CNC Alatne Masine_Prvi Dio _ 2011

UNIVERZITET U SARAJEVU MAŠINSKI FAKULTET SARAJEVO

CNC ALATNE MAŠINE

Autor: Doc. dr. Ahmet Čekić, dipl.maš.ing.

.

CNC ALATNE MAŠINE

S A D R Ţ A J: 1. 2.

3.

Strana UVOD ...................................................................................................................... 1 OSNOVNE KARAKTERISTIKE CNC ALATNIH MAŠINA .............................. 7 2.1. Osnovne definicije: NC, CNC, CIM, CAQ, CAD, CAM, CAD/CAM, CAP, PPC .................................................................................. 8 2.2. Razlika između konvencionalnih (klasičnih) i CNC alatnih mašina .............. 10 2.3. Karakteristike i vrste CNC alatnih mašina ..................................................... 12 2.4. Komponente CNC alatnih mašina .................................................................. 14 2.4.1. Noseća struktura mašine .................................................................. 14 2.4.1.1. Statičko opterećenje alatne mašine ..................................... 14 2.4.1.2. Dinamičko opterećenje alatne mašine ............................... 15 2.4.1.3. Termičko opterećenje alatne mašine ................................... 15 2.4.2. Vođice .............................................................................................. 16 2.4.2.1. Vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem .................... 16 2.4.2.2. Linearni leţajevi sa kuglicama i valjcima ........................... 17 2.4.2.3. Ostale vođice ....................................................................... 18 2.4.3. Pogoni za glavno kretanje alatnih mašina ........................................ 21 2.4.4. Pogoni za pomoćno kretanje alatnih mašina .................................... 25 2.4.5. Upravljanje i regulacija pogonskih sistema ..................................... 27 2.4.5.1. Direktno numeričko upravljanje (DNC) ............................. 27 2.4.5.2. Sistemi adaptivnog upravljanja ........................................... 29 2.4.6. Mjerni sistemi glavnih pogona ......................................................... 32 2.4.6.1. Enkoderi .............................................................................. 33 2.4.6.2. Mjerne glave za CNC alatne mašine .................................. 34 2.4.7. Nadzor i dijagnostika CNC alatnih mašina i obradnih sistema ....... 35 2.4.8. Uvjeti za konkurentniji način proizvodnje ....................................... 37 2.4.8.1. Uređaji za prednamještanje reznih alata ............................. 37 2.4.8.2. Automatska izmjena reznih alata ........................................ 40 2.4.8.3. Automatska izmjena obradaka ............................................ 41 2.4.9. Upravljačka jedinica CNC alatne mašine ........................................ 42 2.4.10. Ostali vaţniji sklopovi CNC alatnih mašina .................................... 43 KONCEPCIJSKE VARIJANTE CNC ALATNIH MAŠINA ................................. 44 3.1. Višeoperacijske CNC alatne mašine ............................................................... 44 3.2. CNC strugovi .................................................................................................. 45 3.2.1. Osnovna podjela strugova .................................................................... 45 3.2.2. Horizontalni CNC strugovi ................................................................... 45 3.2.3. Više suportni strugovi .......................................................................... 47 3.2.4. Viševreteni strugovi ............................................................................. 47 3.2.5. Strugovi sa suprotnim vretenom .......................................................... 47 3.2.6. Stezanje reznih alata na CNC strugovima ............................................ 48 3.2.7. Stezanje obradaka na CNCstrugovima ................................................. 49

i

CNC ALATNE MAŠINE

Uvod.

1. U V O D Razvijeno svjetsko tržište danas se suočava s brzim i neprestanim promjenama zbog mnogih faktora, (slika 1.1) koje se ogledaju u dinamici velike ponude novih i raznovrsnih proizvoda, njihovom brzom zastarijevanju, visokim zahtjevima kupaca za kvalitetom i pristupačnim cijenama. U takvim uslovima globalne tržišne konkurencije imperativ je brzo, jeftino i kvalitetno izraditi proizvod.

Slika 1.1. Proizvodno okruženje u 21 stoleću

Prema tome, sa aspekta ekonomičnosti postupaka, glavni ciljevi svih obrada su povećanje dimenzionalne preciznosti i površinske cjelovitosti kvaliteta proizvoda uz istovremeno povećanje brzine uklanjanja materijala (strugotine), kao i smanjenje vremena rada po jedinici proizvoda, smanjenje trošenja alata i utroška pogonske energije. Ovi faktori su uvijek bili važni i ostaju veoma bitni za sadašnju konkurentnu industriju kao i za automatsku proizvodnju. Naime, definišući osnovne ciljeve obrada tj. povećanje proizvodnosti i kvaliteta proizvoda te smanjenje proizvodnih troškova, a kroz njih i sredstva za njihovo ostvarivanje, može se uspostaviti međusobni neprekidni lanac spiralnog razvoja: proizvoda - tehnologija - alatnih mašina (slika 1.2).

Slika 1.2. Spirala razvoja proizvoda-tehnologije-alatne mašine u metalo prerđivačkoj industriji

Najkarakterističnija dva primjera istorijske korelacije između proizvoda, tehnologija i alatnih mašina je razvoj automobilske i avio industrije. Naime, u toku razvoja automobilske industrije nastao je čitav niz alatnih mašina. Tako je za završnu obradu brušenjem koljenastih vratila 1903. godine napravljena brusilica za vanjsko brušenje, koja je vrijeme obrade svela sa 5 časova na 15 minuta. Obrada cilindara motora, koja se izvodila proširivanjem, razvrtanjem i glačanjem, zamijenjena je unutrašnjim brušenjem (1905. godine) i mogla se ostvariti paralelnost od 0,006 mm. 1922. godine je razvijena mašina za brušenje bez šiljaka, koja je također uticala na značajno 1

CNC ALATNE MAŠINE

Uvod.

smanjenje vremena obrade sitnih dijelova u masovnoj proizvodnji. Za proizvodnju karoserija automobila razvile su se mašine za valjanje lima, tehnologija za obradu dubokim izvlačenjem, prosijecanjem i probijanjem, te mašine za te obrade. Razvoj avionske industrije, a time i sve složenijih dijelova, doveli su do pojave numeričkih upravljanih alatnih mašina (1950. godina). Od tada numerički upravljane alatne mašine tj. sistemi imaju dominantan uticaj u industriji. U tabeli 1.1. je dat hronološki pregled razvoja upravljačkih sistema alatnih mašina. Tabela 1.1. Pregled razvoja upravljačkih sistema alatnih mašina 1808. god. 1990. god. 1949-52. god 1954. god. 1959. god. 1960.god. 1968. god. 1968. god. 1970. god. 1972. god. 1980. god. 1984. god. 1986/87 god. 1990. god.

2000. god.

Joseph M. Jacquard koristi metalnu traku za upravljanje tkalačkim strojevima Pojava automatskih strugova John Perason i M.I.T. (Massatussets Institut of Technology). izrada prvog elektronskog upravljanja alatnom mašinom Serijska proizvodnja NC alatnih mašina M.I.T je objavio razvitak prvog jezika za programiranje NC mašina (Jezik je nazvan APT - Automaticaly Programmed Tools) Direktno numeričko upravljanje (eng. Direct Numerical Control – DNC) i pojava robota U kompaniji Kearney & Trecker izrađen je prvi obradni centar D.N.T. Williamson razvio je i prikazao prvi fleksibilni obradni sistem MOLINS 24. FMC, FMS, GT, NC, CNC, DNC, AC Prvi CNC sistemi Pojava CAD/CAM sistema. Razviaju se CAD/CAM sistemi za operativni sistem Unix i za PC računare. Razvoj i primjena industrijskih robota Prva mašina sa grafičkim prikazom obrade na ekranu Stvoreni uslovi za povezivanje mašina – koncept CIM, Pojava upravljačkih računara zasnovanih na otvorenoj arhitekturi (PC Windows/NT based “Open Modular Architecture Control (OMAC)” systems). Razvoj koncepta proizvodnje: Lean, JIT, ( Unmanned manufacturing FOF (Factory of the Future), tvornice budućnosti

Osnove numeričkog upravljanja postavio je 1947. godine John Parsons (1913-2007). Upotrebom bušene trake upravljao je pozicijom alata pri izradi lopatica helikopterskog propelera. Dvije godine poslije, američka vojska sklopila je ugovor sa institutom MIT (Massachustes Institute of Technology in Cambrige, MA, USA) za razvoj programibilne glodalice. Glodalica, Cincinati Hydrotel predstavljena je 1952. godine, imala je elektromehaničko upravljanje i koristila je bušenu traku (slika 1.3.). Iste godine počinje se koristiti naziv numeričko upravljanje (NC). Tadašnja upravljačka jedinica bila je veća od same mašine. U odnosu na konvencionalne mašine značajna promjena je bila uvođenje zasebnih istosmjernih motora za pogon glavnog vretena i suporta. Slika 1.3. Prva NC mašina

2

CNC ALATNE MAŠINE

Uvod.

MIT je 1959. godine razvio prvi jezik za programiranje NC mašina, koji se zvao APT (Automatic Programmed Tools). U civilnoj industriji, primjena numeričkog upravljanja započinje šezdesetih godina dvadesetog vijeka, upotrebom direktnog numeričkog upravljanja DNC (Direct Numercal Control). Ovim je omogućeno direktno slanje programa iz DNC računara u UR CNC mašine. 1970. godine skraćenica DNC dobija novo značenje, odnosno razvojem mikroprocesora počinje era CNC-a (Computer Numerical Control), čime počinje primjena LAN-lokalnih mreža (Local Area Network). Osamdesete godine dvadesetog vijeka u historiskom razvoju numeričkog upravljanja obiljažene su razvojem i upotrebom CAD/CAM sistema. Danas se unos programa u memoriju upravljačke jedinice najčešće vrši pomoću RS232 porta, dok najnovije upravljačke jedinice imaju USB port, čime je omogućen veoma brz prijenos podataka. Posljedica toga je efikasnija i ekonomičnija proizvodnja, naročito komplikovanih mašinskih elemenata, što je i bio cilj razvoja numeričkog upravljanja. Numerički upravljane alatne mašine za obradu skidanjem strugotine (obradu rezanjem) su u prvom periodu proizvodene za pojedine operacije (struganja, bušenja, glodanja, itd.), da bi se u narednom periodu razvili sistemi sa koncipiranom manipulacijom materijala (sirovine). Za izradu dijelova automobila ili poljoprivrednih mašina sa većim brojem operacija, projektuju se sistemi, kod kojih je izvršena koncentracija operacija a koji su međusobno povezani transportnim sredstvima (transfer linije). Naredna faza razvoja koncepta alatnih mašina je koncentracija različitih vrsta obrade, kao što su: bušenje, glodanje, struganje, izrada navoja, itd. kao i automatsko rukovanje kompleksom alata. Ovo su tzv. funkcionalne mašine ili obradni centri. Njihova karakteristika je visoka tehnološka fleksibilnost sa visokim stepenom automatizacije primjenom numeričkog i računarskog upravljanja. Razvojem ovakvih alatnih mašina formiraju se fleksibilni obradni - tehnološki sistemi (eng. Flexible Manufacturimg System) sa računarskim upravljanjem da bi se sistem proširio na integralni proizvodni sistem. Danas imamo sve veću primjenu industrijskih robota koji predstavljaju elemenat povezivanja alatnih mašina a izvršavaju funkciju manipulacije materijalom, alatom i obrađenim komadima. Prema tome, razvoj numeričkog upravljanja je imao za posljedicu razvoj alatnih mašina slijedećim redoslijedom: NC alatne mašine, CNC alatne mašine, obradni centri, fleksibilne obradne ćelije te na kraju fleksibilni obradni sistemi. Naime, za uspješno poslovanje na sve zahtjevnijem globalnom tržištu, potrebno je zadovoljiti zahtjeve kupaca, rješavajući njihove potrebe i probleme. Zahtjeve je moguče rješavati ponudom novih proizvoda i inovacijama postojećih. Bez savremenih CNC alatnih mašina i alata, bez primjene novih tehnologija, itd. nije moguće zadovoljiti te zahtjeve i biti konkurentan. U svim segmentima konkretne proizvodnje, obradni sistemi imaju ključnu ulogu, te je neophodno pratiti trendove i usvajati nova rješenja. U području obradnih sistema za postupke obrade odvajanjem čestica prisutni su sljedeći trendovi: 1. PROCESI OBRADE : 1.1. Modeliranje i simulacija procesa obrade, 1.2. Visokobrzinske obrade, 1.3. Mikro i nano tehnologije obrade, 1.4. Nekonvencionalne tehnologije (obrada laserom, vodenim mlazom, itd.), 1.5. Tehnologije brze izrade prototipa, 1.6. Tvrde obrade, 1.7. „Suhe“ obrade, itd. 2. ALATNE MAŠINE I ELEMENTI : 2.1. Višeosne CNC alatne mašine, 2.2. Modularna gradnja, 3

CNC ALATNE MAŠINE

Uvod.

