Anna ZIELIŃSKA, Sławomir HERMA Katedra InŜynierii Produkcji, Akademia Techniczno Humanistyczna w Bielsku Białej E-mail: azielinska@ath.bielsko.pl, sherma@ath.bielsko.pl Historia i tendencje rozwoju obrabiarek 1. Wprowadzenie i krótka historia obrabiarki Fundamentalną, historycznie udokumentowaną obrabiarką była tokarka prawdopodobnie uŝywana w Mykenach 1200 lat p.n.e. Tokarek z pewnością uŝywali około 700 roku p.n.e. Etruskowie, a do Egiptu dobrnęły one około 200 roku p.n.e. W jednym z wczesnych rozwiązań tokarki, naciskając nogą pedał, wprawiano kawałek drewna w szybki ruch obrotowy. Do kawałka tego przykładano dłuto, skrawając go, aby nadać mu cylindryczny kształt. W taki oto sposób powstawały elementy mebli. Większe kawałki drewna moŝna było za pomocą takiego urządzenia drąŝyć, wytwarzając misy. Proces ten nazwano toczeniem, poniewaŝ materiał obrabiany naleŝało obracać. W średniowieczu wprowadzono obrabiarki napędzane siła wody: tokarki, piły, wiertarki, młoty i inne. Dzięki zaprzęgnięciu koła wodnego do napędzania maszyny, obrabiarki mogły być uŝywane do coraz powaŝniejszych zadań, a obsługujący je operator nie był rozpraszany podczas pracy koniecznością wprawiania urządzenia w ruch. Rys. 1. Przykład tokarki klasycznej oraz tokarki CNC Fig. 1. Exaple of the classical and modern CNC lathe Obrabiarki nie uległy powaŝniejszym przeobraŝeniom aŝ do początków rewolucji przemysłowej końca XVIII w. Wtedy znacznie wzrosła liczba maszyn uŝywanych przez przemysł. Wraz z ich rozkwitem wzrastał równieŝ poziom złoŝoności konstrukcji wyrobów, a to niosło ze sobą konieczność uŝywania lepszych obrabiarek. Konstrukcje obrabiarek zyskały równieŝ z wprowadzenia technologii, do których powstawania przyczyniły się one same. W 1775 roku John Wilkinson wynalazł maszynę do precyzyjnego drąŝenia cylindrów. Odkrycie to umoŝliwiło rozwinięcie konstrukcji maszyny parowej, która okazała się niezwykle przydatna do napędzania obrabiarek. W pierwszej połowie XIX wieku centrami rozwoju konstrukcji środków produkcji była Wielka Brytania oraz USA. Większość współczesnych konstrukcji obrabiarek ogólnego zastosowania takich jak frezarki, wiertarki, tokarki, itp. były opracowywane w tym czasie w Anglii. Jednak od połowy poprzedniego stulecia Stany Zjednoczone stały się światowym przodowni- 255
kiem w tym zakresie. Niestety w USA nie było wystarczającej liczby inŝynierów, by sprostać potrzebom gwałtownego rozwoju przemysłowego. To stymulowało prace nad takimi obrabiarkami, który przy najwyŝszej wydajności i komplementarności wymagały jak najmniejszej liczby pracowników obsługi. W XX wieku głównym biegiem rozwojowym było dalsze ograniczenie ilości wykonywanej ludzkiej przez wprowadzenie automatyzacji i komputeryzacji procesu produkcji [1]. 2. Ewolucja rozwiązań technicznych w obrabiarkach Większość wykonywanych obecnie operacji technologicznych przeprowadzana jest na obrabiarkach sterowanych numerycznie NC (Numerical Control) jak i na obrabiarkach sterowanych komputerowo CNC (Computer Numerical Control). Obrabiarka NC jest obrabiarką zautomatyzowaną i wyposaŝoną w numeryczny układ sterowania programowanego, który steruje w sposób programowy wszystkimi parametrami obróbki i czynnościami pomocniczymi w celu uzyskania przedmiotu o Ŝądanym kształcie, wymiarach i chropowatości powierzchni. Z kolei obrabiarka CNC jest obrabiarką ze sterowaniem komputerowym. Zintegrowany z systemem mikrokomputer przejmuje wszystkie funkcję sterownicze i regulacyjne maszyny. Program obrabiarki zawiera informacje dotyczące