Laboratorium: Urządzenia i systemy wytwórcze CNC

Temat 3. Budowa obrabiarek CNC

1. WSTĘP

Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat w budowie obrabiarek dokonały się radykalne zmiany. Ich podstaw należy szukać przede wszystkim w upowszechnieniu stosowania sterowania numerycznego. Ze względu na możliwości nowoczesne obrabiarki wypierają produkcyjne obsługiwane ręcznie. Rozwój sterowania numerycznego umożliwił budowę maszyn o złożonej strukturze kinematyczno - ruchowej i realizację dowolnie złożonego cyklu pracy przy szerokiej możliwości jego modyfikacji w krótkim czasie. Sterowanie NC wprowadziło również zmiany w zasadach budowy struktury mechanicznej obrabiarek wprowadzając znaczącą elastyczność w tym zakresie. Możliwość zaawansowanej kontroli ruchów poszczególnych zespołów obrabiarek doprowadziła do odejścia od klasycznej konstrukcji do konstrukcji modułowej. Takie rozwiązanie umożliwia znaczny wzrost możliwości wytwórczych. W nowoczesnych obrabiarkach znajdujemy osobne moduły odpowiedzialne za określone zadania, których współdziałanie jest możliwe dzięki układowi sterowania.

2. KORPUSY I POŁĄCZENIA PROWADNICOWE

Korpusy są elementami, których funkcja polega na łączeniu w całość wszystkich zespołów i podzespołów wchodzących w skład obrabiarki. Możemy wyróżnić korpus główny, który stanowi podstawową konstrukcję nośną obrabiarki, korpusy zespołów wykonujących ruchy posuwowe i przesuwowe, służących do ustalania i zamocowania przedmiotów obrabianych lub narzędzi oraz korpusy zespołów napędowych (wrzecienniki).

Wśród najczęstszych rozwiązań konstrukcyjnych korpusów nowoczesnych obrabiarek możemy wyróżnić:

• jednolite korpusy z żeliwa szarego,

• stalowe korpusy spawane,

• korpusy z polimerobetonu,

• korpusy kompozytowe,

• korpusy zespolone:

• dolna część spawana, górna z żeliwa

• dolna część z betonu silikonowego, górna z żeliwa,

• żeliwne o konstrukcji skrzynkowej wypełnione masą betonową,

• korpus główny z żeliwa, korpusy zespołów przesuwnych z kompozytów

Konstrukcja korpusu musi utrzymać wszystkie części w stałym wzajemnych położeniu, przejmować siły i momenty wynikające z realizowanych zadań obróbkowych oraz odprowadzać ciepło i tłumić drgania powstające podczas skrawania. Na jakość korpusu wpływa także materiał, z którego jest on wykonany. Powinien się on charakteryzować odpowiednimi własnościami wytrzymałościowymi (wysoka sztywność statyczna i dynamiczna), dynamicznymi (m.in. zdolność do tłumienia drgań) oraz termicznymi (odporność na zmiany temperatury).

Tab. 1. Porównanie własności stali, żeliwa i polimerobetonu.

Własności	Jednostki	Stal	Żeliwo szare	Polimerobeton
Gęstość	g/cm^3	7,85	7,2	2,1 - 2,4
Wytrzymałość na ściskanie	N/mm^2	250-1200	350-450	140 - 170
Wytrzymałość na zginanie	N/mm^2	400-1600	150-400	25 - 40
Moduł Younga	kN/mm^2	210	80-120	30 - 40
Współczynnik przenikalności cieplnej	W/(m*K)	50	50	1,3 - 20
Współczynnik rozszerzalności cieplnej	µm/(m*K)	12	10	12-20
Ciepło właściwe	kJ(kg*K)	0,45-0,50	0,5	0,9-1,3
Logarytmiczny dekrement tłumienia		0,002	0,003	0,02-0,03
Koszt	EUR/dm^3	7,67	5,11	2,56
Zapotrzebowanie na energię przy wytwarzaniu	MJ/dm^3	160	120	25

Połączenia prowadnicowe stanowią odpowiednio ukształtowane powierzchnie korpusów zwane prowadnicą i prowadnikiem. Umożliwiają zmianę wzajemnego położenia zespołów i podzespołów obrabiarki. Prowadnica jest elementem korpusu nieruchomego a prowadnik ruchomego. W skład połączenia prowadnicowego wchodzą zwykle dwie prowadnice. Takie połączenie pod względem ruchowym jest parą kinematyczną piątej klasy pozostawiającą jeden stopień swobody ruchu.