2.3. Visokoproduktivne alatne mašin, 2.4. Alatne mašine sa paralelnim kinematskim strukturama (HEXAPOD-i), 2.5. Linearni pogoni, 2.6. Motor-vretena, 2,7. Klizno vodeći sistemi (zavojno vreteno sa kuglicama i navrtkom), 2.8. Integriranje više postupaka obrade na jednoj mašini, itd. 3. UPRAVLJANJE ALATNIM MAŠINAMA : 3.1. Upravljačke jedinice za visokobrzinske obrade, 3.2. Razvoj korisničkog SW, 3.3. Umrežavanje upravljačkih računara, 3.4. HW i SW za monitoring i dijagnostiku procesa i mašina, itd. 4. PROJEKTOVANJE PROCESA OBRADE : 4.1. Primjena CAD/CAM sistema i CAE, 4.2. CAPP sistemi, 4.3. Razvoj specifične programske podrške (postprocesori, baze podataka, posebni programski moduli prilagođeni specifičnim zahtjevima korisnika), 4.4. Optimizacija procesa, 4.5. SW za planiranje i praćenje proizvodnje, 4.6. Primjena STEP standarda, itd. 5. REZNI ALATI I PRIHVATI : 5.1. Alatni materijali i geometrije, 5.2. Presvlake i tehnologije presvlačenja, 5.3. Prihvati alata, posebno sa stanovišta primjene visoko brzinskih obrada, 5.4. Prihvat obradaka, 5.5. Prednamještanje alata, 5.6. Strategije zamjene alata i obradaka, itd. Zaključak je, da pred današnje specijalizirane proizvodne firme za obradu matala odvajanjem čestica postavljaju se visoki zahtjevi za samu obradu, a neki od njih su: optimalni kvalitet obrade, niski troškovi proizvodnje, poštivanje rokova isporuke, racionalno upravljanjem materijalom i informacijskim tokovima u proizvodnom sistemu, itd. Sve to je nezamislivo bez novih pristupa u postupcima obrade kao što je CNC tehnologija (CNC alatne mašine, projektovanje procesa obrade, itd.). Savremeni obradni sistemi, pored kontinuiranih zahtjeva ka većem stepenu automatizacije i fleksibilnosti, sve više trebaju ispunjavati zahtjeve integracije i inteligencije, odnosno pokazati sposobnost autonomnosti. U upravljačkom segmentu, stalno se traga za novim rješenjima koje će odgovoriti na pitanje kako omogućiti proizvodnim sistemima da se prilagode brzim promjenama u okolini. Pri tome se najčešće spominju: a) b) c) d) e)

Intelligent Manufacturing Systema – Inteligentni proizvodni sistemi, Genetic Manufacturing System – Genetski proizvodni sistemi, Biological Manufacturing System – Biološki proizvodni sistemi, Virtual Manufacturing System – Virtualni proizvodni sistemi, Reconfigurable Manufacturing Systems – Rekonfigurabilni proizvodni sistemi, itd.

Proizvodne firme će se stalno susretati sa čestim i nepredvidivim tržišnim promjenama, kao što su: uvođenje novih proizvoda, promjene količine i kombinacije proizvoda, nove komponente za postojeće proizvode, nove tehnologije, itd. Zato firme moraju koristiti proizvodne sisteme koji će u potpunosti moći odgovoriti navedenim zahtjevima. O značaju obradnih sistema za industrijsku razvijenost pokazuje prikaz o potrošnji obradnih mašina u periodu 2001 – 2007 godine, slika 1.4.

4

CNC ALATNE MAŠINE

Uvod.

Slika 1.4. Proizvodnja obradnih mašina u nekim zemljama

Posebno, pronalazak novih materijala za rezne alate sa kojima se mogu realizovati sve veće i veće brzine rezanja, dovela su do razvoja novih konstrukcionih rješenja alatnih mašina u cjelini, kao i njihovih elemenata, uređaja i mehanizama. Ovdje se prije svega misli na glavna vretena, pogonske mehanizme i mehanizme pomoćnih kretanja (snaga, obrtni momenti i brojevi obrtaja). Prema tome, razvoj novih (kvalitetnijih) materijala za rezne alate je stvorio nov i cjelovit pristup u dizajniranju alatnih mašina i obradnih sistema. Najznačajniji zahtjevi u dizajniranju novih alatnih mašina su:  povećanje snage i broja obrtanja glavnog vretena (primjena novih reznih alata a time i implementacija visokobrzinske obrade),  kontrola temperature glavnog vretena,  automatska kompenzacija istrošenja alata (unos korekcije za alate, nadzor nad istrošenjem i lomom alata, itd),  automatski transport i izmjena alata, obradaka i pribora,  automatsko stezanje obratka u radnom prostoru mašine,  optimiranje režima obrade,  simulacija tehnološkog procesa,  kontrola glavnog, te pomoćnog kretanja numerički upravljanih osa pomoću računarske obrade podataka, itd.  čišćenje i odvod odvojenih čestica (pranje, sušenje i hlađenje obradaka, itd),  preventivno održavanje uz dijagnosticiranje i signalizaciju s jasnim tekstom opisa smetnji, itd. Velika očekivanja u daljem napretku proizvodnog inženjerstva usmjerena su prvenstveno prema visokobrzinskim tehnologijama (struganje, glodanje, bušenje, brušenje, struganje-glodanje) koje su u posljednjih desetak godina postale ključne tehnologije obrade odvajanjem čestica i značajno su potisnule tehnologije konvencionalnih obrada. Uporedo sa razvojem alatnih mašina tekao je i razvoj automatizacije (upotreba elektronike) a time i racionalnijih metoda proizvodnje kao i primjena novih tehnologija. Na osnovu ovog kratkog pregleda može se zaključiti da su se desile i da se dešavaju vrlo značajne promjene u konstrukciji alatnih mašina što dovodi do stalnog poboljšanja njihovih eksploatacionih i proizvodnih karakteristika. Zapravo, porast produktivnosti ostvarivao se i ostvaruje:  pronalaskom novih mašina za nove operacije ili nove tehnologije,  koncepcijsko konstruktivnim razvojem postojećih mašina i  prevođenjem izrade dijelova ili proizvoda iz jedne u drugu tehnologiju. Za analizu koncepcijsko – konstruktivnog razvoja alatnih mašina polazi se od:  koncepta alatne mašine,  konstrukcije sklopova, 5

CNC ALATNE MAŠINE

Uvod.

 sistema materijala,  energetskog sistema i  sistema upravljanja. Može se zaključiti da je koncept alatne mašine višedimenzionalni problem, posebno ako se alatna mašina posmatra u zavisnosti od njene fleksibilnosti.

6

dr.sci Ahmet Čekić

CNC ALATNE MAŠINE

2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE CNC ALATNIH MAŠINA Za uspješno poslovanje na sve zahtjevnijem globalnom tržištu, potrebno je zadovoljiti zahtjeve kupaca, rješavajući njihove potrebe i probleme. Zahtjeve je moguče rješavati ponudom novih proizvoda i inovacijama postojećih. Bez savremenih metoda, alatnih mašina i alata, bez primjene novih tehnologija, nije moguće zadovoljiti te zahtjeve i biti konkurentan. U svim segmentima konkretne proizvodnje, obradni sistemi imaju ključnu ulogu te je neophodno pratiti trendove i usvajati nove tehnologije i rješenja u ovom području. Na slici 2.1 su prikazani osnovni zahtjevi savremene proizvodnje.

Osnovni zahtjevi savremene proizvodnje

Slika 2.1. Osnovni zahtjevi savremene proizvodnje

Rješavanje sve većih zahtjeve tržišta kao i automatizacija maloserijske i serijske proizvodnje se uspešno izvodi primjenom CNC alatnih mašina. Njihova primjena dovodi do: povećanja proizvodnosti, povećanja tačnosti obrade, povećanja vremenskog stepena iskorišćenja mašine, itd. Osnovne prednosti CNC alatnih mašina u odnosu na dvije skupine konvencionalnih mašina: 1.

Prema konvencionalnim neautomatizovanim univerzalnim mašinama znatno veća proizvodnost, 7


CNC ALATNE MAŠINE

veći udio mašinskog vremena tm u vremenu operacije, visoka tačnost (stalnost parametara i precizno vođenje alata). 2.

Prema automatskim konvencionalnim mašinama: nepotrebna izrada fiksnih skupih nosioca programa (šabloni, itd.), velika fleksibilnost tj. brza promjena programa uz širi spektar uz povećane mogućnosti mašine (ako npr. su veće količine ili imamo česte izmjene oblika i dimenzija proizvoda, itd.).

Primjenom CNC alatnih mašina prisutni su i sljedeći nedostaci: obavezno planiranje rada (TP) do u detalje bez obzira na količinu, veliki investicijski troškovi i veća cijena radnog sata, veći zahtjevi prema osoblju u pripremi i održavanju, itd. Međutim, prednosti su izraženije – zato je stalan i sve brži razvoj i zastupljenost CNC alatnih mašina u metaloprerađivačkoj industriji a naročito zbog: a) povećanje proizvodnosti b) povećanje kvaliteta proizvoda i c) smanjenje proizvodnih troškova.

