Przygotowanie obrabiarki do obróbki

Zaprogramowanie procesu obróbczego na obrabiarkach sterowanych numerycznie odbywa się w następujący sposób:

• z rysunku wykonawczego detali należy prawidłowo odczytać współrzędne punktów, które opisują drogę, jaką musi pokonać narzędzie
• punkty te muszą być zapisane w odpowiednim układzie współrzędnych.

Wymaga to znajomości rodzajów układów współrzędnych i ich lokalizacji na obrabiarkach CNC. Ważna jest także znajomość punktów charakterystycznych, które pozwolą na ustalenie położenia obrabianego przedmiotu w przestrzeni roboczej maszyny. Samo zaprojektowanie zarysu konturu elementu nie przyniesie zamierzonego efektu. Należy pamiętać o uwzględnieniu korekcji narzędzia.

Rodzaje układów współrzędnych

Układ współrzędnych odgrywa bardzo ważną rolę w przygotowaniu procesu obróbczego. Pozwala zlokalizować i dokładnie opisać poszczególne punkty, opisujące programowany kontur elementu. Rozróżnia się następujące układy współrzędne:

• kartezjańskie (prostokątne),
• biegunowe.

Układ współrzędnych kartezjański pozwala bardzo szczegółowo podać lokalizację poszczególnych punktów. Można rozróżnić kartezjański układ:

• płaski - składa się z dwóch osi,
• przestrzenny - składa się z trzech osi, usytuowanych względem siebie pod kątem prostym.

Płaski układ współrzędnych stosowany jest w tokarkach, punkty opisywane są współrzędnymi X i Z.

Przestrzenny układ współrzędnych spotkamy we frezarkach, gdzie położenie punktów zdefiniowane jest współrzędnymi X, Y i Z. Są to tzw. układy prawoskrętne, ustalane na podstawie reguły prawej dłoni:

• kciuk wskazuje dodatni kierunek osi X,
• palec wskazujący pokazuje dodatni kierunek osi Y,
• palec środkowy wskazuje dodatni kierunek osi Z.

Układ współrzędnych biegunowych to taki układ, w którym punkty opisywane są poprzez jednoczesne podanie:

• odległości danego punktu od punktu początkowego (początek układu współrzędnych) tzw. bieguna układu,
• kąta zawartego pomiędzy osią a wektorem, który łączy biegun z opisywanym punktem.

Uwaga:

• kąt ma wartość dodatnią, gdy jest mierzony w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara licząc od dodatniego kierunku danej osi,
• kąt ma wartość ujemną, gdy jest mierzony w kierunku zgodnym do ruchu wskazówek zegara licząc od dodatniego kierunku danej osi,
• biegun układu może pokrywać się z początkiem układu współrzędnych prostokątnych, ale nie musi.

Stosowanie układu biegunowego sprawdza się w przypadku, gdy mamy do czynienia z obróbką osiowo-symetryczną, tzn. na przykład przy wierceniu otworów rozmieszczonych na obwodzie koła. Zastosowanie dla takiego przypadku układu współrzędnych prostokątnych stwarza większe trudności z określeniem współrzędnych punktu.

Każda oś główna posiada swoją oś obrotową, która obraca się wokół niej. Kierunek obrotu przyjmuje się za dodatni, gdy mamy do czynienia z obrotem zgodnym ze wskazówkami zegara, patrząc od punktu zerowego układu współrzędnych. Jeśli nasz punkt leży:

• na płaszczyźnie YZ to kąt, który musimy zdefiniować w układzie biegunowym odpowiada kątowi obrotu wokół osi X ? nazywamy go A,
• na płaszczyźnie XZ to kąt, który musimy zdefiniować w układzie biegunowym odpowiada kątowi obrotu wokół osi Y ? nazywamy go B,
• na płaszczyźnie XY to kąt, który musimy zdefiniować w układzie biegunowym odpowiada kątowi obrotu wokół osi Z ? nazywamy go C.

W przypadku, gdy pojawiają się dodatkowe elementy sterowane ruchem ciągłym np. dodatkowe suporty narzędziowe, które wykonują ruchy równoległe do określonych w układzie podstawowym, wprowadza się dodatkowe osie ? oznaczane kolejno U, V, W lub poprzez dodanie do adresu numeru np. X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2.

 

Odmiany i umiejscowienie osi na obrabiarkach sterowanych numerycznie

Układy współrzędnych w obrabiarkach sterowanych numerycznie są definiowane odgórnie przez producenta i nie można ich zmieniać. Programista natomiast decyduje o położeniu układu współrzędnych na obrabianym elemencie. Może to być raz zdefiniowany punkt dla całego procesu obróbczego, albo w niektórych przypadkach jego lokalizacja się zmienia (w zależności od skomplikowania wykonywanego kształtu).

