Konstrukcja i zasady użytkowania maszyn sterowanych numerycznie

W celu wykonania obróbki za pomocą obrabiarki sterowanej numerycznie konieczne jest sterowanie kilku osi obrabiarki. Na rysunku 7.6. przedstawiono osie frezarki oraz tokarki.

Rys. 7.6. Osie obrabiarek: a) frezarki, b) tokarki
[„PROGRAMOWANIE OBRABIAREK CNC NA PRZYKŁADZIE UKŁADU STEROWANIA SINUMERIK
810D/840D” instrukcja obsługi.]

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. Ruchy poszczególnych osi realizowane są dzięki zastosowaniu serwonapędów. Zadaniem układów sterująco-napędowych jest nadawanie tym zespołom położeń zgodnych z sygnałami sterującymi wynikającymi z programu działania obrabiarki. 

Zespoły napędowe obrabiarek CNC wykonywane są jako serwonapędy. Składają się z następujących części:

• serwomotoru (silnika prądu stałego lub przemiennego, silnika krokowego lub silnika hydraulicznego),
• przekładni (bezluzowa przekładnia zębata, przekładnia cięgnowa z pasem uzębionym, przekładnia śrubowo-toczna),
• układu pomiarowego położenia oraz prędkości obrotowej.
   

Rys. 7.7. Schemat ideowy układu napędowego obrabiarki sterowanej numerycznie.
1 – silnik serwonapędowy, 2 układ pomiaru prędkości silnika, 3 – przekładnia pasowa zębata, 4 – śruba kulowa, 5 – stół obrabiarki, 6 – liniał pomiarowy położenia, 7 – prowadzenie obrabiarki, US – układ sterowania, UN – układ napędowy.
[http://www.zmt.mt.put.poznan.pl/old/CNC/Maszyny%20CNC/2_Badania_symulacyjne_napedow_OSN.pdf]

Silnik serwonapędowy 1 poprzez przekładnię pasową zębatą 3 i napędza śrubę pociągową kulową 4, a ta z kolei zamienia ruch obrotowy śruby na ruch posuwowy stołu obrabiarki 5. W czasie pracy obrabiarki mierzona jest aktualna prędkość obrotowa silnika czujnikiem 2 oraz położenie rzeczywiste układem pomiarowym 6. W nowoczesnych obrabiarkach sterowanych numerycznie dokonuje się kontroli wielu parametrów związanych z narzędziem, przebiegiem procesu obróbki oraz stanu obrabiarki i zebrane w ten sposób informacje wykorzystywane są do zagwarantowania optymalnego przebiegu procesu (rys. 76). Automatyzacja zespołów konstrukcyjnych obrabiarek i całych maszyn wymaga skutecznej kontroli i nadzorowania prawidłowości działania poszczególnych elementów i podzespołów obrabiarki poprawy dokładności obróbki, uniknięcia awarii. Współczesne układy sterowania CNC są bardzo niezawodne, szybkie i precyzyjne. 

Wraz z rozwojem układów sterowania numerycznego istnieje konieczność dostarczania coraz większej ilości informacji o prawidłowości działania obrabiarki i poprawności realizowanego procesu. Uzyskuje się to dzięki diagnostyce i nadzorowaniu pojedynczych obrabiarek i całych systemów obróbkowych. diagnostyka obrabiarek CNC obejmuje układy sterowania mechanizmami maszyn, urządzenia pomocnicze, oprogramowania i wreszcie narzędzia i proces obróbki. Kontroli podlegają następujące grupy parametrów:

• określające gotowość obrabiarki do pracy, takie jak: wyłącznik sygnalizujący zamknięcie osłony zabezpieczającej, sensor sygnalizujący obecność przedmiotu obrabianego lub sensor sygnalizujący zadziałanie urządzeń mocujących,
• nadzorujące stan maszyny: dokładność pozycjonowania, temperaturę czy odkształcenia geometrii, geometrię i położenie przedmiotu obrabianego, drgania,
• nadzorujące prawidłowość procesu: siły skrawania, siły posuwowe, moment na wrzecionie; nadzorujące stan narzędzi (zużycie i wykruszenie).
• kontrolujące stan łożysk wrzecion, łożysk wałków, przekładni zębatych i pasowych, napędów posuwów i obrotów oraz wielkości kinematyczne, geometryczne i inne mechanizmy.

