Budowa obrabiarki CNC

Budowa obrabiarek sterowanych numerycznie jest bardzo podobna do obrabiarek konwencjonalnych. Wyróżnikiem jest możliwość sterowania za pomocą komputera, który przekazuje „informacje” dotyczące obróbki w postaci sygnałów do odpowiednich obszarów maszyny. Poniżej na rysunku przedstawiono budowę przykładowej obrabiarki CNC.

Schemat I.4 Frezarka sterowana numeryczna

Źródło: Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.; Mechatronika; Wydawnictwo REA; Warszawa; 2002; strona 233

Ze względu na ograniczenie ingerencji pracownika w proces obróbczy, obrabiarka pozbawiona jest elementów ręcznego napędu posuwów. Sanie obrabiarek napędzane są przez napędy i przekładnie śrubowe ruchów posuwowych. Wartości zrealizowanych przemieszczeń, wyznaczonych przez układy pomiarowe, są porównywane z zaprogramowanymi wartościami zadanymi.

Dużą dokładność obrabiarek CNC uzyskuję się przede wszystkim ze względu na odpowiednią budowę, uwzględniając różne czynniki na etapie konstrukcyjnym. Zmniejszenie błędów wykonania danego elementu można uzyskać za pomocą regulacji odpowiednich parametrów, ale także przez odpowiednią budowę i dobór materiałów na części składowe maszyny roboczej. Można na przykład zastąpić częściowo udział materiałów metalicznych materiałami z tworzyw sztucznych o podwyższonej wytrzymałości. Zaobserwowano również pozytywny wpływ na ocenę jakości obrabianych elementów poprzez zastosowanie do budowy postumentów i łoży maszyn betonu polimerowego.

Budowa obrabiarki - Głowice narzędziowe

Obrabiarki sterowane numerycznie posiadają na wyposażeniu urządzenie do automatycznej wymiany narzędzi. W zależności od rodzaju może mieć ono różną ilość gniazd narzędziowych. Za pomocą programu wybrane narzędzie ustawiane jest w pozycji wyjściowej. Najczęściej spotykane to:

• głowica rewolwerowa
• magazyn narzędzi

Rewolwerowa głowica narzędziowa – jest stosowana przede wszystkim w tokarkach. Gdy w programie wywoływane jest nowe narzędzie, wtedy głowica obraca się i ustawia odpowiednie narzędzie w położeniu roboczym. Cała operacja trwa mniej niż sekundę. Głowice w zależności od typu posiadają od 8 do 16 miejsc na narzędzia. W centrach obróbczych można spotkać do 3 głowic lub magazyny o większej ilości miejsc.

Rodzaje rewolwerowych głowic narzędziowych:

• bębnowa – używana do toczenia małych części i z udziałem niedużych narzędzi
• z pionową i poziomą osią obrotu – stosowana do obrabiania większych przedmiotów, stosowana np. w wiertarkach średniej wielkości
• koronowa – jest pochylona, łączy zalety dwóch wcześniejszych głowic.

Magazyn narzędzi – stosowany we frezarkach. Wymiana narzędzi odbywa się za pomocą chwytaków. Po wywołaniu w programie komendy zamiany narzędzia, dwuramienny chwytak dokonuje wymiany. Trwa to dłużej niż w przypadku tokarki ok. 6-15 sekund, jednakże są już urządzenia, które potrafią zrobić to w czasie około 1 sekundy.

Uchwyty przedmiotu obrabianego

Uchwyty przedmiotu obrabianego służą do prawidłowego zamocowania obrabianego elementu na wrzecionie podczas obróbki. Bardzo ważne jest, aby umocowany przedmiot był stabilny i pozbawiony luzów, ze względu na występujące siły podczas procesu obróbczego.