Definiowanie układu współrzędnych obrabiarki związane jest ściśle z jej konstrukcją. We frezarce oś wrzeciona głównego pokrywa się z osią Z, dodatni zwrot osi definiowany jest od obrabianego elementu w górę w kierunku narzędzia. Pozostałe osie biegną wzdłuż płyty podstawowej (równolegle). Jeśli patrzymy na obrabiarkę to w prawo mamy dodatni zwrot osi X, z kolei oś Y oddala się od nas w górę (schemat II.1). Oznaczenia osi ustala się w układzie prostokątnym przestrzennym, uwzględniając położenie przedmiotu. Zakłada się, że ruch wykonuje narzędzie, chociaż nie zawsze to jest prawdą. Na przykład w przedstawionej poniżej frezarce pionowej porusza się także stół z uchwytem.

 

 

Rys 2.1 Układ osi na frezarce CNC

Zalecam umiejscowienie rysunku lub rysunków które pokażą także inne osie na frezarce czy centrum obróbkowym

Źródło: Podstawy obróbki CNC; Wydawnictwo REA; strona 29

 

Rys 2.2. Schemat obrabiarki z 6 osiami sterowanymi

Źródło: Habrat W.; Obsługa i programowanie obrabiarek CNC. Podręcznik operatora; Wydawnictwo KaBe; 2007; strona 20

 

W tokarce sterowanej numerycznie z kolei oś wrzeciona pokrywa się z osią Z. Dodatni zwrot osi Z jest definiowany od elementu obrabianego w kierunku narzędzia. Natomiast oś X jest prostopadła do niej. W tym przypadku dodatni zwrot biegnie do tyłu (narzędzie znajduje się za osią obrotu). Gdy wrzeciono jest sterowane to dysponujemy osią obrotu C.

 

Rys 2.2 Układ osi na tokarce CNC

Źródło: Podstawy obróbki CNC; Wydawnictwo REA; strona 28

 

Oznaczenia i położenie osi współrzędnych

Przy programowaniu procesów obróbczych na obrabiarkach sterowanych numerycznie spotykamy się z dwoma rodzajami wymiarowania detali:

• wymiarowaniem absolutnym,
• wymiarowaniem inkrementalnym (przyrostowym).

W przypadku wymiarowania absolutnego podaje się wymiary bezwzględne, odnosząc się do tzw. punktu zerowego przedmiotu obrabianego. Z kolei w drugim przypadku, wymiarowania przyrostowego, wykorzystuje się łańcuchy wymiarowe (rys. 2.3 i 2.4).

 

Uwaga:

Przy toczeniu musimy pamiętać, że:

• korzystając z wymiarowania absolutnego programujemy współrzędne X jako średnice,
• korzystając z wymiarowania przyrostowego programujemy współrzędne X jako promienie.

Źródło: Podstawy obróbki CNC; Wydawnictwo REA; strona 29

W praktyce częściej stosowane jest programowanie w układzie absolutnym. Ma ono wiele zalet między innymi:

• tolerancje wymiarów nie sumują się,
• zmiany wymiarów nie wpływają na pozostałe punkty,
• wyeliminowanie "nawarstwiania się" błędów obróbki,
• łatwiej jest śledzić ruch narzędzia (krok po kroku).

 

Niestety czasami należy zastosować programowanie w układzie przyrostowym, gdy mamy do czynienia z kilkoma powtarzającymi się szczegółami (np. podcięcia). Nie jest to konieczne, ale ułatwia pracę.

 

Punkty charakterystyczne obrabiarek sterowanych numerycznie

 

Każda maszyna CNC ma swój układ odniesienia, względem którego określane są wartości współrzędnych. Istnieje kilka tzw. punktów charakterystycznych dla obrabiarek:

Źródło: Podstawy obróbki CNC; Wydawnictwo REA; strona 36

 

Punkt zerowy obrabiarki jest ustalony konstrukcyjnie i niezmienny. Z reguły znajduje się on w przypadku tokarki na powierzchni czołowej wrzeciona, do której przylega tarcza zabierakowa lub uchwyt, natomiast w osi X pokrywa się z osią wrzeciona. Z kolei np. we frezarkach pionowych zlokalizowany jest najczęściej nad lewą krawędzią sań stołu przedmiotu obrabianego.

 

Punkt zerowy przedmiotu obrabianego jest ustalany przez programistę w sposób dowolny. Jednakże wygodne jest, aby był on zaprogramowany w taki sposób by pokrywał się z bazą wymiarową detalu. Korzystne jest także ustalenie tego punktu w osi Z tak, żeby zaprogramowana współrzędna Z ze znakiem "-" oznaczała, że jesteśmy wewnątrz materiału (tylko w układzie absolutnym). Punkt ten może być zmieniany w trakcie obróbki, jeżeli zachodzi taka konieczność.

 

Punkt referencyjny obrabiarki jest ustalany przez producenta wewnątrz przestrzeni obrabiarki. Jest to najbardziej odległy punkt na obrabiarkach CNC w osiach X, Y, Z. Ma on stałe współrzędne, które wykrywa układ sterowania a odnoszą się one do punktu zerowego obrabiarki. Po załączeniu układu sterowania należy pamiętać, żeby najechać na ten punkt w celu uzyskania synchronizacji z obrabiarką. W następnej kolejności trzeba wykonać zjazd we wszystkich osiach, coraz częściej maszyna samoczynnie wykonuje zjazd z bazy.