Przyczyną wielu nieprawidłowości w procesie obróbki mogą być błędy w programach technologicznych. Błędy programowania powinny być wykryte i usunięte przed rozpoczęciem obróbki. Dobre efekty diagnostyczne zapewnia symulacja ruchów zespołów oparta o zamodelowanie uchwytów, przedmiotu, narzędzi i wzajemnych ruchów, wynikających z programu technologicznego. Można więc w ten sposób nie tylko diagnozować błędy programów, ale również kolizje. Kolizjom związanym z nieprawidłowościami narzędzi i przedmiotów można zapobiegać przez automatyczną symulację w układzie sterowania CNC torów narzędzi w przestrzeni roboczej obrabiarki, z uwzględnieniem ich aktualnych wymiarów i wymiarów przedmiotów. Układ do diagnozowania kolizji korzysta oprócz programu CAD i danych technologicznych, z odpowiednich sygnałów pomiarowych: pomiarów przedmiotu dokonywanych każdorazowo po jego zamocowaniu i pomiarów narzędzia wprowadzonego do obróbki. Możliwość wystąpienia kolizji jest sygnalizowana na ekranie monitora, układ zaś nadzorowania zapobiega jej wystąpieniu (rys. 7.8).

Rys.7.8. Obraz symulacji procesu toczenia [www.mts-cnc.com.pl]

Diagnozowanie gotowości systemu do rozpoczęcia pracy stanowi podstawę uruchomienia cyklu pracy i obejmuje sprawdzenia:

• czy poszczególne zespoły zajmują prawidłowe położenia,
• czy spełnione są warunki zadziałania poszczególnych składników;
• czy prawidłowo zadziałały podstawowe mechanizmy, np. mocowania przedmiotu i narzędzia, blokowania i odblokowania poszczególnych mechanizmów i inne;
• czy jest narzędzie i przedmiot.

Układy CNC podejmują zaprogramowane działania, gdy spełnione są określone warunki. Niespełnienie któregoś z nich jest sygnalizowane przez układ sterowania co najmniej na monitorze, co stanowi podstawę postępowania operatora zmierzającego do usunięcia niesprawności. Przy bardzo dobrze zorganizowanej diagnostyce na monitorze pojawi się dokładny opis niesprawności, jej lokalizacja i objaśnienie sposobu usuwania.

Sterowanie pracą obrabiarki obejmuje następujące czynności:

• przemieszczenie suportu wzdłużnego i poprzecznego,
• ustawienie prędkości posuwów roboczych i ruchów ustawczych,
• ustawienie prędkości obrotowej wrzeciona,
• wybór narzędzi (wybór położenia głowicy rewolwerowej),
• zatrzymanie obrabiarki po zakończeniu procesu obróbki.

Urządzenia wymiany narzędzi

Obrabiarki CNC wyposażone są systemy wymiany narzędzi. W zależności od typu obrabiarki w magazynie narzędziowym lub głowicy narzędziowej może znajdować się różna ilość narzędzi, które będą wykorzystywane w zaprogramowanym procesie obróbki. 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 przedstawia rysunek 7.9.

Rys. 7.9. Widok głowicy rewolwerowej tokarki CNC [System ZERO-OSN]

Obrabiarki bardziej rozbudowane posiadają kilka głowic rewolwerowych lub magazyny narzędzi o pojemności nawet kilkudziesięciu narzędzi.

Rys. 7.10. Schemat magazynu bębnowego narzędzi obrabiarki CNC
[Praca zbiorowa; Podstawy obróbki CNC, Wydawnictwo REA s.j. 2008]

Zalety obrabiarek sterowanych numerycznie:

• bezstopniowa regulacja prędkości obrotowej i posuwów,
• osiąganie znacznych parametrów obróbki,
• obróbka z wykorzystaniem wielu wrzecion i suportów narzędziowych,
• złożona kinematyka umożliwiająca programowanie różnych ruchów roboczych narzędzi: uchylne głowice narzędziowe, stoły obrotowo uchylne, obróbka pięcioosiowa,
• magazyny narzędziowe z automatyczną wymianą narzędzia,
• automatyczny pomiar przedmiotu obrabianego,
• automatyczna wymiana narzędzia itp.

Rys. 7.11. Widok tokarki CNC
[http://www.apx.pl/pl/obrabiarki/obrabiarki/tokarskie_centra_obrobcze/tokarki_poziome/firmy_goodway/centrum_tokarskie_o,p604626044]

Rys. 7.12. Widok frezarki CNC [ http://alejka.pl/frezarka-cnc-niemieckiej-firmy-maho.html]
 

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.