2.1. Osnovne definicije: NC, CNC, CIM, CAQ, CAD, CAM, CAD/CAM, CAP, PPC a)

NC – sistemi (mašina+upravljačka jedinica sa dijelom za obradu podataka i upravljačkim krugovima - ožičenja). Uvođenjem NC upravljanja omogućena je racionalna proizvodnja dijelova i u pojedinačnoj i maloserijskoj proizvodnji (85%) što nije bilo moguće kod konvencionalnog načina upravljanja. Princip rada NC sistema: Podaci preko nositelja informacija u obliku signala ulaze u dekoder, gdje se vrši dekodiranje informacija koje se zatim šalju preko “memorije” u interpolator. Tu se informacija predstavlja u vidu putanje alata. Preko povratne veze mjerni sistem obavlja identifikaciju položaja alata i zajedno sa zadanim veličinama u interpolatoru vrši se usporedba položaja i šalje signal za korekciju (ako je potrebna). Cijeli ovaj proces se odvija po programskim blokovima (jedan po jedan) i brzina izvođenja programa ovisi isključivo o brzini čitača informacija.

b) CNC – sistemi (mašina+upravljačka jedinica na bazi računara tj. NC+ računar = CNC. Razvojem softvera i hardvera današnji CNC sistemi upravljanja predstavlja visok stepen automatizacije proizvodnih funkcija (programiranje na mašini, upravljanje alatima, materijalom, mjerenja, složene interpolacije, dijagnosticiranje stanja mašine, video upute za održavanje sistema, grafička simulacija, itd.). Uticaj računara na NC programiranje

8


CNC ALATNE MAŠINE

A.M. dovela je do značajnog smanjenja vremena posebno kod višeosnog programiranja konstrukcijskih zahtjevnih djelova (složene geometrije). c)

CIM - računarom podržana proizvodnja (Computer Integrated Manufacturing). CIM predstavlja zajedničko informacijsko-tehničko djelovanje svih faktora proizvodnje, koji koriste zajedničku bazu znanja. Obuhvata zadatke razvoja, projektovanja, konstrukcije, planiranja, obrade do ispitivanja i isporuke. CIM nije metoda racionalizacije niti proizvod koji se može kupiti i instalirati, već je to način razmišljanja i rada koji, u usporedbi s drugim proizvodnim subjektima, može dati šansu za dugoročniji ekonomski uspjeh.

d) CAQ - računarom podržano upravljanje (osiguranje) kvalitetom (Computer Aided Quality). Osnovni cilj osiguravanja kvalitete je preglednost i kompletnost, te dorečenost tehničko-tehnološke dokumentacije, koja prati proizvod od narudžbe do eksploatacije, tj. u svim fazama vijeka proizvoda, te poticaj za napredovanje u organizaciji i primjeni sredstava za kontinuirano upravljanje kvalitetom, kako bi proizvod uvijek bio na potrebnom nivou kvaliteta. e)

CAD - računarom podržano projektovanje (Computer Aided Design) Računarom podržano projektovanje zajednički je naziv za sve organizacijske aktivnosti pri konstruisanju i razvoju proizvoda, uz izravnu i posrednu pomoć računara, kao što su: funkcionalno, estetsko, ergonomsko i montažno oblikovanje proizvoda, završno dimenzionisanje, izrada tehničke dokumentacije, tehničke analize i proračuni, simulacija, provjeravanje tehnologičnosti proizvoda, Oblikovanje proizvoda je postupak određivanja geometrijskog i vizualnog izgleda na osnovi predviđenih slijedećih zahtjeva: funkcionalnih mehaničkih estetskih ergonomskih montažnih tehnoloških.

f)

CAD/CAM - računarom podržana proizvodnja (Computer Aided Manufacturing). Posebno je interesantna direktna veza CAD/CAM sistema, prema kojoj se dimenzije projektovanog dijela, potrebne za obradu, izuzimaju iz CAD sistema i na temelju njih u CAM sistemu se može izraditi datoteka putanje alata koja se postprocesorom prevodi u numerički program za određenu upravljačku jedinicu.

9


CNC ALATNE MAŠINE

g) CAP - računarom podržano planiranje (Computer Aided Planing) Područje pripreme rada nalazi se između konstrukcije i izrade, a dijeli se na planiranje rada i upravljanje. U granicama planiranja rada provode se sve aktivnosti koje se obično jednom pojavljuju i koje osiguravaju proizvodnju. Upravljanje radom obuhvata sve aktivnosti, potrebne za planiranje rada i odvijanje procesa. h) PPC - planiranje i upravljanje proizvodnjom (Production Planning and Control). Planiranje i upravljanje proizvodnjom primarno je područje EOP-a sadašnjice. Ovaj posao radi se već desetljećima, tako da danas ima dosta programskih paketa koji različitim postupcima uspješno rješavaju ovu problematiku, pripremajući firmu za provođenje osiguravanja kvaliteta i uvođenje CIM-a.

2.2. Razlika između konvencionalnih (klasičnih) i CNC alatnih mašina Kad govorimo o obradi predmeta pomoću konvencionalnih i CNC alatnih mašina mogu se postaviti određena pitanja. Je li CNC obrada bolja i ako jeste, zašto? Ima li sličnosti među tim obradama? Upoređujući ova dva načina obrade može se zaključiti da je osnovni pristup pri projektovanju tehnologije gotovo jednak: • • • • • • •

Analiza crteža i ostale dokumentacije, Izbor operacija obrade, Određivanje baznih površina i izbor načina stezanja, Odabir odgovarajućih alata, Proračun optimalnog režima obrade, Izrada programa i testiranje (za CNC alatne mašine), Izrada predmeta.

Razlika je u predzadnjoj aktivnosti koje na konvencionalnim mašinama nema. Međutim, pri samoj obradi pojavljuju se bitne razlike. Operater na konvencionalnoj mašini pomoću jedne ili obje ruke obavlja uključivanje/isključivanje posmaka, rashladnog sredstva, itd. tj. obavlja vođenje alata. Za to su potrebni znanje i određene vještine. O stepenu vještina zavisit će i kvalitet i vrijeme izrade. Problem nastaje kad je potrebno izraditi više potpuno istih predmeta. Po prirodi čovjek ne može ponoviti sve postupke na jednak način, što kao rezultat daje razlike u dimenzijama predmeta i kvalitetu obrađene površine. Kod CNC alatnih mašina mikroprocesor vodi alat uvijek na jednak način čime se postiže da je svaki izradak u serijskoj proizvodnji isti. Iz ovog se može zaključiti da su CNC alatne mašine uvijek superijornije nad klasičnim mašinama. Međutim ako je potrebno izraditi samo jedan jednostavan predmet ipak konvencionalne mašine imaju prednost (ekonomičnost proizvodnje). Ove prednosti CNC alatnih mašina, dobijene su ugradnjom specifičnih komponenti kao što su: klizno–vodeći sistemi CNC mašina (vođice i sistemi za prenos kretanja), zavojno vreteno sa navrtkom, itd. Izrada i konstrukcija CNC alatnih mašina se u mnogome razlikuje od izrade i konstrukcije konvencionalnih alatnih mašina kako u osnovi mašinskog sistema tako i u osnovi upravljanja. 10


CNC ALATNE MAŠINE

Ova razlika proizilazi iz potrebe za boljim performansama alatnih mašina, te se u tom cilju navodi nekoliko karakteristika CNC alatnih mašina: a) Veći stepen iskorištenja – veće brzine obrtaja i brzine pomoćnih kretanja, veće ugrađene snage motora, itd. (omogućena upotreba savremenuh reznih alata). b) Viša tačnost – uslovljeni viši zahtevi kod konstrukcije strukture u pogledu krutosti, prigušenja eliminisanju toplotnih deformacija i habanja. c) Upravljanje svim funkcijama mašine je daljinsko. Svi prenosnici glavnog i pomoćnog kretanja su posebno konstruisani, i obično nezavisno upravljani, a povezani električnim i elektronskim putem. d) Izmenjivači alata, nosači alata su automatizovani a funkcije izmjene alata uključene u dio numeričkog upravljanja. e) Mjerni sistem je dio cjelokupnog sistema i najčešće u zatvorenom kolu sa ostalim djelovima numeričkog upravljanja. f) Vretena CNC mašina, glavna i pomoćna, izvedena su sa višim stepenom tačnosti, većih su dimenzija a uležištenju se posvećuje posebna pažnja u pogledu krutosti, prigušenja oscilacija i toplotnih deformacija, itd. Pored navedenih razlika, treba imati u vidu i suštinske. Konvencionalna mašina je orjentisana za direktnu obradu materijala, a kod numerički upravljane alatne mašine prvo se obrađuju informacije, a zatim odgovarajuće jedinice, na osnovu obrađenih informacija, vrše kretanja koja služe za neposrednu obradu materijala pripremka. Osnovne razlike između konvencionalnih i CNC alatnih mašina (slika 2.2) su: a)

Pogon mašine – kod konvencionalnih mašina najčešće radi se o skupnom pogonu tj. jedan motor pogoni i glavno vreteno i ostala kretanja radnog stola, dok kod CNC mašina postoji jedan glavni motor za pogon glavnog vretena a kretanje po osama ostvaruju posebni istosmjerni motori.

b)

Upravljanje mašine – izvodi se kod konvencionalnih mašina ručno ili mašinski preko ručica za upravljanje dok CNC alatne mašine imaju upravljačku jedinicu (tastatura i ekran) i rade automatski preko programa.

c)

Mjerni sistem mašine – sastoji se od skale sa nonijusom (konvencionalne mašine) ili preciznijeg linearnog sistema mjerenja (CNC alatne mašine).

d)

Pomak radnog stola – ostvaruje se trapeznim navojem (konvencionalne mašine) ili kugličnim navojnim vretenom (CNC mašina).

11


CNC ALATNE MAŠINE

Slika 2.2. Razlika između konvencionalnih (a) i CNC alatnih mašina (b)

2.3.

Karakteristike i vrste CNC alatnih mašina

Izrada i konstrukcija CNC alatnih mašina se u mnogome razlikuje od izrade i konstrukcije konvencionalnih alatnih mašina kako u osnovi mašinskog sistema tako i u osnovi upravljanja. Ova razlika proizilazi iz potrebe za boljim perfomansama alatnih mašina, te se u tom cilju navode najvažnije karakteristike CNC alatnih mašina: • • • • • • • •

Veći stepen iskorištenja, Viša tačnost, Upravljanje svim funkcijama mašine je daljinsko, Izmjena alata je automatska, Mjerni sistem je dio cjelokupnog sistema, Vretena CNC alatnih mašina (glavna i pomoćna) su izvedena sa višim stepenom tačnosti, Obilno podmazivanje i hlađenje alata, Korištenje najkvalitetnijih reznih alata, itd.

Na slici 2.3. je prikazana struktura CNC alatne mašine. Današnji standard kod CNC alatnih mašina je softver na bazi Windows sistema, grafika i simulacija (3D) u boji što omogućava brzo programiranje i editiranje programa na licu mjesta ili prijenos podataka sa računara na upravljačku jedinicu mašine.

12


CNC ALATNE MAŠINE

Slika 2.3. Struktura CNC alatne mašin

CNC alatne mašine za obradu skidanjem strugotine su brojne i različite. Najzastupljenije, u metaloprerađivačkoj industriji prema vrsti tehnoloških operacija su: • • •

Glodalice i obradni centri, Strugovi i strugarski centri, Bušilice Brusilice.

Danas se sve više proizvode tzv. višeoperacijske numerički upravljane alatne mašine. Postoje slijedeće vrste prema obliku obratka, koji se na njima mogu obrađivati: obradne centre - za obradu prizmatičnih obradaka: glodanjem, bušenjem, struganjem i brušenjem, strugarske centre - za obradu osnosimetričnih obradaka: struganjem, bušenjem, glodanjem i brušenjem i brusne centre - za brušenje složenih brusnih površina. Najznačajniji trendovi razvoja savremenih sistema alatnih mašina su:  viskobrzinski pogoni glavnih vretena,  aplikacija linernih motora ili paralelne kinematike,  rastuće upotrebe tehnologije regulacije, simulacije i upravljanja,  mrežne informacije i komumnikacija, itd. Kako instaliranje novih tehnologija traži odgovarajuće mašine uz maksimalnu fleksibilnost i modularnu gradnju. Proizvode se slijedeće vrste:   

Alatne mašine s visokobrzinskim radnim vretenima Alatne mašine s linearnim i “torqe” motornimposmičnim pogonima Alatne mašine na bazi paralelnih kinematičkih struktura

13


CNC ALATNE MAŠINE

Pogoni modernih alatnih mašina sve češće se baziraju na direktnim pogonima integriranim u strukturu mašine. Na slici 2.4. je data struktura jedne modularne obradne ćelije

Slika 2.4. Struktura jedne modularna obradna ćelija (projekt HSTEC d.d.)

2.4.