 

Punkt odniesienia narzędzia to punkt, który zlokalizowany jest:

• w tokarkach - na powierzchni głowicy narzędziowej, która jest bazą dla mocowania oprawek lub narzędzi,
• we frezarkach - na powierzchni czołowej wrzeciona, która również jest bazą dla mocowania oprawek lub narzędzi.

Punkt ustawienia narzędzia i punkt uchwytu narzędzia potrzebne są do wstępnego ustawienia narzędzi poza obrabiarką. Jeżeli w czasie umieszczania oprawki narzędzia i narzędzia w suporcie narzędziowym, punkt ustawienia pokrywa się z punktem uchwytu to powstaje punkt odniesienia narzędzia.

 

Punkt wymiany narzędzia jest to punkt w obszarze roboczym obrabiarki, zdefiniowany przez operatora maszyny lub programistę. Musi on być tak zlokalizowany, aby zapewniona była swobodna wymiana narzędzia i nie powodowała kolizji.

Czasami można spotkać się jeszcze z jednym punktem a mianowicie punktem rozpoczęcia programu. Jest to punkt, gdzie powinno się znajdować narzędzie w chwili rozpoczęcia programu, a po jego zakończeniu wrócić w to samo miejsce. Określenie tego punktu jest ważne w przypadku programowania w układzie przyrostowym.

 

Korekcja narzędzi

Programując obróbkę danego elementu, podajemy między innymi współrzędne punktów konturu. Niestety samo podanie współrzędnych nie spowoduje, że zaprogramowany przez nas kształt będzie taki, jak powinien. Związane jest to z tym, że podając współrzędne punktu w rzeczywistości definiujemy zupełnie inne położenie narzędzia. Wynika to z geometrii tego narzędzia oraz stopnia skomplikowania obrabianego kształtu. Aby prawidłowo zaprogramować kontur należy wykorzystać wartości korekcyjne.

 

Wielkości korekcyjne narzędzi tokarskich

Aby ostrze noża wykonało w czasie obróbki tokarskiej prawidłowo żądany kształt, układ sterowania musi mieć podane tzw. wartości korekcyjne. Są to odległości wierzchołka narzędzia w kierunku osi X i Z od punktu odniesienia narzędzia. Najczęściej oznaczane są:

• L1 (Wx) w osi X
• L2 (Wz) w osi Z.

Na rys. 2.5 pokazano wielkości korekcyjne dla dwóch przypadków: wiertła i noża tokarskiego.

Rys 2.5 Wielkości korekcyjne dla: a) wiertła, b) noża tokarskiego

Źródło: Stach B.; Podstawy programowania obrabiarek sterowanych numerycznie; WSiP; 1999; strona 16

Wartości korekcyjne oraz promień zaokrąglenia ostrza i tzw. kwadrant pracy noża są kodowane w pamięci układu sterowania.

Kwadrant pracy pokazuje położenie teoretycznego wierzchołka noża w odniesieniu do środka promienia zaokrąglenia wierzchołka, który będzie kształtował przedmiot. Kwadranty pracy mogą być różne w zależności od tego czy mamy do czynienia z tokarką zaosiową czy przedosiową.

Rys 2.6 Oznaczanie kwadrantów ostrza noża tokarskiego:

a) toczenie za osią, b) toczenie przed osią.

Źródło: Stach B.; Podstawy programowania obrabiarek sterowanych numerycznie; WSiP; 1999; strona 17

 

Wielkości korekcyjne narzędzi frezarskich

Podobnie jest w przypadku obróbki tokarskiej chcąc prawidłowo zaprogramować kształt detalu musimy uwzględnić wartości korekcyjne. Układ sterujący potrzebuje następujących danych:

• odległości czoła freza w osi Z od punktu odniesienia narzędzia,
• promień freza.

Mając te dane, środek narzędzia będzie poruszał się po torze równoodległym (1) od zaprogramowanego (2).

 

Rys 2.7 Tory ruchu punktów środkowych narzędzi frezarskich

Źródło: Podstawy obróbki CNC; Wydawnictwo REA; strona 51

 

Układ sterowania musi również posiadać informację czy proces będzie odbywał się w prawo czy w lewo od zaprogramowanego konturu.

 

Funkcje definiujące korekcję

 

Niezależnie od tego, czy jest to obróbka tokarska czy frezarska, posługujemy się następującymi funkcjami w celu wywołania wielkości korekcyjnych:

G41 - kompensacja narzędzia na lewo od materiału lub opcja

RL - na frezarkach w układzie sterowania Heidenhain,

G42 - kompensacja narzędzia na prawo od materiału lub opcja

RR - na frezarkach w układzie sterowania Heidenhain,

G40 - odwołanie kompensacji narzędzia lub opcja

R0 - na frezarkach w układzie sterowania Heidenhain.

Jeśli użyjemy powyższych funkcji w programie to otrzymamy prawidłowo wykonany kontur elementu.

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.