do jak najmniejszej liczby przemocowań detalu. Do podstawowych uchwytów frezarskich zaliczamy: Uniwersalne uchwyt frezarskie Imadła maszynowe stałe maszynowe, uchylne w trzech osiach, do wałków. Uchwyty magnetyczne Uchwyty z zamocowaniem za pomocą podciśnienia. Stoły podziałowe i obrotowe - podstawową ich cechą jest ciągły lub indeksowy ruch obrotowy uzyskiwany za pomocą napędu mechanicznego Rysunek 10 Imadła maszynowe. Uchwyty magnetyczne przedstawia rysunek 11. Rysunek 11. Uchwyty magnetyczne 4.
Uchwyty specjalne stosowane do obróbki seryjnej lub wielkoseryjnej, wykonywane do obróbki konkretnego przedmiotu. Uchwyty składane wykonywane są z kilku elementów takich jak podstawy, elementy ustalające, zamocowujące, złączne czy podzespoły. Poszczególne elementy służą do ustalenia przedmiotu obrabianego, zamocowania lub prowadzenia narzędzia. Stoły obrotowe i urządzenia podziałowe sterowane numerycznie umożliwiają wykonanie obróbki frezowania obwodowego, rowków obwodowych i obróbki powierzchni dokonując różnego rodzaju podziału kątowego. Dzięki tej możliwości możemy zyskać dodatkowe osie sterowane co zwiększa możliwości technologiczne obrabiarki. Rysunek 12 Urządzenia podziałowe 4.
3. Urządzenia wymiany narzędzi Obecnie stosowane obrabiarki cnc zaopatrzone są w system wymiany narzędzi. W zależności od typu obrabiarki w magazynie narzędziowym lub głowicy narzędziowej może znajdować się różna ilość narzędzi które będą przez program wybierane, ustawiane w położenie wyjściowe i robocze. W tokarkach są stosowane głowice rewolwerowe w której wywołanie i przygotowanie narzędzia do obróbki odbywa się przez jej obrót. Głowice rewolwerowe zawierają od 8 do 16 miejsc na narzędzia. Wygląd standardowej głowicy rewolwerowej przedstawiają rysunek 13. Rysunek 13 Głowice rewolwerowe 4. W większych obrabiarkach stosuje się nawet po trzy głowice rewolwerowe zaś jeśli zachodzi potrzeba posiadania ponad 48 narzędzi stosuje się magazyny narzędziowe o pojemności do 100 i więcej narzędzi. Magazyny mają postać bębnową,tarczowe, łańcuchowe, kasetowe (rys.14.)
Rysunek 14. Magazyn narzędziowy stosowane w obrabiarkach cnc.- magazyn bębnowy 2. W obrabiarkach posiadających magazyny wymiana narzędzi odbywa się za pomocą chwytaków czyli urządzeń do automatycznej wymiany narzędzi. Na rysunku 15 przedstawiono podstawowy chwytak służący do wymiany narzędzia czas tej czynności waha się od 6-15s. Rysunek 15 Urządzenie do automatycznej wymiany narzędzia 2. Dzięki dużej ilości narzędzi które może pomieścić głowica rewolwerowa lub magazyn narzędziowy można wykonywać wiele pozycji bez wymiany narzędzi. Powoduje to skrócenia czasów przezbrajania obrabiarki do produkcji innych pozycji.
Literatura: 1. OBSŁUGA I PROGRAMOWANIE OBRABIAREK CNC Podręcznik operatora Zbigniew Habrat Wydawnictwo Kabe Krosno 2007. 2. PODSTAWY OBRÓBKI CNC Wydawnictwo REA s.j. 3. PROGRAMOWANIE OBRABIAREK CNC NA PRZYKŁADZIE UKŁADU STEROWANIA SINUMERIK 810D/840D instrukcja obsługi. 4. System ZERO-OSN