Jako wyposażenie mocujące w tokarkach stosuje się:

• uchwyty szczękowe – są one tak wykonane, aby można było również sterować zamykaniem i otwieraniem szczęk mocujących
• tarcze tokarskie
• uchwyty zaciskowe – przeznaczone do pracy przy wysokich obrotach, posiadają przeciwwagi sił odśrodkowych
• tuleje zaciskowe – stosuje się do mocowania niewielkich przedmiotów.

Dzięki stosowaniu oprawek do narzędzi tokarskich zapewnione jest prawidłowe usytuowanie, ale również dopływ chłodziwa do ostrza.

Przy frezowaniu ważne jest prawidłowe ustalenie położenia przedmiotu obrabianego. W przypadku prostej obróbki wystarcza zastosowanie uchwytów szczękowych. Przy produkcji skomplikowanych elementów korzysta się z zestawów, z których „buduje” się uchwyty frezarskie, co pozwala na całkowitą obróbkę bez konieczności przemocowywania. W przypadku dużych frezarek narzędzia mocuje się w oprawkach z chwytem stożkowym.

Napędy stosowane w obrabiarkach CNC

W obrabiarkach sterowanych numerycznie w skład zespołów napędowych wchodzą:

• napędy główne
• napędy posuwów
• napędy pomocnicze.

Napęd główny dzięki silnikom napędowym przekazuje poprzez wrzeciono niezbędną do obróbki moc skrawania. Napęd ten powinien charakteryzować się:

• wysoką sztywnością tzn. moment obrotowy musi utrzymać aktualne położenie pomimo działających sił skrawania
• zdolnością do szybkiej i płynnej zmiany prędkości skrawania, bez generowania dodatkowych drgań.

Do najczęściej spotykanych rodzajów napędów głównych zaliczamy:

• elektromechaniczne z przekładnią stopniową lub bezstopniową
• hydrauliczne
• elektryczne z silnikiem prądu stałego i przekładnią stopniową
• elektryczne z asynchronicznym lub synchronicznym silnikiem prądu przemiennego.

W obrabiarkach sterowanych numerycznie mamy do czynienia z napędami elektrycznymi. Należy pamiętać, że stosowanie silników prądu stałego wymusza na nas częstą wymianę szczotek węglowych. Natomiast silniki prądu przemiennego wypadają korzystniej.

Zalety silników prądu przemiennego:

• uzyskują wyższe momenty obrotowe
• osiągają nawet trzykrotnie większą prędkość obrotową
• większa moc
• pracują bez szczotek węglowych, kolektorów i pierścieni ślizgowych
• są bezobsługowe.

Napędy ruchu posuwowego, jakie możemy spotkać w obrabiarkach sterowanych numerycznie dzielą się na następujące grupy:

• napęd tradycyjny, gdzie silnik obrotowy napędza śrubę toczną bezpośrednio lub pośrednio za pomocą przekładni pasowej lub zębatej
• napęd z elektronakrętką, w których silnik współpracuje z obracającą się nakrętką toczną, a śruba jest nieruchoma
• bezpośredni napęd liniowy z silnikiem elektrycznym.

Dla dokładnego określenia położenia, napędy ruchów posuwowych są zintegrowane z układem pomiarowym. Każda oś musi mieć układ pomiaru przemieszczenia z automatyczną oceną sygnału pomiarowego. Najczęściej dokładność tego pomiaru wynosi 0.001mm, jedynie w tokarkach dla osi X (gdzie podawana jest wartość średnicy) ma ona 0,0005mm. Spotyka się także np. w precyzyjnych szlifierkach dokładność do 0,0001mm.