Komponente CNC alatnih mašina

Kvalitet i pouzdanost CNC alatnih mašina zavisi od različitih mašinskih elemenata i podsistema mašine. Pojedini važniji dijelovi CNC alatnih mašina su: a) noseća struktura mašne, b) vođice, c) pogoni za glavna i pomoćna kretanja, d) vreteno i uležištenje vretena, e) mjerni sistemi, f) upravljačka jedinica i interfejs operatera, g) senzori, h) sistem za nadgledanje alata, itd. 2.4.1. Noseća struktura mašine Svi motori, prijenosni i drugi funkcionalni dijelovi alatne mašine, povezani međusobom, čvrsto su vezani za noseću strukturu mašine. Tako da je noseća struktura mašine izložena statičkim i dinamičkim silama, pa je zbog toga veoma važno da se noseća struktura mašine ne deformiše ili ne osciluje, preko dozvoljene granice, kada je izložena djejstvu sila koje su prisutni pri obradi. Sve komponente mašine moraju da ostanu u tačnom relativnom položaju da bi zadržale geometrijsku tačnost, bez obzira na intenzitet i pravac djejstva sila. Na konfiguraciju noseće strukture mašine takođe utiču način proizvodnje, montaže i rukovanja alatnom mašinom. U daljem djelu teksta biće reči o osnovnim faktorima koji utiču na izradu noseće strukture alatne mašine. 2.4.1.1. Statičko opterećenje alatne mašine Statičko opterećenje, kod alatne mašine, potiče od težine kliznih djelova, obratka i sila koja se javljaju prilikom rezanja. Da bi se deformacija strukture tokom statičkog opterećenja kretala u 14


CNC ALATNE MAŠINE

dozvoljenim okvirima, noseća struktura treba da ima adekvatnu krutost i odgovarajuću konfiguraciju strukture. Generalno gledano postoje dvije osnovne konfiguracije alatnih mašina, kao što je prikazano na slici 2.5.

Slika 2.5. Najčešće korištene konfiguracije CNC ačlatnih mašina

2.4.1.2. Dinamičko opterećenje Dinamičko opterćenje je termin koji se koristi za sile koje se neprekidno mijenjaju i pri tom djeluju na noseću strukturu alatne mašine tokom njenog rada. Ove sile dovode do vibracija cijelog mašinskog sistema. Vibracije mogu da potiču od: a) neizbalansiranih rotirajućih elemenata, b) nedozvoljenog uparivanja zupčanika, c) nepravilno izvedenog uležištenja, d) promjena u intenzitetu sile rezanja tokom obrade (npr. glodanje), itd. Uticaj ovih vibracija na performanse mašine se smanjuje: a) povećanjem krutosti strukture mašine i b) poboljšanjem prigušnih svojstava. 2.4.1.3 Termičko opterećenje Kod alatnih mašina postoji veći broj lokalnih toplotnih izvora koji povećavaju toplotni gradijent unutar mašine. Neki od toplotnih izvora su: a) b) c) d)

električni motor, trenje u mehaničkom pogonu i prenosnicima, proces obrade, temperatura okoline, itd.

Ovi toplotni izvori prouzrokuju lokalne deformacije, što za posljedicu ima značajno pogoršanje performansi mašine. Da bi smanjili termičko opterećenje treba se generalno pridržavati sledećih pravila: a) b) c) d)

pogon (motor i prenosnik) treba montirati na spoljnom dijelu mašine, adekvatnim podmazivanjem otkloniti temperaturu nastalu usled trenja u ležajevima i vođicama, adekvatnim sredstvom za hlađenje i sistemom za otklanjanje strugotine otkloniti temperaturu nastalu tokom obrade, strukturu mašine izraditi u termo-simetričnom dizajnu, itd. 15


CNC ALATNE MAŠINE

2.4.2. VOĐICE Vođice se, kod alatnih mašina, koriste za: a)

upravljanje pravcem i smjerom kretanja suporta ili radnog stola za koja je alat ili obradak pričvršćen, apsorbciju svih statičkih i dinamičkih sila.

b)

Oblik i veličina obratka zavisi od tačnosti pri kretanju te od geometrijske i kinematske tačnosti vođica. Geometrijski odnos klizača (pokretnog dijela) i vođice (stacionarnog dijela) sa osnovom mašine određuje geometrijsku tačnost mašine. Kinematska tačnost zavisi od odstupanja od pravosti, ravnosti i paralelnosti vođica. Ova odstupanja dovode do mnoštva pratećih grešaka kao što su greške u koraku, putanji, ili obrtaju što je teško izmjeriti i ispraviti. Također, tokom dužeg rada mašine može doći do habanja vođica što smanjuje tačnost vodećeg kretanja rezultujući tako grešku u kretanju i pozicioniranju. Tokom obrade obradka, vrijednost translacionog kretanja (veličina pomjeranja) može biti najmanje 20 mm/min, dok tokom operacija kretanja bez obrade kao što je na primjer pozicioniranje (veličina pomjeranja) i do 50 m/min. Tokom izrade vođica treba obraditi pažnju na sledeće:       

tvrdoću, sposobnost prigušenja, geometrijsku i kinematsku tačnost, brzinu klizanja, karakteristike i otpornost trenja, mogućnost podešavanja zazora, zaštitu od strugotine, itd.

Ovi faktori variraju u zavisnosti od primjene vođica i prema tome izbor vođica i njihove geometrije može biti od kritične važnosti u pojedinim slučajevima. Relativni položjaj pogonskog mehanizma u odnosu na vodeće strane klizača je veoma važan. U idealnom slučaju pogonski mehanizam bi trebalo da bude postavljen tako da otpor trenju i sila trenja u vodećem sistemu budu konstantni. Postoje dva tipa vođica a) vođice sa trenjem, oblika: cilindrične, V-vođice (prizmatične vođice), ravne i vođice u obliku lastinog repa (primjena kod konvencionalnih alatnih mašina, b) vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem (LM) (primjena kod CNC alatnih mašina) 2.4.2.1. Vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem Ove vođice se koriste kod CNC alatnih mašina da bi : a) b) c) d)

smanjile habanje, obezbjedile mirno kretanje, smanjile trenje, smanjile generisanje toplote

16


CNC ALATNE MAŠINE

Antifrikcione vođice se također koriste da bi se prevazišao relativno visok koeficijent trenja kod kontakta metal--metal. One koriste kotrljajuće elemente između pokretnih i nepokretnih dijelova mašine i u odnosu na vođice sa trenjem obezbeđuju slijedeće prednosti: a) b) c) d) e)

mali otpor trenju, jednostavnost montaže, komercijalno se isporučuju u stanju spremnom za ugradnju, sposobnost nošenja velikih opterećenja, mogućnost predopterećenja sa većim silama, itd.

U poređenju sa vođicama sa trenjem glavni nedostatak ovih vođica je njihova mala sposobnost prigušenja. Proizvođači mašina alatki koriste više konstrukcionih opcija za vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem i to: recirkulacionom posteljicom, linearne ležajeve sa kuglicama i valjcima kao recirkulacione vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem, recirkulacione valjkaste ležajeve i poprečne valjkaste ležajeve. Iako rotirajući elementi ležajeva imaju slabije karakteristike prigušenja od vođica sa trenjem zbog veće brzine traverse vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem, se više koriste. Recirkulaciona posteljica Na slici 2.6. prikazana je konstrukcija sa recirkulacionom posteljicom. Proizvođači na tržištu nude zaptivene i nezaptivene vođice, što je prikazano na slici 2.7. Najtačnija tolerancija vratila za neke aplikacije iznosi 0.005 mm.

Slika 2.6. Detalj unutrašnje konstrukcije recirkulacione posteljice

Slika 2.7. Zatvoreni i otvoreni tipovi recirkulacione posteljice

2.4.2.2. Linearni ležajevi sa kuglicama i valjcima Veliki broj CNC alatnih mašina uglavnom koriste valjke da bi obezbjedili kretanje kotrljanjem. Valjci se kotrljaju preko vođica koje su izrađene na odlivku mašine. One veoma efikasno obezbjeđuju mirno i lako kretanje, ali zahtevaju tačnost forme pri izradi na odlivku. Površine koje su u kontaktu sa valjcima treba da budu kaljene. Da bi smanjili problem izrade i tačnosti forme, na postolju mašine mogu da budu pričvršćene okaljene čelične šine sa specijalizovanim oblikom za vođenje, a duž šina se pokreće po par specijalnih blokova sa recirkulacionim kuglicama. Kuglice obezbeđuju kretanje kotrljanjem i 17


CNC ALATNE MAŠINE

sve dok kontaktna forma šina odgovara formi kuglica postojaće kontakt po liniji između kuglica i šina. Ovim postupkom je smanjen koeficijent trenja. Ove vođice zahtevaju izuzetno preciznu izradu. Različite forme linearnih vođica su prikazane na slici 2.8, dok je primjena i metode montiranja ovih vođica objašnjena na slici 2.9.

Slika 2.8. Različite forme linearnih vođica

Korišćenje jedne šine

Krišćenje dve šine pri čemu se LM blok kreće

Krišćenje dve šine pri čemu se LM šina kreće

Korišćenje dve šine jedne naspram druge

Slika 2.9. Primjena i metode montiranja linearnih ležajeva

2.4.2.3. Ostale vođice Pored konvencijalnih tipova vođica u upotrebi su kod CNC alatnih mašina i sledeći tipovi vođica a) hidrostatičke b) aerostatičke vođice Kod hidrostatičkih vođica površina klizača je odvojena od vođice veoma tankim filmom fluida pod pritiskom većim od 300 bara. Uljni film se pri kretanju održava uz pomoć spoljnjeg hidrauličnog agregata koji stvara odgovarajući pritisak. Pozitivan zazor između vođica je kontrolisan i mali je, ili ne postoji u stacionarnom stanju kada mašina ili agregat ne rade, a stvara se smo pod dejstvom pritiska ulja. Habanje trenjem su u potpunosti eliminisani. Uz pomoć ovih vođica dobija se visok stepen dinamičke krutosti i prigušenja pa obje ove karakteristike doprinose dobrim sposobnostima obrade. Upotreba ovih vođica ograničena je visokom cijenom izrade i teškoćama pri sastavljanju.

18


CNC ALATNE MAŠINE

Kod aerostatičkih vođica klizač je podignut na „jastuku“ koji se formira komprimovanjem vazduha, čime se u potpunosti razdvajaju klizač i površina vođica. Osnovno ograničenje ovih vođica je njihova slaba krutost što ograničava njihovo korištenje samo na pozicionu upotrebu (mašina za koordinatno mjerenje). Izbor vođica za pojedinu upotrebu u osnovi zavisi od zahtjeva nosivosti, prigušenja i brzine traverse. Stoga se, zbog ispravnog i komecijalno opravdanog izbora vođica, navodi nekoliko karakteristika koje vođenje treba da ispuni. Upoređivanje je vršeno za dvije vrste vođenja: klizno i korljajno što se vidi iz tabele 2.1. Tabela 2.1. Uporedne karakteristike vođenja Osobine Klizno vođenje Prigušenje vibracija Dobro Tačnost vođenja Dobro Opseg broja obrtaja Širok Troškovi održavanja Veliki Mogućnost hlađenja Velika Pogonska sigurnost Slaba

Kotrljajno vođenje Loše Srednje Srednji Srednji Srednja Visoka

Algoritam za izbor odgovarajućeg tipa linearnog ležaja sa kuglicama dat je u daljem tekstu. Ovaj algoritma je dao jedan od velikih proizvođača linearnih ležajeva THK.

19


CNC ALATNE MAŠINE

20


CNC ALATNE MAŠINE

2.4.3. Pogoni za glavno kretanje alatnih mašina Na slici 2.10. je data podjela elektro i hidrauličnih motora za ostvarivanje glavog kretanja alatnih mašina.

Slika 2.10. Vrste motora za glavno kretanje alatnih mašinaa

Prednosti primjene elektromotra za glavno kretanje su: veći životni vijek, veći stepen iskorištenja, smanjena proizvodnja toplote a prednosti primjene hidrauličnih motora su: mogućnost brzog ubrzanja i niže efektivne težine. Prednosti istosmjernih elektromotora su:     

relativno dobra dinamika rada konstantan rad, nizak nivo buke, širok opseg štelovanja broja obrtaja, jednostavno upravljanje, itd,

Sinhroni motori se u odnosu na istosmjerne motore odlikuju sa višom dinamičnošću i mogu se sa njima postići visoki brojevi obrataja. A osnovne karakteristike asihronih motora su:    

održavanje velikih brojeva obrtaja i pod opterećenjem, niska cijena, jednostavna i kruta konstrukcija izvedbeno zamišljen kao standardni glavni pogon, itd.