toru narzędzi w odpowiednio przyjętym układzie współrzędnych, parametrów technologicznych obróbki, rodzaju zabiegu, włączania i wyłączania chłodziwa [2]. Warto równieŝ wspomnieć o systemie DNC, który łączy maszyny CNC w sieć. Wspiera on jednoczesną komunikację do 256 maszyn. Obsługuje tę liczbę maszyn przez jeden komputer, z moŝliwością jednoczesnego wysyłania, odbierania funkcji DNC [3]. Rys. 2. Struktura systemu DNC Fig. 2. The DNC system structure Wiele wyspecjalizowanych obrabiarek jest projektowanych do pracy na liniach produkcyjnych, gdzie oczekiwana jest wysoka wydajność i niezawodność działania. WzdłuŜ linii rozmieszczonych jest wiele stanowisk obrabiarek, z których kaŝda wykonuje określone, specyficzne czynności. Element poddawany obróbce jest transportowany automatycznie pomiędzy stanowiskami do momentu aŝ przejdzie pełny cyklu obróbki [1]. Coraz częściej uŝywane są obrabiarki wielooperacyjne sterowane numerycznie z automatyczną zmianą narzędzi umieszczonych wcześniej w magazynku, zwane centrami obróbki. Są one w stanie wykonać automatycznie wiele pojedynczych operacji jak toczenie, wiercenie, frezowanie. Dziś większość z tych centrów obróbki jest kontrolowa- 256
na przez systemy komputerowe. Wszystkie dane dotyczące obróbki, takie jak pozycja noŝa, prędkość skrawania i inne są przechowywane w pamięci komputera [1]. Sterowanie skomputeryzowaną obrabiarką wielooperacyjną polega na doborze parametrów odpowiednich dla obrabianego elementu. Komputer analizuje wprowadzone dane, odpowiednio do nich wybiera i ustawia narzędzia i nadzoruję obróbkę. Scentralizowane systemy obróbki potrafią jednocześnie kontrolować pracę wielu obrabiarek, alarmują gdy występują problemy. Niektóre obrabiarki są w stanie samoczynnie sprawdzać stan narzędzi skrawających i dokonywać ich automatycznej wymiany w razie konieczności [1]. Głównym, fundamentalnym komponentem współczesnych obrabiarek jest układ sterowania. Do tego układu podłączone są serwonapędy i inne urządzenia elektryczne lub elektroniczne konieczne do prawidłowej pracy obrabiarki [4]. Układ ten równieŝ słuŝy do wprowadzenia i uruchomienia programu obróbkowego a takŝe nadzorowania jego pracy. Są one często oparte są o komputer PC wyposaŝony w system operacyjny Windows z aplikacją sterująca pracę maszyny w czasie rzeczywistym. Działanie aplikacji zaleŝy od parametrów charakteryzujących obrabiarkę takŝe od procesów technologicznych przeprowadzanych za jej pośrednictwem [4]. Producenci obrabiarek opracowali własne języki komunikowania się z sterownikiem, tzn. sterownik wyposaŝony jest w kompilator zamieniający kod na wewnętrzny język maszyny, moŝe obsłuŝyć określoną liczbę osi oraz urządzeń pomiarowych. Konstruktor obrabiarki wybiera konkretny sterownik w zaleŝności od potrzeb i dostosowuje go do konkretnej obrabiarki. To rozwiązanie pozwala na maksymalne wykorzystanie moŝliwości zaprojektowanego układu sterowania w przypadku konkretnego typu obrabiarki oraz obniŝenia kosztów produkcji układu sterowania, co takŝe wiąŝe się z ostateczną ceną obrabiarki [5]. UŜytkownik musi zapoznać się z językiem programowania danego sterownika i wtedy dopiero moŝe tworzyć kody sterujące wykonania poszczególnych detali. Początkowo ta metoda pisania programów wystarczała, jednak przedmioty wykonywane na obrabiarkach miały coraz częściej skomplikowane kształty i to sprawiło, Ŝe programowanie sterujące obrabiarki miało coraz trudniejsze zadanie. Teraz języki sterowania mają interfejsy graficzne, co bardzo ułatwia pracę i spada ryzyko popełnienia błędu [5]. 