Sterowanie osiami na obrabiarkach numerycznych

Obróbka elementów na obrabiarkach sterowanych numerycznie wymaga sterowania posuwem wzdłuż osi, ze względu na brak możliwości ręcznej ingerencji. W przypadku toczenia mamy możliwość wykonywania ruchu posuwowego przynajmniej w dwóch osiach X i Z, natomiast przy obróbce frezarskiej co najmniej w trzech osiach X, Y i Z. Poza ruchami prostoliniowymi istnieje także możliwość wystąpienia ruchów obrotowych wokół tych osi. Ruchy te nazywamy odpowiednio:

• wokół osi X → A
• wokół osi Y → B
• wokół osi Z → C

Układ sterowania odczytuje zakodowane sygnały z programu i przekazuje je do silników napędów posuwu. Dzięki czemu znane są ruchy posuwowe narzędzi względem osi. W zależności od tych ruchów rozróżniamy następujące rodzaje układów sterowania:

• sterownie punktowe
• sterowanie odcinkowe
• sterowanie kształtowe (2D, 2D, 3D)

Sterowanie punktowe jest najprostszym rodzajem sterowania. W praktyce wygląda to w ten sposób, że najeżdżamy narzędziem na zaprogramowany punkt ruchem szybkim i rozpoczynamy obróbkę. Po skończonej pracy wycofujemy się na bezpieczną odległość i najeżdżamy na kolejny punkt, podany w programie. Ten rodzaj sterowania wykorzystywany jest np. przy nawiercaniu, wierceniu czy gwintowaniu otworów.

Sterowanie odcinkowe pozwala nam na uzyskanie przejazdów narzędzi tylko po torach równoległych do osi. Ten rodzaj sterowania stosowany jest na przykład w przypadku planowania prostego, przy frezowaniu płasko-równoległym czy toczeniu wzdłużnym.

Sterowanie kształtowe umożliwia poruszanie się narzędziem na powierzchni i w przestrzeni. W ten sposób mogą być wykonywane skosy czy łuki. Dowolne kształty uzyskuje się dzięki jednoczesnemu działaniu na przykład dwóch silników napędów posuwowych. Aby taki ruch został wykonany, układ sterowania musi najpierw wyznaczyć punkty pośrednie i punkt końcowy.

Układy pomiarowe przemieszczeń obrabiarek CNC

W zależności od tego, jaki układ pomiarowy jest wykorzystywany, wyróżniamy pomiary położenia bezpośrednie (najdokładniejsze) i pośrednie, oraz absolutne (całościowe) i inkrementalne (przyrostowe).

Przy pomiarze bezpośrednim skala jest umieszczona na saniach lub stole, przez co część niedokładności pochodzących np. od wrzeciona jest wyeliminowana. Na siatce skali za pomocą czujnika odnajdywane są wartości mierzone. Czujnik zamienia je na sygnały elektryczne i przekazuje do układu sterującego.

W trakcie pomiaru pośredniego odczyt dokonywany jest na śrubie pociągowej, na której znajduje się skala w postaci tarczy obrotowej. Za pomocą czujnika rejestrowany jest ruch obrotowy tarczy, podawany dalej do układu sterowania w postaci sygnału.

Przy absolutnym pomiarze przemieszczenia, skala w postaci zakodowanej, pokazuje bezpośrednio położenie sań względem stałego punktu obrabiarki, zdefiniowanego przez producenta. Punkt ten nazywa się punktem zerowym maszyny. Jednakże muszą być spełnione następujące warunki:

• jednakowa wielkość obszaru odczytu skali i zasięgu pracy
• binarne zakodowanie skali.

To pozwala układowi sterowania nadać wartość liczbową każdemu odczytanemu położeniu.

Przy inkrementalny pomiarze przemieszczenia wykorzystywana jest skala kreskowa, tzn. składa się z ciemnych i jasnych pól. Czujnik zlicza ilość poszczególnych pól w trakcie ruchu posuwowego i wyznacza aktualne położenie sań w odniesieniu do poprzedniej pozycji. Aby można było wyznaczyć pierwsze położenie, należy znać jakiś punkt odniesienia. Dlatego po włączeniu systemu sterowania należy najechać na tzw. punkt referencyjny i w ten sposób oznaczyć położenie absolutne.

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.