Ipak, pogoni modernih alatnih mašina sve češće se baziraju na direktnim pogonima integriranim u strukturu mašine – motorvretena, slika 2.11. Osovina motorvretena je ujedno i glavno vreteno alatne mašine u kojoj je integrirana vučna poluga sistema za prihvat alata, slika 2.12. Zahtjev za postizanjem visokih brzina obrade dovodi do niza projektnih rješenja vretena mašina za obrade velikim brzinama. Tako da pogone viskobrzinskih vretena možemo svrstati u dvije osnovne grupe: a) b)

vretena sa integriranim motorom tj. HS MOTORVRETENA i visokobrzinski motori za pogon viskobrzinskih komponenata HS MOTORI

21


CNC ALATNE MAŠINE

a)

b)

Slika 2.11. Prikaz HSK sistema stezanja alat

Stalno je prisutna težnja za projektovanjem alatnih mašina sa sve većim brojem obrtaja reznog alata ili radnog predmeta. Tu postoji niz ograničavajućih faktora koji definiraju mogućnosti realnog porasta brzine obrtaja, te niz poremećaja sistema: mašina-alat-obradak, o kojima treba voditi računa pri projektovanju sistema za glavno kretanje. Za potrebe visokobrzinske obrade u posljednjih nekoliko godina najčešće se koriste glavna vretena sa integriranim motorom tzv. motorvretena. Oni su toliko sada razvijeni, da sve više istiskuju konvencionalne pogonske motore. Ovi motori nemaju klizne kontakte, pa osim ležajeva nema drugih dijelova koji su izloženi mehaničkom trošenju. Nedostatak im je što integrirani motor stvara dodatnu toplotu u vretenu. Već u samom razvoju motorvretena potrebno je definisati sve moguće opcije (funkcije) za izbor projektnog riješenja te analizirati sve funkcije ograničenja i moguće poremećaje sistema i procesa (slika 2.12.).

Slika 2.12. Funkcije pri razvoju visokobrzinskog motorvretena

22


CNC ALATNE MAŠINE

U tabeli 2.2. su date varijante parcijalnih funkcija: Tabela 2.2. Varijante mogućih rješenja parcijalnih funkcija

Naime, glavni zahtjevi motorvretena su visoka tačnost u radu, velik broj obrtaja, veća snaga, visoka krutost, niska pogonska temperatura te visoka pouzdanost. Neki od ovih zahtjeva su u suprotnosti jedni s drugima. Iz ovog razloga ne mogu svi biti istovremeno ispunjeni. Stoga je važno da se kod razvoja motorvretena zahtjevi tačno razmatraju i vrednuju s obzirom na potrebe i pogonske uslove. Uzimajući u obzir zahtjeve i karakteristike koje treba imati obradni sistem, pri izboru visokobrzinskog motorvretena potrebno je između ostalog riješiti slijedeće: a)

Izbor i predopterećenja ležajeva

Zavisno o zahtjevima, za visokobrzinska vretena alatnih mašina koriste se različiti tipovi ležajeva: kotrljajući, hidrodinamički, hidrostatički, aerostatički i elektromagnetski ležajevi. Za velike brzine primjenjene u savremenoj tehnologiji, danas se najčešće koriste visokoprecizni kuglični ležajevi s kosim dodirom i sa keramičkim kuglicama. Naime, keramički ležaji u metalnom kućištu (hibridni ležaji) se odlikuju manjom masom i većom krutošću. Za visokobrzinsko glavno vreteno je bitna obodna brzina ležaja prednjeg uležištenja, koja može iznositi i do 200 m/s. Prema najnovijim saznanjima sa kugličnim hibridnim ležajevima i sa ugaonim kontaktom uz sistem minimalnog podmazivanja ubrizgavanjem ulja i zraka, moguće je postići brzine opisane DN brojem i do 3 . 106 mm/min. Sljedeći problem koji je potrebno definisati je predopterećenje (prednaprezanje) ležajeva. Predopterećenje ležajeva postiže se na tri načina: ugradbenim tolerancijama, oprugama i hidraulički. Ono se vrši nakon ugradnje, i služi za usklađivanje djelovanja aksijalnog opterećenja na jedan ležaj prema aksijalnom opterećenju suprotnog smjera na drugi ležaj. Ovo je važan faktor u postizanju veće krutosti ležajeva, a time i veće krutosti cijelog obradnog sistema. Pri definisanju veličine predopterećenja potrebno je uzeti u razmatranje i porast radne temperature. Veličina prednaprezanja je jako važna, jer se u slučaju slabog prednaprezanja ne postiže dobra krutost vreteništa, a u slučaju prevelikog prednaprezanja ne može se postići 23


CNC ALATNE MAŠINE

veliki broj obrtaja vretena. Zapravo, veličina predopterećenja treba biti tolika, da se pod djelovanjem sila rezanja ne pojavi zračnost u ležajevima. Pojava zračnosti u uležištenju glavnog vretena uzrokovala bi smanjenje krutosti i oscilacije, što bi smanjilo tačnost obrade, povećalo trošenje rezne oštrice alata i pogoršalo hrapavost obrađene površine. Mnogobrojnim eksperimentima je potvrđeno da krutost sistema raste sa inicijalnim predopterećenjem prednjeg uležištenja uz prikladno hlađenje i podmazivanje. b)

Regulacija brzine obrtaja

Da bi se ostvarili optimalni režimi obrade tj. kontinuirana promjena brzine obrtaja uz što veći obrtni moment za savladavanje sila rezanja a uz stalnu snagu, vrlo je važan sistem regulacije broja obrtaja. Regulacijski uređaj sastoji se od programabilnog i regulacijskog modula. Programabilni modul, odnosno mikroprocesor služi za regulaciju parametara kao što su: vrijeme ubrzavanja, snaga, broj obrtaja, granični broj obrtaja, zaštita od predgrijavanja, zaštita od predopterećenja. U novije vrijeme, razvojem elektronike, se najviše koriste sistemi regulisanja učestalosti obrtaja promjenom frekvencije i napona napajanja. Regulacijski modul vrši regulaciju frekvencije i napona zbog održavanja povoljnih mehaničkih karakteristika visokobrzinskog motorvretena. Digitalni signal iz regulacijskog uređaja šalje se u motor. Postoji još i povratna veza iz motora u regulacijski uređaj koja šalje podatke o temperaturi, frekvenciji obrtaja i o uglu zakretanja. c)

Uravnoteženje glavnog vretena i alata

Jedan od važnijih zahtjeva tj problema pri primjeni visokobrzinskih obrada je pitanje uravnoteženja glavnog vretena i alata. Neuravnoteženost sistema može dovesti do velikog trošenja alata, smanjenje tačnosti dimenzija i oblika, te lošije obrađene površine, pa čak u ekstremnom slučaju i do zakazivanja vretena. Radi ublažavanja navedenih posljedica treba uravnoteženjem poboljšati raspodjelu masa vretena i alata. Ostvarivanje ovog cilja je ograničeno tehničkim i ekonomskim zahtjevima, pa je potrebno utvrditi visinu neuravnoteženosti. Ovaj problem je velika prepreka kod industrijskog korištenja visokobrzinske obrade. Tim više, što problemi vibracije radi zaostalih neuravnoteženosti nastupaju tek u primjeni kod korisnika, a uzroci mogu biti kako vreteno, tako i sistem stezanja alata. Pri izboru pojedinih funkcija pogonskog sistama potrebno je voditi računa i o interakciji pojedinih funkcija kao npr: pogonski motor–zagrijavanje–uležištenje-prihvat alata itd. d) podmazivanje i hlađenje motor vretena Iako je trenje u kotrljajaćim ležajevima relativno maleno, ležajevi se moraju podmazivati. Najčešći sistem podmazivanja motorvretena je pomoću specijalnih agregata za ubrizgavanje smjese ulje-zrak. Ulje se impulsno ubrizgava u veoma malim količinama sa komprimiranim zrakom i tako se stvara uljna magla kojom se podmazuju ležajevi. Prednost ovog sistema podmazivanja je da protok zraka pomaže odstranjivanju nečistoća sa vretena.

24


CNC ALATNE MAŠINE

Pošto je motorvreteno glavni izvor toplote a rezni alat je u direktnom kontaktu sa vretenom potrebno je intenzivno hlađenje, i temperatura motorvretena mora biti kontrolisana. Hlađenje se može vršiti zrakom, uljem, ali najčešće se koristi hlađenje vodom. 2.4.4. Pogoni za pomoćno kretanje alatnih mašina Kod alatnih mašina sljedeći pogoni posmičnih sistema se primjenjuju: a) Hidraulički CNC pogoni b) Sistemi sa servo motorima i c) Sistemi sa linearnim motorima Zapravo, da bi se mogao iskoristiti posebno potencijal visokobrzinske obrade potrebna su i adekvatna rješenja sistema za pomoćna kretanja koja trebaju ostvariti:   

visoke posmične brzine, visoka ubrzanja, visoke dinamičke tačnosti putanje alata.

Danas se kod savremenih obradnih sistema za visokobrzinske obrade koristi direktan pogon pomoćnog kretanja koji je zasnovan na primjeni linearnih motora (slika 2.13.), koji, uvećava brzinu i ubrzanje, povećava tačnost pozicioniranja i ponavljanja, povećava pouzdanost, (kod ovih motora nema mehaničkih prijenosnih elemenata, osim vodilica, pa nema ni mehaničkog trošenja) i znatno poboljšava odnos maksimalne sile i otpora trenja. Direktni pogon se najčešće integrira u konstrukciju posmičnih osi, dok se za vođenje upotrebljavaju profilirane vodilice. Današnji inovacijski skok mašina sa linearnim direktnim pogonom omogućuje dosljednu primjenu visokobrzinske tehnologije glodanjem sa brzinama posmaka i do 150 m/min, a ubrzanja do 40 m/s2 i preciznost pozicioniranja od 1 μm. Kretanje se ostvaruje preko nošenja magnetskim poljem tako da nema direktnog kontakta, između kliznih površina. U vezi sa visokom rezolucijom mjernog sistema, linearni motorni pogon dozvoljava vrlo visoku kvalitetu sinhronizacije koja se treba ostvariti. Devijacija brzine je ispod 1% u cijelom području kretanja.

Slika 2.13. Linearni pogoni za posmična kretanja 25


CNC ALATNE MAŠINE

Za posmična kretanja kod alatnih mašina se koriste Torque notori. Torque ili jednostavno rečeno moment obrtaja; to je nova ciljna veličina inovativne gradnje modernih komponenata alatnih mašina. Linearni pogonski motori već su pokazali sve svoje prednosti u visokobrzinskim i visokodinamičnim alatnim mašinama. Oni vode vrlo “uspježnu kampanju” protiv mehanički pogonjenih komponenata alatnih mašina. Potporu im pružaju brzi i sposobni računarski sistemi sa vrlo preciznim regulacijskim krugovima. “Torgue” motori nastali su namotanjem linarnih motora na kružni vijenac. Na ovaj način dobiven je dinamičan sinhroni motor za zahtjevna dinamička rotaciona kretanja. Na bazi “Torque” pogona moguć je razvoj, projektovanje i izrada visokodinamičkih komponenata alatnih mašina kao što su zakretni stolovi, rotacione glave, zakretači paleta neslućene dinamike. Ovi pogoni bez zračnosti, bez trošenja zupčanika i pužnih prijenosa omogućuju ponudu visokodinamičnih komponenata nove generacije, produženog vijeka trajanja i niskog nivoa simetričnog zagrijavanja. Komponente se izvode sa davačima koji osiguravaju upotrebu SIEMENS, INDRAMAT, itd. regulatora i CNC upravljanja.