3. Tendencje w zakresie rozwoju obrabiarek Regularny rozwój układów sterowania zwiększa potencjał obrabiarek i daje perspektywę radzenia sobie z kolejnymi barierami technologicznymi związanymi z innowacyjnymi sposobami obróbki nowych materiałów oraz realizacji rosnących wymagań związanych z samą obróbką. Nowe wyzwania spowodowały przeobraŝanie się układu sterowania od prostego regulatora do złoŝonego systemu sterowania wykorzystującego podczas pracy monitorowanie i diagnostykę stanu obrabiarki i parametrów obróbki [5]. Nowym, nieco innym spojrzeniem na metody obróbki jest kształtowanie przyrostowe czyli zespół metod wytwarzania przedmiotów przez nanoszenie kolejnych warstw materiału. Ta metoda obróbkowa ma wiele zalet jak np. brak kłopotliwego przygotowania formy, nie ma charakterystycznych ograniczeń kształtu dla brył obrotowych jak w przypadku toczenia, pojęcie naddatku na obróbkę traci wówczas na znaczeniu. Co waŝne, proces kształtowania przyrostowego zazwyczaj składa się z niewielkiej liczby etapóww szczególnym przypadku moŝe nawet ograniczać się do jednego. 257
Rys. 3. Urządzenie stereolitograficzne i przykład modelu wykonanego za jego pomocą [6] Fig. 3. A stereolithography machine and example of the created model [6] Przykładem wspomnianej metody kształtowania przyrostowego jest niewątpliwie stereolitorgafia. Jej wynalazcą był Charles Hull, który pracował w firmie produkującej lampy ultrafioletowe. Genezą jego pomysłu było wykorzystanie tych lamp do utwardzania powłok polimerowych. Proces tworzenia obiektu w stereo litografie polega na tym, Ŝe skoncentrowana wiązka światła rysuje przekrój bryły na ruchomym, pokrytym płynnym polimerem dnie pojemnika. W naświetlonych punktach polimer twardnieje. Dno pojemnika obniŝa się wówczas o ułamek milimetra, kolejna niewielka warstw płynnego polimeru pokrywa utworzony dotychczas obiekt i znów podlega naświetlaniu. Powtarzając tę czynność wielokrotnie i rysując kolejne przekroje elementu moŝna utworzyć nawet bardzo złoŝoną strukturę. Pierwszym powstałym w ten sposób przedmiotem była filiŝanka [6]. JednakŜe warunkiem rozpoczęcia procesu stereolitograficzego kształtowania wyrobów jest wcześniejsze przygotowanie trójwymiarowego modelu bryły. Zwykle wykorzystuje się w tym celu wybrane pakiety grupy CAD. Plik z opisem przedmiotu zostaje następnie przeniesiony do maszyny kształtującej i następuje dobór odpowiedniej orientacji przestrzennej obiektu gwarantującej jego stabilność na kaŝdym etapie przyrostowego wytwarzania. Cyfrowa bryła zostaje wirtualnie pocięta w sposób zgodny z wymaganiami danej technologii kształtowania. W tym momencie określa się ostateczne rozmiary obiektu oraz grubość warstw i rodzaj materiału, z którego zostaną wykonane poszczególne elementy. W urządzeniu stereolitograficznym (Stereolithography Apparatus- SLA), pod wpływem światła ultrafioletowego następuje polimeryzacja materiału wsadowego a w efekcie miejscowa zmiana stanu jego skupienia. PoniewaŜ element powstaje w środowisku płynnym, często trzeba wykonać podpory gwarantujące jego stabilność podczas naświetlania kolejnych warstw. Podpory te stanowią integralną część tworzonego obiektu i są dołączone do trójwymiarowego modelu tuŝ przed jego podziałem na poszczególne przekroje, lecz w zaleŝności od rodzaju oprogramowania i typu bryły, mogą one być programowane ręcznie lub automatycznie. Po wytworzeniu bryły trzeba je usunąć. Kolejną innowacyjną metodą kształtowania przyrostowego jest tzw. druk przestrzenny 3D. Ta metoda równieŝ oparta została na pomyśle Hull-a. Wykorzystuje ona substancje w formie sproszkowanej jako materiał roboczy. Mogą one przybierać postać ciekłą lub sypką. Ze względu na moŝliwości stosowania róŝnego rodzaju proszków (polimerowych, ceramicznych, kompozytowych jak równieŝ metalowych), 3DP (3-Dimension Printing) daje moŝliwości przygotowania nie tylko modeli ale równieŝ i narzędzi, wykorzystuje ona proszki na bazie gipsu i skrobii, które łączone są specjalnym lepiszczem [6]. 258