Połączenia prowadnicowe wyznaczają tory składowych ruchów głównych lub ruchów przestawczych. Do podstawowych funkcji połączeń prowadnicowych zaliczymy:

• przejmowanie sił zewnętrznych, wywoływanych procesem skrawania i pochodzących od mas elementów układu nośnego oraz przedmiotu obrabianego,

• wyznaczanie kierunków zespołów wykonawczych obrabiarki

Rys. 1. Tokarka sterowana numerycznie ze skośnym łożem - najpopularniejsze obecnie rozwiązanie konstrukcyjne.

Połączenia prowadnicowe mają wpływ na uzyskiwane dokładności wymiarowe oraz własności dynamiczne obrabiarki. Powinny charakteryzować się dużą sztywnością i dokładnością geometryczną, odpornością na zużywanie się, małymi niezależnymi od prędkości przesuwu oporami ruchu oraz stałymi właściwościami bez względu na warunki pracy. Do najczęściej spotykanych typów konstrukcyjnych w obrabiarkach zaliczamy:

• prowadnice ślizgowe z nakładkami przeciwciernymi,

• prowadnice toczne z różnymi elementami tocznymi,

• prowadnice hydrostatyczne - olej dostarczany pod ciśnieniem,

W nowoczesnych obrabiarkach sterowanych numerycznie najpopularniejszym rozwiązaniem są prowadnice toczne. Współczynnik tarcia µ w połączeniach tocznych jest
10 - 20 razy mniejszy niż w przypadku prowadnic ślizgowych z nakładkami przeciwciernymi i wynosi około 0,005. Ze względu na pomijalne różnice pomiędzy współczynnikiem tarcia statycznego i dynamicznego w prowadnicach tocznych w przeciwieństwie do prowadnic ślizgowych (bez nakładek) nie występuje zjawisko ruchu drgającego (zjawisko stick-slip), skutkujące nierównomierną prędkością ruchu posuwowego i brakiem możliwości dokładnego pozycjonowania.

Połączenia prowadnicowe toczne umożliwiają uzyskanie dowolnie małych przemieszczeń, zapewniają wysoką powtarzalność pozycjonowania w obu kierunkach ruchu przestawczego oraz charakteryzują się małymi oporami ruchu, co znacząco ogranicza ich nagrzewanie się nawet przy dużych prędkościach ruchu. Wyraźną przewagą połączeń prowadnicowych ślizgowych względem tocznych jest ich znacznie większa sztywność, zdolność do tłumienia drgań (bardzo dobre tłumienie w kierunku normalnym do ruchu), możliwość przenoszenia większych obciążeń oraz niższa cena.

Rys. 2. Prowadnica szynowa kulkowa [2]

Prowadnice hydrostatyczne działają na podobnej zasadzie, co łożyska hydrostatyczne. Pomiędzy prowadnicą i prowadnikiem znajduje się cienka warstwa oleju, co powoduje współpracę w warunkach tarcia płynnego w bezruchu i w całym zakresie stosowanych prędkości posuwu. Prowadnice hydrostatyczne charakteryzują się bardzo niskim współczynnikiem tarcia, dużą sztywnością, zdolnością do tłumienia drgań oraz wysoką trwałością gdyż elementy połączenia prowadnicowego praktycznie nie zużywają się. Hydrostatyczne połączenia prowadnicowe ze względu na wysoką cenę oraz koszty eksploatacyjne stosowane są przede wszystkim w drogich i precyzyjnych obrabiarkach.

3. ZESPOŁY NAPĘDOWE

Do zespołów napędowych obrabiarek sterowanych numerycznie zaliczamy napędy główne, napędy posuwów oraz napędy pomocnicze.

Rys. 3. Zespoły napędowe w obrabiarce CNC.

Napęd główny jest odpowiedzialny za wykonanie ruchu niezbędnego do realizacji głównej funkcji przez obrabiarkę. Powinien charakteryzować się dużym zakresem bezstopniowej regulacji prędkości obrotowej silnika, dostatecznie dużą mocą lub momentem, możliwością pozycjonowania, szybkim rozruchem w celu krótkiego dojścia do zadanej prędkości oraz dużą sztywnością charakterystyki mechanicznej. Pojęcie wysokiej sztywności charakterystyki mechanicznej oznacza mały spadek prędkości obrotowych wrzeciona przy wzroście momentu obciążenia.