26


CNC ALATNE MAŠINE

2.4.5. Upravljanje i regulacija pogonskih sistema Na slici 2.14. su prikazani osnovni koncepti numerički upravljanih osa.

b)

a) Slika 2.14. Numeričko upravljana osa_koncept

Na slici 2.15 je prikazana struktura konvencionalnog pristupa NC pogona sa jednom osom. Upravljački računar

Kontroler AC servo pogona (regulacija brzine)

AC servo motor

Slika 2.15. Konvencionalni pristup NC pogona jedne ose

2.4.5.1. Direktno numeričko upravljanje (DNC) . Alatne mašine je moguće upravljati pojedinačno, grupno i kao dijelom integralnog proizvodnog sistema. Potreba za istovremenim upravljanjem više mašina dovela je do razvoja DNC sistema upravljanja. DNC mora zadovoljiti slijedeće funkcije: a) osnovne funkcije (upravljanje NC programima tj. čitanje programa, spremanje u memoriju, izvođenje i brisanje programa, itd.) b) dodatne funkcije: 27


    

CNC ALATNE MAŠINE

editiranje NC programa, unošenje NC programa, spremanje i obrada proizvodnih podataka, upravljanje tokom materijala, upravljanje proizvodnjom, itd.

Prednosti DNC u odnosu na konvencionalno NC upravljanje su:  povećana produktivnost (brža obrada i dostupnost informacija, smanjenje papirologije, itd.)  prjenos velikog broja podataka (veliki memorijski kapacitet),  stalni nadzor stanja: proizvodnje, mašine, alata, naprave, itd. Načini povezivanje NC/CNC alatnih mašina pomoću DNC sistema upravljanja zavisi o financijskim mogućnostima kao i zahtjevima koje stavljamo pred DNC sisteme. Postoje sljedeće varijante povezivanja alatnih mašina: a) Povezivanje do 8 mašina u slučaju malih (max.20m) udaljenosti između mašina i računara uz minimalne instalacijske i hardverske troškove putem serijske veze RS-232 (serijska kartica 8 portova), slika 2.16.

Slika 2.16. DNC sistem sa osam mašina

b) Povezivanje NC/CNC alatnih mašina. putem instalisane mreže pri čemu serijski portovi (Comserver) omogućavaju povezivanje mreže i mašina putem RS-232 veze, slika 2.17.

Slika 2.17. Povezivanje NC(CNC alatnih mašina. putem instalisane mreže

28


CNC ALATNE MAŠINE

c) Bežično povezivanja NC/CNC alatnih mašina, slika 2.18.

Slika 2.18. Bežično povezivanje CNC alatnih mašina

2.4.5.2. Sistemi adaptivnog upravljanja Analizirajući obradni proces na temelju klasičnog NC upravljanja evidentna je neosjetljivost obradnog sistema na poremećajne uticaje koje prate svaki proces obrade. Ovo proizlazi iz koncepta NC sistema koje nema funkciju izmjene parametara ovisno o uvjetima obrade kao vremenske funkcije, tj. unaprijed programom definisane vrijednosti parametara ostaju na istom nivou neovisno o vremenu i poremećajnim karakteristikama obrade. Klasično NC nije dopuštalo prilagođavanje (adaptiranje) trenutnim uvjetima obrade što je dovelo do stvaranja adaptivnih sistema koji imaju funkciju povratne veze. Zapravo, ograničene mogućnosti numeričkog upravljanja u smislu fleksibilnosti i optimizacije obradnog procesa dovele su do razvoja novog koncepta upravljanja nazvanog ADAPTIVNO UPRAVLJANJE (AC). Adaptivno upravljani proces za podlogu ima NC sistem proširen (senzori) dodatnim modifikacijama koje omogućavaju varijaciju režima rezanja u toku obrade a u cilju postizanja unaprijed definisanih kriterija ovisno o korištenom adaptivnom sistemu, slika 2.19. Prema zadatku i načinu djelovanja, upravljani sistemi se mogu uvjetno podijeliti u dvije grupe: 1) Tehnološki sistem  Adaptivno granično upravljanje (ACC – Adaptive Control Constraint)  Adaptivno optimalno upravljanje (ACO – Adaptive Contro Optimization) 2) Geometrijski sistem  Adaptivno geometrijsko upravljanje (ACG – Adaptive Control Geometry) Adaptivno upravljani sistemi omogućuju registriranje veličine uticajnih faktora, čime se osigurava mogućnost prilagođavanja elemenata režima obrade, npr. broj obrtaja, posmak, dubina rezanja, itd., kompenzirajući djelovanje uticajnih parametara radi smanjenja proizvodnih troškova ili povećanja kvaliteta obrade, itd.. Uticajni parametri mogu biti: 29


CNC ALATNE MAŠINE

odstupanje čvrstoće obratka od predviđenog, razne pukotine u pripremku, promjena tvrdoće alata, netačnost uglova alata, oscilacije mašine, itd. Izgradnja sistema AC je veoma složen zadatak jer obuhvata veliki broj parametara i ograničenja (slika 2.20) za što su potrebni pouzdani regulatori, senzori, itd. Krajnji cilj AC je postizanje viših tehnoekonomskih efekata i postoje dva osnovna koncepta: a) deterministički i b) stohastički

CNC alatna mašina i proces

Slika 2.19. Sistem adaptivnog upravljanja

Slika 2.20. Uticajni faktori na sistem adaptivnog upravljanja a)

Adaptivno granično upravljanje (ACC)

ACC ima zadatak da ostvari maksimalno moguće elemente režima rezanja i njihovo održavanje, a da pri tome ne dođe do prekoračenja graničnih vrijednosti koje se odnose na alatnu mašinu i proces rezanja. Proces upravljanja se sastoji u snimanju stvarnog stanja procesa rezanja i automatskog mijenjanja upravljačkih veličina, sve dok se stvarna vrijednost ne izjednači sa traženom vrijednošću. Praćenje stanja opterećenosti može biti izvedeno preko 30


CNC ALATNE MAŠINE

više mjernih veličina. Mjerene veličine mogu biti: sila rezanja, obrtni moment, snaga, itd. Tražene granične veličine zadaje tehnolog, ovisno o mašini i obradnom procesu. Kao upravljane veličine za regulisanje opterećenja mogu biti: posmak, dubina rezanja, broj obrtaja, itd. Na slici 2.21. je prikazan osnovni koncept ovog sistema kod obrade struganjem.

Slika 2.21. Osnovni koncept ACC kod obrade struganjem

Za granično adaptivno upravljanje je bitno poznavanje ovisnosti između mjernih i upravljačkih veličina, koja su najčešće komplicirana i često se ne mogu izraziti eksplicitnom jednadžinom nego je potrebito provesti eksperimentalna istraživanja. Granično adaptivno upravljanje može izvršiti slijedeće zadatke:    

upravljanje procesom prema zadanoj graničnoj vrijednosti, izvođenje praznog hoda brzim posmakom, zaštita od preopterećenja, automatska promjena dubine rezanja u toku obrade.

Prednost ovog načina adaptivnog upravljanja je u smanjenju troškova putem smanjenja glavnog, pomoćnog i pripremnog vremena uz maksimalnu zaštitu mašine. b)

Adaptivno optimalno upravljanje (ACO)

ACO ima za cilj odvijanje procesa obrade u uvjetima koji odgovaraju optimalnoj radnoj tački ili krivoj, određenoj prema ekonomskim i/ili tehničkim kriterijima. Kriteriji mogu biti:  minimalni troškovi obrade ili  maksimalna proizvodnost. Zadatak optimalnog adaptivnog upravljanja se sastoji u izboru vrijednosti brzine rezanja, posmaka, dubine rezanja s ciljem postizanja željenog optimuma za navedena ograničenja (snaga,moment), tj. da se proces odvija u prostoru optimalnih rješenja, slika 2.22. Kako bi se dobila samo realna rješenja potrebno je uvesti ograničenja vezana za:  Mašinu (krutost,snaga,moment)  Alat (vijek trajanja, VB)  Obradak (hrapavost, obradivost).

31


CNC ALATNE MAŠINE

Slika 2.22. Primjer određivanja optimalnih upravljačkih veličina

d) Adaptivno geometrijsko upravljanje (ACG) ACG ima za cilj ostvariti visoku tačnost dimenzija i oblika obratka. Sistem sa geometrijskim adaptivnim upravljanjem ima jedan ili više mjernih sistema za mjerenje karakterističnih veličina, koje direktno ili indirektno utiču na tačnost dimenzija i oblika. Preko regulacionog uređaja se koriguje relativni položaj između obratka i alata ili se utiče na elemente režima rezanja kako ne bi došlo do prekoračenja tolerancije dimenzija i oblika. Na slici 2.23. je prikazan princip ACG pri mjerenju dimenzija u procesu rezanja.

Slika 2.23. Princip ACG pri mjerenju dimenzija u procesu rezanja

2.4.6. Mjerni sistemi glavnih pogona Na glavnom pogonu CNC alatnih mašina se mogu montirati jedan od sljedeća dva mjerna sistema:  digitalni-direktni-apsolutni mjerni sistem (HEIDEIHMAN) i  digitalni-indirektni-inkrementalni mjerni sistem – (BALLUF). 32


CNC ALATNE MAŠINE

Na slici 2.24 je prikazan princip montaže mjernih sistema za kontrolu obrtnog i pravolinijskog kretanja alata odnosno obradka. Osnovna razlika kod primjene linearnih mjernih sistema i rotacijskih mjernih sistema (enkodera) što linerani mjerni sistemi u povratnu petlju uključuju i posmični pogon.

a)

b) Slika 2.24. Princip montaže mjernih sistema (enkodera)

2.4.6.1. ENKODERI Enkoderi su mjerni pretvarači ugaonog ili linearnog pomjeraja. Mogu biti a) inkrementalni enkoderi i b) apsolutni enkoderi Kod CNC alatnih mašina najčešće se koriste ugaoni enkoderi. Postoje slijedeće konstrukcione izvedbe: a) Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, šupljim vratilom i integriranom statorskom spojnicom; b) Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, za zasebne spojnice vratila; c) Ugaoni enkoderi bez integralnog ležaja Primjeri upotrebe ugaonih enkodera su:       a)

radni stolovi alatnih mašina, okretne (kružne-rotacione) glave alatnih mašina, C-ose na nosačima alata, mjerne mašine sa zupčanicima, spektrometri, teleskopi, itd. Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, šupljim vratilom i integriranom statorskom spojnicom Karakteristike i prednosti su:     

Kompaktna izvedba i vrlo mali prostor potreban za ugradnju, pogodni i za dinamička opterećenja, Šuplja vratila do 100 mm za provođenja vodova napajanja, Jednostavna montaža segmentna rješenja, itd.

33


b)

CNC ALATNE MAŠINE

Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, za zasebne spojnice vratila Namjena i osnovne karakteristike su:  pogodne za veće brojeve obrtaja glavnog vretena,  veće tolerancije ugradnje,  aksijalne tolerancije i do ±1mm, itd.

c)

Ugaoni enkoderi bez integralnog ležaja Namjena i osnovne karakteristike su:    

veliki prečnici šupljeg vratila (do 10 m), veliki broj obrtaja (do 20.000 min-1), bez dodatnog početnog obrtnog momenta na vratilu, segmentna rješenja, itd

2.4.6.2. Mjerne glave za CNC alatne mašine Za kvalitetniji rad i veću iskoristivost CNC alatnih mašina neophodna je i oprema za brzo i precizno mjerenje dimenzija reznih alata (prednamještanje reznih alata van prostora alatne mašine) kao i kontrolu izradaka. Potreba za brzim i preciznim mjerenjem alata i izradaka je sve više prisutna u priovodnom mašinstvu zbog povećanja kvaliteata, konkurentnosti, automatiziranje procesa obrade, itd. Princip rada mjernih glava može se objasniti u slijedeća četiri koraka:

Mjerne glave koriste se za mjerenje komplikonane geometrije izradaka, kontrolu izradaka na samoj mašini uz automatsko podešavaje odstupanja te mjerenje položaja i dimenzija reznih alata kao i ofseta pripremaka. Tako da upotrebom mjernih glava smajujemo pripremno vrijeme obrade kao skupe zastoje alatne mašine uz smanjenje škarta (zbog ručnog podešavanja), itd. Na slici 2.25. je prikazana prednost upotrebe mjernih glava za podešavanja i kontrolu uobičajne proizvodnje različitih mašinskih elemenata.

a) ručno podešavanje

b) Podešavanje pomoću MJERNIH GLAVA Slika 2.25. Prednost upotrebe mjernih glava

34

dr.sci. Ahmet Čekić

CNC ALATNE MAŠINE

2.4.7. NADZOR I DIJAGNOSTIKA CNC ALATNIH MAŠINA I OBRADNIH SISTEMA Da bi alatna mašina ili obradni sistem mogao raditi funkcionalno (sa što manje zastoja) potrebno je nadzirati: a) proces, b) alat i c) mašinu ili obradni sistem, Za dijagnosticiranje pogrešaka procesa potrebna je ugradnja različitih senzora i instrumenata:     

senzori sile senzori dodira mjerači vibracija mjerači jačine zvuka razni elektronički instrumenti, itd.

