Laboratorium: Urządzenia i systemy wytwórcze

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

Gęstośd

g/cm

7,85

7,2

2,1 - 2,4

Wytrzymałośd na

ściskanie

N/mm

250-1200

350-450

140 – 170

Wytrzymałośd na

zginanie

N/mm

400-1600

150-400

25 – 40

Moduł Younga

kN/mm

210

80-120

30 – 40

Współczynnik

przenikalności cieplnej

W/(m*K)

1,3 – 20

Współczynnik

rozszerzalności cieplnej

µm/(m*K)

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

7,67

5,11

2,56

Zapotrzebowanie na

energię przy

wytwarzaniu

MJ/dm

160

120

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

lub strumienia

magnetycznego ϕ, co uzyskuje się poprzez obniżenie napięcia prądu), sztywną

Elektryczne napędy główne obrabiarek

Elektromechaniczne

Prądu stałego

Prądu przemiennego

Silnik asynchroniczny

Mechaniczna

przekładnia

bezstopniowa

Przekładnia

zwielokrotniająca

Stopniowa skrzynka

prędkości

Element wykonawczy

(wrzeciono)

Regulator prędkości

tyrystorowy zasilacz prądu

stałego

Komutatorowy silnik prądu

stałego

Przekładnia

zwielokrotniająca

Element wykonawczy

wrzeciono

Regulator prędkości układ

prostowniczy falownik

Silnik

asynchroniczny

Silnik

synchroniczny

Elektrowrzeciono

Przekładnia pasowa

Element wykonawczy

(wrzeciono)

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

HAAS

VF-1

25.4

18683

HAAS

VM-2

24910

HAAS

TM-1

5.1

8896

HAAS

SMINIMILL2

30.5

8896

HAAS

DT-1

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.

4. 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.