Do najpopularniejszych rodzajów napędów głównych możemy zaliczyć:

- elektromechaniczne z przekładnią stopniową lub bezstopniową

- hydrauliczne

- elektryczne z silnikiem prądu stałego i przekładnią stopniową

- elektryczne z asynchronicznym lub synchronicznym silnikiem prądu przemiennego

W obrabiarkach sterowanych numerycznie najczęściej możemy spotkać napędy elektryczne. Ich klasyfikację przedstawiono na rysunku 4.

Rysunek 4. Klasyfikacja elektrycznych napędów wykonawczych

Pojęcie elektrycznego układu napędowego oznacza układ przenoszący energię z sieci elektrycznej do zespołu roboczego maszyny. W jego skład wchodzi:

• układ zasilający i sterujący pracą silnika napędowego,

• silnik napędowy będący źródłem energii mechanicznej,

• przekładnia mechaniczna łącząca silnik z zespołem roboczym maszyny,

• zespół roboczy (np. zespół wrzeciona).

Elektryczne układy napędowe prądu stałego z bezstopniową regulacją prędkości były używane w obrabiarkach i maszynach technologicznych produkowanych w końcu XX wieku. W napędach obrabiarek sterowanych numerycznie stosowane były przede wszystkim bocznikowe komutatorowe silniki prądu stałego. Charakteryzują się one szerokim zakresem prędkości obrotowej (regulowanej w wyniku zmiany napięcia wirnika U_t lub strumienia magnetycznego ϕ, co uzyskuje się poprzez obniżenie napięcia prądu), sztywną charakterystyką mechaniczną oraz dużą pojemnością cieplną. Na rysunku 5 ukazano schemat kinematyczny struktury napędu głównego z silnikiem prądu stałego. Przedstawiony układ napędowy składa się z silnika prądu stałego o bezstopniowo regulowanej prędkości, przekładni zwielokrotniającej oraz wrzeciona. Przekładnia zwielokrotniająca służy do rozszerzania zakresu prędkości obrotowej wrzeciona.

Rys. 5. Schemat kinematyczny struktury napędu głównego z silnikiem prądu stałego i 3-stopniową przekładnią rozszerzającą prędkość wrzeciona.

Obecnie preferowanymi napędami głównymi są elektryczne napędy prądu przemiennego. W napędach wykonawczych z silnikami prądu przemiennego zasilanych z falownika częstotliwości o bezstopniowo regulowanej prędkości obrotowej są stosowane silniki asynchroniczne klatkowe (Rys. 5). Posiadają one w odniesieniu do silników prądu stałego wiele zalet:

• nie maja komutatora i szczotek, wyniku, czego cechuje je większa niezawodność i bezobsługowość pracy,

• brak komutatora i uzwojenia w wirniku powoduje, że silniki są bardziej wytrzymałe mechanicznie, dzięki czemu można uzyskać wysokie prędkości obrotowe,

• ze względu na brak komutacji mogą rozwijać duży moment w szerokim zakresie regulacji prędkości,

• wirniki silników prądu przemiennego mają mniejszy moment bezwładnościowy, przez co można uzyskać większe przyspieszenie w procesie rozruchu i hamowania przy tym samym momencie silnika,

• straty energii w silnikach prądu przemiennego występuje głównie w stojanie, dzięki czemu można łatwiej odprowadzić ciepło,

• silniki prądu przemiennego mają sztywną charakterystykę mechaniczną,

• silniki prądu przemiennego wykazują zdolność do samoczynnego dostosowania się do zmian obciążeń, co powoduje, iż nie są wymagane dodatkowe układy regulacyjne.

Rys. 5. Napęd główny z silnikiem prądu przemiennego zasilany z falownika częstotliwości.

Zespoły wrzecionowe z napędem elektrycznym są budowane, jako:

- napędy bezpośrednie

- napędy pośrednie

- napędy zintegrowane (elektrowrzeciona)

Zaletą napędów bezpośrednich jest ich płynne działanie - nie generują drgań obrabiarki. Jednakże ich zastosowanie ogranicza mały moment przy wysokich prędkościach obrotowych, dlatego też taki rodzaj napędu stosowany jest przede wszystkim w małych centrach obróbczych. Przykładem może być centrum DT-1 firmy HAAS. W centrach obróbczych, na których wykonuje się średnią i ciężką obróbkę stosowany jest napęd pośredni. Napęd pośredni zbudowany jest z silnika elektrycznego oraz zespołu przekładni mechanicznych. Zespoły przekładni umożliwiają uzyskanie większego momentu przy tej samej prędkości obrotowej.