Rys. 4. Współczesna drukarka 3D oraz przykład podzespołu wykonanego za jej pomocą Fig. 4. A modern 3D printer and an examplary subassembly Jak w kaŝdej technologii kształtowania przyrostowego budowa modelu odbywa się warstwowo - naprzemiennie nakładana jest warstwa proszku i lepiszcza. Technologia ta umoŝliwia tworzenie modeli barwnych (kolorowych). Wraz z lepiszczem podawana jest substancja barwiąca, która umoŝliwia uzyskanie podczas tworzeniu modeli, kolorów według skali 24 warstwowej. Eliminuje to konieczność dodatkowego malowania modeli i znacznie wpływa na oszczędność czasu przygotowania prototypu [7]. Warstwowa struktura modelu zwykle jest wyraźnie widoczna i wymaga obróbki wykańczającej. Urządzenia wykorzystujące tą technologię mają kilka zalet: są niewielkie, ciche i tanie w porównaniu do stereolitografu. 3DP naleŝy obecnie do najszybszych współczesnych technik kształtowania przyrostowego [6]. 4. Podsumowanie Mimo iŝ jesteśmy świadkami ciągłej rewolucji technologicznej i większość czynności, które człowiek do tej pory sam wykonywał jest zastępowana lub w przyszłości będzie zastąpiona przez maszyny, istnieją obszary w których bezpośrednia jego ingerencja jest nieodzowna. Człowiek jako istota świadoma, myśląca abstrakcyjnie, potrafiąca odróŝnić dobro od zła, pomimo swoich wad, jest tworem najdoskonalszym (choć nadal nie w pełni jeszcze poznanym), jest twórcą wszystkich znanych rozwiązań technicznych i to właśnie człowiek jest najwaŝniejszym elementem wytworzonych przez siebie struktur. JeŜeli nawet kiedyś maszyny zaczną nas wyręczać w wielu dziedzinach Ŝycia, będzie to dowodem na doskonałość ich twórców. W tym kontekście naleŝałoby rozumieć słowa S. Lema Ŝe waŝniejsze od zrozumienia konstrukcji maszyn jest poznanie istot, które je zbudowały. Literatura 1. Świat wiedzy nr 75, dział Nauka i technika ; 2. www.cnc.pl; z dnia 25.IV.2009; 3. www.newscietist.com; 4. Ślązak A.: Układy sterowania obrabiarek, WWW.designews.pl; 5. Grochowski A.: CAM-komputerowe wspomaganie wytwarzania; http//mail.amplus.com.pl, 25.IV.2009; 6. Chrostowski J.: Stoliczku nakryj się, WWW.pcworld.pl; 7. www.stereolithography.com, z dnia 7.V.2009 r. 259
Streszczenie W artykule omówiona została krótka historia obrabiarek oraz przegląd rozwiązań technicznych stosowanych w obrabiarkach współczesnych. Przedstawiono charakterystykę obrabiarek NC i CNC, jak równieŝ wykorzystywanego oprogramowania wspomagającego ich pracę. Zaprezentowano tendencje w zakresie rozwoju obrabiarek w kontekście układów sterowania oraz nowego spojrzenia na metody obróbkowe jak stereolitografia i druk przestrzenny. History and evolution of machine tools Summary This article discusses the brief history of machine tools and a review of technical solutions used in today's machines. The characteristics of NC and CNC machine tools, as well as the software used to assist their work was presented. The article presents also a trends in the development of machine tools in the context of control systems and a new look at methods such as stereolitography and 3D printing. 260