Na slici 2.26 su prikazani najvažniji parametri nadzora procesa odvajanjem čestica (strugotine), u tabeli 2.1 sistemi nadzora reznog alata i na slici 2.27 jedan od načina nadzora procesa.

Slika 2.26. Nadzor procesa

35


CNC ALATNE MAŠINE

Tabela 2.1. Sistemi nadzorareznog alata SISTEM NADZORA REZNOG ALATA Mjerenje za vrijeme glavnog vremena obrade

Mjerenje izvan glavnog vremena obrade

Nadzor strujom motora

Kontrola izdržljivosti

Nadzor alata mjerenjem sile

Zakretno ticalo

Istrošenje (normalno)













Privremeno istrošenje











Podrhtavanje





Vrsta smetnje



Naljepak

Optičko mjerenje

Posebno optičko mjerenje



Potpuni lom











Pogrešan alat











Pogrešne izmjere (dužina, prećnika)











Pogrešni rezni podaci





Legenda:  prikladan,  uvjetno prikladan,  dograđivan,  uvjetno dograđivan

Slika 2.27. Nadzor procesa

36


CNC ALATNE MAŠINE

2.4.8. UVJETI ZA KONKURENTNIJI NAČIN PROIZVODNJE Veoma je važno pratiti stanje vlastitih kapaciteta proizvodnje s obzirom na njihovo iskorištenje, kvalitet proizvoda te njihov uticaj i prikladnost na rastuće zahtjeve savremenog tržišta. Konkurentna sposobnost i mogućnost ostvarivanja profita glavni je zadatak svake proizvodnje, koju treba dinamički pratiti i prilagoĎavati zahtjevima potražnje. Zapravo, savremena tehnologija utiče na razvoj alatnih mašina i obradnih sistema kroz implementaciju slijedećih komponenti:            

kontrola temperature glavnog vretena, automatska kompenzacija istrošenja alata, unos korekcije za alate, nadzor nad istrošenjem i lomom alata, automatska izmjena alata, obradaka i pribora, automatsko stezanje obratka u radnom prostoru mašine, automatski transport alata, obradaka i pribora, čišćenje i odvod odvojenih čestica, pranje, sušenje i hlaĎenje obradaka, optimiranje režima obrade, simulacija tehnološkog procesa, povećanje snage i učestalosti obrtaja glavnog vretena (novi rezni alati i visokobrzinska obrada),  preventivno održavanje, samoodržavanje uz dijagnosticiranje i signalizaciju s jasnim tekstom opisa smetnji,  kontrola glavnog, te pomoćnog kretanja numerički upravljanih osa pomoću računarske obrade podataka, itd. Rezultat razvoja alatnih mašina je implementacija i fleksibilnih obradnih sistema koji predstavljaju grupu numerički upravljanih alatnih mašina (obradnih modula) ili obradnih centara, sa ureĎajem za pranje, sušenje i hlaĎenje, mjernim ureĎajima, spremištem alata i obradaka (palete), stanicom za ulaganje i odlaganje te upravljačkim sistemom, povezanih zajedničkim transportnim sistemom obradaka. Inače, priprema numerički upravljanih alatnih mašina i obradnih sistema sastoji se od projektovanja tehnologije, programiranja, prednamještanje alata, izbora steznih i kontrolnih naprava, itd. kako bi pomoćna vremena bila smanjena na najmanju moguću mjeru, te izbora alata i tehnologije rezanja koja će značajno smanjiti glavno vrijeme obrade. 2.4.8.1.

UREĐAJI ZA PREDNAMJEŠTANJE REZNIH ALATA

Prednamjestiti rezni alat znači unaprijed, tj. prije obrade izmjeriti odgovarajuće dimenzije oštrice reznog alata ili namjestiti oštricu reznog alata na potrebne mjere, kako bi korišten u obradi na alatnoj mašini osigurao uspješan i siguran rad, slika 2.28. UreĎaj za prednamještanje reznih alata je jeftiniji od alatne mašine. Osnovni držač reznog alata se sastoji od:  dijela za ulaganje, namještanje i stezanje reznog dijela alata,  dijela za kodiranje, koji nosi informacije o alatu, ili IC-chip u koji se unose podaci o reznom alatu i parametrima prednamještanja, 37


CNC ALATNE MAŠINE

 prihvatnog dijela (SK, HSK, DIN, itd.) za ulaganje u glavno vreteno, ureĎaj za prednamještanje ili spremišta alata,  dijela za stezanje i prijenos obrtnog momenta,  otvora za dovod SHIP-a na rezno mjesto, itd.

Slika 2.28. Kalibracija osnovnog držača alata

Novi ureĎaji za prednamještanje imaju mogućnost očitanja, printanja izmjerenih vrijednosti parametara alata (prečnik, dužina, itd), te mogu imati direktnu vezu s upravljačkom jedinicom alatne mašine, kojoj prenosi podatke o alatu i prednamještenim veličinama. UreĎaj za prednamještanje može biti on-line, povezan s upravljačkom jedinicom CNC alatne mašine, obradnog modula ili sistema, te poslužiti radi utvrĎivanja veličine istrošenja rezne oštrice alata, u ciklusu automatske odluke o nastavku rada alata ili o njegovoj zamjeni. UreĎaj za prednamještanje reznih alata je obično optički s ručnim ili automatskim upravljanjem. Kod automatskog upravljanja u zaslonu su koordinatno ugraĎeni vodiči, koji reagiraju na sjenu konture oštrice alata. UreĎaj za prednamještanje obično se nalazi u alatnici ili pokraj mašine, ovisno o tome koliko mašina poslužuje jedan ureĎaj. UreĎaji za prednamještanje reznih alata s obzirom na namjenu, mogu biti: a) specijalni b) univerzalni. Specijalni ureĎaji za prednamještanje obično dolaze uz mašinu i dijele se na: ureĎaje za prednamještanje alata za obradu otvora i glodanja (prednamještanje prečnika i dužine) i b) ureĎaji za prednamještanje alata za struganje (prednamještanje položaja oštrice ili oštrica alata u ravni, s obzirom na držač reznog alata ili na položaj postavljenja). a)

Mjerenje na napravama i ureĎajima za prednamještanje (slika 2.29) može biti pomoću: a) b) c) d) e)

šablona za prednamještanje mikrometra komparatora optike elektronskih mjernih ureĎaja, itd. 38


CNC ALATNE MAŠINE

Slika 2.29. Prednamještanje reznih alata

Kvalitetan rad CNC mašine, posebno obradnih centara i fleksibilnih obradnih sistema, zahtjeva prednamještanje reznih alata van alatne mašine. To je bilo, a još uvijek i jest opravdano obzirom na povećanje iskoristivosti alatne mašine, a i ekonomski, jer je cijena radnog sata na ureĎaju za prednamještanje reznog alata znatno niža od cijene sata rada alatne mašine za koji se prednamještanje obavlja. Danas je moguće prednamještanje reznog alata izvršiti u radnom prostoru same alatne mašine, slika 2.30. Rezni alat uložen u glavno vreteno alatne mašine privodi se čvrstom mjernom ticalu kojim se utvrĎuje referentna geometrija alata i prenosi u upravljačku jedinicu same mašine. TakoĎer, u odreĎenim okolnostima je potrebno unutar obradnog prostora alatne mašine, pomoću mjernog ticala, izmjeriti odreĎene karakteristične mjere obratka. Za mjerenje obratka, poziva se iz spremišta alata mjerno ticalo (npr. Renishaw) i postavi se u glavno vreteno alatne mašine, i na taj način se izvrši mjerenje odreĎenih polaznih baza obratka ili/i alata.

Slika 2.30. Prednamještanje reznih alata ili/i obradaka u radnom prostoru mašine

39


2.4.8.2.

CNC ALATNE MAŠINE

AUTOMATSKA IZMJENA REZNIH ALATA

CNC alatne mašine, obradni centri i fleksibilni obradni sistemi opremljeni su spremištem alata i manipulatorom za automatsku izmjenu alata. Automatskom izmjenom alata postiže se:    

koncentracija operacija, koje se mogu obaviti u jednom stezanju obratka, skraćenje pomoćnog vremena obrade, automatizovani rad alatne mašine, fleksibilnost alatne mašine, itd.

Automatska izmjena alata odnosi se na izmjenu pojedinačnih reznih alata u glavnom vretenu alatne mašine, slika . Osnovne pretpostavke za implementaciju automatske izmjene alata (razvoj podsklopova i elemenata) na alatnoj mašini su:          

adekvatni držači alata, kodiranje alata, prednamještanje alata, adekvatni prihvat za polugu izmjenjivača alata, adekvatno stezanje držača alata u glavno vreteno alatne mašine i u ureĎaju za prednamještanje, manipulator za izmjenu alata, spremnik alata i pomoćno spremište alata, automatsko stezanje držača alata u glavnom vretenu, detekcija loma i istrošenja rezne oštrice alata, numeričko upravljanje alatnom mašinom, itd.

Koliko se operacija obrade može obaviti na CNC alatnoj mašini ili obradnom centru ovisi o veličini spremišta alata. Posebno, obradni centar može imati nekoliko glavnih spremišta alata, kao i pomoćno spremište alata. Pomoćno spremište alata sadrži alate za proširivanje broja operacija ili duplikate alata, zbog automatske zamjene korištenog ili istrošenog alata u glavnom spremištu alata. Do zamjene alata u glavnom spremištu alata dolazi: a) kada se želi povećati broj različitih operacija obrade, pa se skine rezni alat koji je završio svoju funkciju i na njegovo mjesto ubacuje novi rezni alat za slijedeće operacije, b) kada se istroši rezna oštrica nekog alata, pa ga treba zamijeniti novim.

Slika 2.31. Automatska izmjena reznih alata 40


2.4.8.3.

CNC ALATNE MAŠINE

AUTOMATSKA IZMJENA OBRADAKA

Automatska izmjena obradaka, omogućuje skraćenje pomoćnog vremena i autonomnost procesa, tj. rad bez operatera u višesmjenskom radu. Ovim se povećava iskorištenje CNC alatnih mašina. Automatska izmjena obradaka izvodi se najčešće:  pomoću robota ili manipulatora za simetrično okrugle obratke,  pomoću paleta za prizmatične obratke,  automatskim voĎenjem šipkastog materijala kod CNC strugova. U tabeli 2.2. su dati načini izmjene obradaka na CNC alatnim mašinama sa kriterijima primjene. Tabela 2.2. Načini izmjene obradaka Red. Način izmjene br. obratka 1 Kretanje stola

Primjer

Kriterij primjene: - mali stolovi - bez automatskog povezivanja

2

Kretanje stuba

- veliki stolovi - teški obratci - bez automatskog povezivanja

3

Izmjena palete

- za uklapanje automatski transportni sistem

4

Paletno skladište

- korištenje mašine u više smjena

5

Izmjena obratka robotom

- automatsko ulaganje okruglih obradaka - ograničenje obzirom na jednake dijelove

6

Automatsko voĎenje šipke

- dijelovi koji se obraĎuju iz šipke (struganje)

u

41


2.4.9.