Wyraźnie zaznaczającą się w ostatnich latach tendencją w konstrukcji zespołów napędowych obrabiarek są elektrowrzeciona. Są one zintegrowanym konstrukcyjne z wrzecionem silnikiem elektrycznym asynchronicznym z wirnikiem klatkowym bądź synchronicznym z wirnikiem z magnesami trwałymi. Wrzeciono jest wałem wirnika. Elektrowrzeciona stosowane są przede wszystkim w nowoczesnych obrabiarkach, przeznaczonych do obróbki materiałów z dużymi prędkościami skrawania takich jak aluminium. Ich zastosowanie pozwala znacząco zredukować czas główny w stosunku obróbki konwencjonalnej oraz ograniczyć lub wyeliminować dalszą obróbkę wykańczającą.

Obok napędów głównych w obrabiarkach wyróżniamy także napędy posuwowe. Wśród napędów ruchu posuwowego możemy wyróżnić trzy najczęściej spotykane rozwiązania:

- napęd tradycyjny, w których silnik obrotowy napędza śrubę toczną bezpośrednio lub pośrednio za pomocą przekładni pasowej lub zębatej (Rys. 6.)

- napęd z elektro-nakrętką, w których silnik jest zintegrowany z obracającą się nakrętką toczną, a śruba jest nieruchoma (Rys. 7)

- bezpośredni napęd liniowy z silnikiem elektrycznym

Rys. 6. Napędy posuwu z przekładnią śrubową toczną z obracającą się śrubą: a) silnik bezpośrednio napędzana śrubę, b) silnik napędza śrubę przez przekładnie pasową zębatą

Nowoczesne napędy posuwowe powinny umożliwiać realizację ruchu posuwowego do 10 m/min oraz ruchu szybkiego do 100 m/min, charakteryzować się dużą wartością przyspieszenia a także opóźnienia ruchu oraz wysoką dokładnością i powtarzalnością pozycjonowania umożliwiającą przemieszczenie elementarne o wartości 1 µm przy wysokiej sile ciągu.

Tabela 2 Wybrane własności różnych modeli obrabiarek firmy HAAS

Producent	Model	Max. prędkość dojazdu m/min	Max. Obciążenie osi Z N
HAAS	VF-1	25.4	18683
HAAS	VM-2	18	24910
HAAS	TM-1	5.1	8896
HAAS	SMINIMILL2	30.5	8896
HAAS	DT-1	61	18683

Do zalet i wad napędów o tradycyjnej konstrukcji, w których silnik obrotowy napędza śrubę toczną zaliczymy:

• minimalizacje zwrotnego wpływu obciążenia na silnik napędowy dzięki mechanicznej przekładni redukującej;

• odsunięcie źródła ciepła, jakim jest silnik, od struktury mechanicznej obrabiarki;

• możliwość wariantowania konstrukcji przy relatywnie niewielkich kosztach;

• ograniczenie wartości współczynnika wzmocnienia prędkościowego, spowodowane skończoną sztywnością mechanicznych elementów przenoszących napęd;

• nieliniowości w elementach mechanicznych ujawniające się podczas występowania luzu zwrotnego;

• ograniczona trwałość spowodowana zużywaniem elementów napędu;

• ograniczona prędkość obrotowa śruby tocznej, powodująca konieczność stosowania dużych wartości skoku gwintu przy wysokich prędkościach posuwu;

• nagrzewanie się śruby i związane z tym odkształcenia cieplne

Nowym rozwiązaniem są napędy posuwu z nieobrotową śrubą i obrotową nakrętką. Nakrętka może być bezpośrednio napędzana serwosilnikiem bądź paskiem zębatym od serwosilnika (Rys. 7).

Rys. 7. Napęd posuwu z przekładnią śrubową toczną i nieruchomą śrubą oraz nakrętką napędzaną paskiem zębatym.

Do zalet rozwiązania, w którym silnik jest zintegrowany z obracającą się nakrętką toczną, a śruba jest nieruchoma zaliczymy:

• mniejsze momenty bezwładności niż w konwencjonalnych napędach,

• mniej elementów przenoszących napęd od silnika, nieobrotowa śruba nie ma łożysk, w przeciwieństwie do dotychczasowych rozwiązań,

• większa sztywność niż w przypadku tradycyjnego napędu dzięki nieruchomo zamocowanej śrubie oraz zastosowaniu napięcia wstępnego,

• możliwość uzyskania dużej wartości współczynnika wzmocnienia prędkościowego.