CNC ALATNE MAŠINE

UPRAVLJAČKA JEDINICA CNC ALATNE MAŠINE

Upravljačka jedinica CNC alatne mašine (slika 2.32) sastoji se od monokromatskog ekrana (monitora), alfanumeričke tastature, funkcijskih tipki, tipki za regulisanje posmaka, broja obrtaja, programskih tipki za definisanje alata, mašinskih konstanti, itd.

Slika 2.32. Upravljačka jedinica (HAAS)

Pored ovog upravljačka jedinica posjeduje i dodatne cikluse (tabela 2.3) koji značajno pojednostavljuju programiranje kao i upotrebu grafičke simulacije kod verifikacije programa (moguće kolizije). Tabela 2.3. Definisani ciklusi na CNC alatnim mašinama

Opis ciklusa Ciklus za mjerenje alata

Ciklus za bušenje

Skica

Opis ciklusa Skica Ciklus za predobradu i završnu obradu

Ciklus za navoje

42


CNC ALATNE MAŠINE

2.4.10. OSTALI VAŽNIJI SKLOPOVI CNC ALATNIH MAŠINA Važniji dijelovi CNC alatnih mašina (slika 2.33) na koje treba obratiti pažnju su i slijedeći: a) Hidraulični agregat (ima funkcije stezanja i otpuštanja izratka, blokiranje jahača, pomaka pinole, impulsno podmazivanje kliznih staza, itd.), b) Transporter strugotine (služi za odvoĎenje strugotine iz zone obrade do kontejnera kao i spremnik rashladne tekućine koja se preko magnetnog filtra ponovno uvodi u proces obrade), c) Elektro ormar (nalazi se najčešće iza mašine a u ormaru su smješteni: dijagnostika, releji, elektrosklopovi, itd.).

Slika 2.33. Važniji dijelovi CNC alatnih mašina

43


CNC ALATNE MAŠINE

KONCEPCIJSKE VARIJANTE CNC ALATNIH MAŠINA

3.

Vrste i varijante CNC alatnih mašina su brojne (glodalice i obradni centri, strugovi i strugarski centri, bušilice, rezanje laserom, itd.). Najznačajniji pozitivni efekti primjene CNC alatnih mašina su: a) visok stepen fleksibilnosti (nezavisno od tipa proizvodnje), b) mogućnost izrade dijelova vrlo složenog oblika. c) visok stepen tačnosti i kvaliteta proizvoda d) uticaj ljudskog faktora u proizvodnji sveden na minimum e) zastoji u proizvodnji i škart svedeni na minimum f) manji troškovi skladištenja g) upotreba novih standardnih reznih alata Najkarakterističnija podjela CNC alatnih mašina je prema broju numeričko upravljanih (NU) osa (slika 3.1.). Dijele se na CNC alatne mašine sa: a) Dvije ose b) Tri ose c) Četiri ose d) Pet osa i e) Šest osa.

3-osni obradni centar



Slika 3.1. Vrste CNC alatnih mašina prema broju NU osa

3.1. VIŠEOPERACIJSKE CNC ALATNE MAŠINE Višeoperacijske alatne mašine su visokoautomatizovane numerički upravljane alatne mašine na kojima se u automatskom ciklusu rada, koji obuhvata izbor i izmjenu alata u zoni glavno vreteno spremnik alata, automatsko pozicioniranje obratka i alata, te stalna kontrola broja obrtaja, posmaka i pomoćnih funkcija, obraĎuje obradak u jednom stezanju bez prekida automatskog rada nizom različitih metoda obrade. Osnovne prednosti višeoperacijskih numerički upravljanih obradnih mašina su povišena ekonomičnost i fleksibilnost, što se odražava kroz:     

znatno smanjenje ciklusa proizvodnje, znatno smanjenje pomoćnog vremena, smanjenje glavnog vremena obrade, posebno primjenom visokobrzinskih obrada, znatno smanjenje radne površine i broja operatera i znatno povećanu tehnološku, kapacitivnu i prostornu prilagodljivost, itd.

Višeoperacijske numerički upravljane alatne mašine mogu se podijeliti prema obliku obratka, koji se na njima mogu obraĎivati na:

44


CNC ALATNE MAŠINE

 obradne centre - za obradu prizmatičnih obradaka: glodanjem, bušenjem, struganjem i brušenjem,  strugarske centre - za obradu osnosimetričnih obradaka: struganjem, bušenjem, glodanjem i brušenjem  brusne centre - za brušenje složenih brusnih površina. 3.2. CNC STRUGOVI Ovisno o načinu stezanja obradaka na strugovima se mogu obraĎivati rotacijski i dijelovi koji nisu simetrični (koljenasto vratilo). Glavno kretanje (kružno) ostvaruje obradak stegnut u steznu glavu a u slučajevima pogonjenih alata glavno kretanje je kružno kretanje reznog alata. 3.2.1. OSNOVNA PODJELA STRUGOVA Do danas područje alatnih mašina. se intenzivno razvijalo u konstrukcijskom i upravljačkom dijelu pa shodno tome postoje i različite podjele strugova. Osnovna podjela strugova je: a) Prema položaju radnog vretena (konstrukcijski):  Horizontalni (horizontalno radno vreteno) i  Vertikalni strugovi (karusel strugovi) koji mogu biti izvedeni kao jednostubni ili dvostubni b) Prema načinu upravljanja  Klasični strugovi (univerzalni ili specijalni)  Kopirni strugovi  Poluautomatski  Automatski strugovi  Jednovreteni  Viševreteni  Ciklusni strugovi  NC/CNC strugovi (standardni, specijalni, itd.) . c) Prema prema broju numerički upravljanih (NU) osa:  Dvije ose  Tri ose  Četiri ose  Pet osa  Šest osa. 3.2.2. HORIZONTALNI CNC STRUGOVI U metalopreraĎivačkoj industriji najširu primjenu imaju slijedeći CNC horizontalni strugovi (mogu imati od dvije do šest numeričko upravljanih osa): a) Strugovi sa tri ose imaju dodatnu osu koja se označava sa C. Dodatne mogučnosti su joj poprečno glodanje, izrada žljebova. b) Strug sa četiri ose ima potpuno drugačiji koncept od onog sa tri ose. Programiranje struga se svodi zapravo na programiranje rada dva dvoosna struga istovremeno, gdje jedan obavlja obradu vanjskih površina, a drugi obradu unutrašnjih površina.

45


CNC ALATNE MAŠINE

c) Stugovi sa šest osa su specijalni strugovi sa dva magazina alata te sa setom od tri ose po magazinu. Primjenjuju se za izradu vijaka i sl. Osnovni elementi NC/CNC struga su prikazani na slici 3.2.

Slika 3.2. Osnovni elementi CNC struga

Standard ISO R841 definisao je pozitivne pravce za glavne ose X, Y i Z na osnovu pravila “desne ruke” (slika 3.3). TakoĎer i rotacijske ose A, B, C (pozitivan smjer kazaljke na satu) su definisani preko glavnih osa. Eventualna odstupanja od navedenog kao razlog mogu imati olakšanje kod programiranja. Inače, bez znanja o postavkama osa na mašini nije moguće programirati istu Kod CNC strugova Z – osa predstavlja osu radnog vretena dok smjer pozitivnog dijela X-ose zavisi o smještaju nosača alata (sa prednje ili zadnje strane). (Y-osa - uglavnom kod glodalica predstavlja pravac kretanja stola).

Slika 3.3. Pravilo „desne ruke“ za definisanje pozitivnih pravaca kretanja kod CNC akatnih mašina

Uvjet da bi strug postao strugarski obradni centar je i izvedba C – ose (dodatna opcija). Na ovaj način je omogućeno da pored struganja se može izvesti: glodanje, bušenje složenih profila u 2D i 3D interpolaciji, itd. Mjerni ureĎaj C-ose je rotacioni inkrementalni mjerni davač.

46


CNC ALATNE MAŠINE

3.2.3. VIŠE SUPORTNI STRUGOVI Strugovi neovisno jednovreteni ili viševreteni mogu imati veći broj suporta (nosača alata): uzdužnih, poprečnih, križnih, itd. (slika 3.4). Zahvaljujući NC upravljanju moguće je sinhronizirano djelovanje suporta ovisno o zahtjevima obratka. Broj suporta i alata isključivo ovisi o veličini radnog prostora i potrebama obrade.

Slika 3.4. Više suportni CNC strugovi

3.2.4. VIŠEVRETENI STRUGOVI Prema broju vretena, strugovi se dijele na 2-3-4-5-6-8-ni strugovi (slika 3.5). Osnovna karakteristika je da istovremeno može raditi više alata na svakom vretenu. Iz toga razloga veoma je bitna podjela obrade na operacije i zahvate i to tako da od početnog do zadnjeg vretena je automatizirana obrada usklaĎenih vremena (približno jednaka) na svim vretenima što dovodi do uštede u pomoćnim vremenima. TakoĎer, ovisno o planu obrade moguće je istovremeno obraĎivati i više istih ili više sličnih izradaka. Broj suporta (nosača alata) ovisi o broju vretena.

Slika 3.5. Više vreteni CNC strugovi

3.2.5. STRUGOVI SA SUPROTNIM VRETENOM Na strugovima sa dva vretena (slika 3.6) ali suprotno postavljenim je moguća kompletna obrada kratkih i šipkastih izradaka u dvije stezne glave bez posredovanja radnika.

47


CNC ALATNE MAŠINE

Slika 3.6. CNC strugovi sa suprotnim vretenom

3.2.6. STEZANJE REZNIH ALATA NA CNC STRUGOVIMA Prvi strugovi sa revolverskom glavom kao nosačem alata imale su zajedničko ime revolverski strugovi. Revolverska glava za NC/CNC mašine je postala standard za fiksni smještaj alata za obradu (6, 8, 12, itd. pozicija). S obzirom na osu rotacije revolverske glave u odnosu na osu rotacije obratka razlikujemo tri osnovna tipa (slika 3.7.): a) osa revolverske glave paralelne osi rotacije (manji prostor ali i opasnost od kolizije), b) osa rotacije revolverske glave okomita na osu radnog komada (veći prostor, kolizija izbjegnuta), c) koso postavljena osa rotacije revolverske glave (kompromisno rješenje).

Slika 3.7. Vrste revolverskih glava kod CNC strugova

Radni prostor CNC strugova (slika 3.8) definiše se softverskim graničnicima koji su u funkciji nakon što revolver glava (zakretanje u oba smjera) sa alatima ode u svoju referentnu tačku (R). Standard za revolversku glavu tj. nosač alata je DIN 69880. Razmještaj alata mora biti takav da ne doĎe do meĎusobne kolizije (alat-stezna glava, - obradak). Ovisno o tipu alata moguće je dovoĎenje SHIP kroz alat (burgija) ili sa vanjske strane.

48


CNC ALATNE MAŠINE

Slika 3.8. Radni prostor kod CNC struga i vrste držača alata ovisno o obradi

3.2.7. STEZANJE OBRADAKA NA CNC STRUGOVIMA Sistem stezanja obradaka na CNC strugu zavisi od oblika i dimenzija obratka te traženog kvaliteta izradka. Kod automatizirane obrade na strugovima se koriste dostavljači šipki (bar feeding) koji imaju funkciju dopreme šipkastog ili profilnog materijala do stezne glave struga. Time je omogućeno da jedan operater nadgleda cijeli proces. Za stezanje šipkastog materijala najkvalitetnije rješenje je upotreba elastične stezne čahure koja omogućava brzo i kvalitetno stezanje (slika 3.9). Za stezanje dugačkih komada na NC/CNC strugovima koriste se Linete i Konjići-Jahači, slika 3.10.

Slika 3.11. Sistem stezanja šipkastog materijala na CNC strugovima pomoću eleasične čahure

Slika 3.10. Sistem stezanja dugačkih komada na CNC strugovima 49

CNC Alatne Masine_Prvi Dio _ 2011

Recommend Documents