• UKŁADY DO POMIARU POZYCJI I PRZEMIESZCZENIA

Ze względu na charakter funkcjonowania oraz konstrukcję układów pomiarowych możemy wyróżnić dwa składające się na nie zasadnicze bloki:

• czujnik pomiarowy przekształcający wartość przemieszczenia lub położenia na inną wielkość fizyczną,

• układ zasilająco-przekształcający (przetwornik), służący do uzyskania pomiarowego sygnału elektrycznego.

W dzisiejszych obrabiarkach wyróżniam dwa podstawowe sposoby pomiarów wartości pozycji i przemieszczeń:

• bezpośredni

• pośredni

W przypadku pomiaru bezpośredniego czujnik pomiarowy - liniał lub przetwornik kątowy odczytuje położenie ze skali umocowanej na stole obrabiarki.

W układzie pośrednim przetwornik pomiarowy obrotowo - impulsowy mierzy liniowe przemieszczenie stołu za pomocą odczytu kąta obrotu śruby pociągowej. Sama wartość przemieszczenia zaś jest obliczana.

W obrabiarkach sterowanych numerycznie zastosowanie znalazły:

• enkodery inkrementalne (fotoelektryczny przetwornik obrotowo-impulsowy pracujący w sposób przyrostowy, podając określoną liczbę impulsów na jeden obrót)

• enkodery absolutne (tarcze i liniały kodowe)

• impulsowe liniały optoelektroniczne ( przetwornik impulsowo - liniowy, z liniałem kreskowym modulującym strumień swietlny)

• liniały kreskowe z przeciwliniałami

• selsyn przelicznikowy

• induktosyn liniowy i obrotowy

5. URZĄDZENIA DO WYMIANY NARZĘDZI

Podstawowym elementem odróżniającym obrabiarki sterowane numerycznie od obrabiarek konwencjonalnych są urządzenia wymiany narzędzi. W zależności od typu obrabiarki do najczęściej zaliczanych urządzeń wymiany narzędzi zaliczamy:

- głowice rewolwerowe

- magazyny narzędzi

Głowice rewolwerowe są stosowane przeważnie w centrach tokarskich a magazyny narzędziowe we frezarskich centrach obróbczych. Do typowych konstrukcji magazynów narzędzi stosowanych w frezarskich centrach obróbczych zaliczymy:

- magazyny tarczowe (z osią narzędzia prostopadła bądź równoległą do osi Z)

- magazyny łańcuchowe

- magazyny kasetowe

6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

[1] Honczarenko J., „Obrabiarki sterowane numerycznie”, WNT,

[2] Hrabar W., „Obsługa i programowanie obrabiarek CNC”, KaBe

[3] Wrotny L.T., „Podstawy konstrukcji obrabiarek”

7. PYTANIA KONTROLNE

1. Wymagania stawiane korpusom nowoczesnych obrabiarek.

2. Rodzaje połączeń prowadnicowych stosowanych w budowie obrabiarek.

3. Wady i zalety połączeń prowadnicowych tocznych

4. Wady i zalety połączeń prowadnicowych ślizgowych

5. Rodzaje zespołów napędowych. Wymienić.

5. Wady i zalety elektrycznych napędów prądu przemiennego stosowanych w nowoczesnych obrabiarkach.

7. Rodzaje napędów posuwowych stosowanych w obrabiarkach.

8. Wady i zalety napędu posuwu z obracającą się śrubą toczną.

9. Wady i zalety napędu posuwu z nieruchomą śrubą.

10. Sposób pomiaru pozycji w obrabiarkach CNC.

11. Rodzaje urządzeń do wymiany narzędzi.

13

Silnik synchroniczny

Elektryczne napędy główne obrabiarek

Element wykonawczy

wrzeciono

Przekładnia zwielokrotniająca

Regulator prędkości układ prostowniczy falownik

Komutatorowy silnik prądu stałego

Regulator prędkości

tyrystorowy zasilacz prądu stałego

Silnik asynchroniczny

Prądu stałego

Prądu przemiennego

Elektromechaniczne

Mechaniczna przekładnia bezstopniowa

Silnik asynchroniczny

Przekładnia zwielokrotniająca

Stopniowa skrzynka prędkości

Przekładnia pasowa

Elektrowrzeciono

Element wykonawczy

(wrzeciono)

Element wykonawczy

(wrzeciono)

---