5. Zautomatyzowane elastycznie obrabiarki
i systemy obróbkowe
5.1. Cechy charakterystyczne
Charakterystyczną cechą współczesnych maszyn technologicznych jest
ich wysoki stopień automatyzacji.
Celem automatyzacji jest wyeliminowanie bezpośredniego udziału
człowieka z procesu wytwarzania i sprowadzenie jego roli do czynności
programowania oraz nadzoru nad pracÄ… maszyny.
Środkami prowadzącymi do osiągnięcia tego celu jest mechanizacja
i technika sterowania, przy czym mechanizacja zastępuje fizyczny wysi-
łek człowieka pracą mechanizmów, natomiast sterowanie odciąża jego
umysł i układ nerwowy od monotonnych czynności zapamiętywania,
przetwarzania i przekazywania informacji zwiÄ…zanych z przebiegiem
procesu roboczego obrabiarki.
Poglądowy schemat uczestnictwa człowieka w procesie mechaniza-
cji i automatyzacji przedstawiono na rys. 5.1.
Czynności
pomocnicze
Automatyzacja
Sterowa-
wykonywane
częściowa
nie
ręcznie
Automa-
tyzacja
Mechani-
Wszystkie
Automatyzacja
zacja
czynności
pełna
zautomatyzowane
Rys. 5.1. Schemat uczestnictwa człowieka w procesie mechanizacji, sterowa-
niai automatyzacji obrabiarki
Pod względem stopnia automatyzacji rozróżnia się obrabiarki:
- niezautomatyzowane - z ręcznym sterowaniem przebiegiem pracy,
- zautomatyzowane częściowo - z ręcznym sterowaniem czynnościami
pomocniczymi,
- zautomatyzowane w pełni - z automatycznym sterowaniem wszystkich
czynności.
Rozróżnia się automatyzację obrabiarek sztywną i elastyczną.
Automatyzacja sztywna jest trudno nastawialna, a w przypadku
zmiany programu pracy wymaga przezbrojenia obrabiarki, tzn. wymiany
krzywek, wzorników, ustawienia zderzaków i innych elementów, które
są nośnikami informacji o programie pracy.
Automatyzacja elastyczna umożliwia łatwą i szybką zmianę pro-
gramu pracy. Została zapoczątkowana w chwili wprowadzenia sterowa-
nia numerycznego (NC). Do jej intensywnego rozwoju przyczyniło się
zastosowanie sterowania komputerowego (CNC, DNC). W sterowaniu
takim program pracy obrabiarki jest ustalany przez komputer na podsta-
wie danych technologicznych wprowadzanych do jego pamięci.
Porównanie sztywnej i elastycznej automatyzacji procesów produk-
cyjnych przedstawiono poglÄ…dowo na rys. 5.2.
a) b)
OSN1
OSN2 OSN3
0SN1
0SN2 0SN3
Przedmioty
Stół obrotowy
Przenośnik
Rys. 5.2. Schematy funkcjonalne zautomatyzowanych systemów produkcyj-
nych: a) sztywnego, b) elastycznego
Jako przykład sztywnej automatyzacji procesu produkcyjnego na
rys. 5.2a podano uproszczony szkic odcinka linii produkcyjnej zawiera-
148
jÄ…cej trzy sztywno powiÄ…zane ze sobÄ… obrabiarki OSN1, OSN2, OSN3. Li-
nia taka umożliwia obróbkę identycznych przedmiotów (z pokazaną
możliwością zmiany położenia) w ścisłej kolejności obróbki, podczas
ustalonego taktu pracy.
Jako przykład elastycznej automatyzacji produkcji na rys. 5.2b po-
kazano trzy elastycznie połączone ze sobą - systemem sterowania i sys-
temem przepływu przedmiotu - obrabiarki OSN1, OSN2, OSN3, na któ-
rych można wykonywać różne przedmioty, w dowolnej kolejności, z za-
stosowaniem różnych narzędzi.
Wraz z rozwojem komputerowych systemów sterowania powstały
i rozwinęły się systemy komputerowego wspomagania projektowych
i wytwórczych działań człowieka. Do systemów tych zalicza się:
- Wspomagane komputerowo konstruowanie CAD (Computer Aided
Design), które wspomaga działania konstruktora lub zastępuje go
w wykonywaniu rutynowych prac technicznych, np. wykonywaniu ry-
sunków.
- Wspomagane komputerowo projektowanie procesów wytwarzania CAP
(Computer Aided Planning ), które ułatwia i przyśpiesza działanie tech-
nologa lub zastępuje go w pracach techniczno-organizacyjnych.
- Wspomagane komputerowo wytwarzanie CAM (Computer Aided Ma-
nufacturing), czyli komputerowo wspomagany system przygotowania
programów procesu wytwarzania.
- Sprzężony system komputerowy CAD/CAM, który wykorzystuje wy-
niki prac konstrukcyjnych bezpośrednio jako dane do przygotowania
programów dla obrabiarek CNC i sterowania procesem wytwarzania.
- Zintegrowane komputerowo wytwarzanie CIM (Computer Integrated
Manufacturing), w którym komputer steruje nie tylko procesem wytwa-
rzania, ale także innymi składnikami procesu produkcyjnego. Docelowo
system CIM może obejmować cały zakład produkcyjny - od ewidencji
zamówień do rejestracji wysłanych do odbiorców wyrobów.
Obszar działań objętych sprzężonym systemem CAD/CAM przedsta-
wiono poglÄ…dowo na rys. 5.3.
Kompleksowa automatyzacja wytwarzania obejmuje cały proces wy-
twarzania. Natomiast automatyzacja częściowa, poza samą obrabiarką,
obejmuje tylko niektóre składniki procesu wytwarzania, np. proces tech-
nologiczny, transport itp.
149
Projektowanie
Konstrukcja
Wytwarzanie
procesu
Projekt Rysunki
Opraco-
Koncep-
Program
konstruk- wyko- wanie
Obróbka Kontrola
cja procesów obróbki
cyjny nawcze
obróbki
Obszar CAD
Obszar CAP
Obszar CAM
Obszar CAD/CAM
Rys. 5.3. Zakres działań objętych sprzężonym systemem komputerowym
CAD/CAM
Zintegrowany komputerowo system wytwarzania (CIM) przedsta-
wiono poglÄ…dowo na rys. 5.4.
Obejmuje on trzy wydzielone części (poziomy), a mianowicie:
- poziom wspomaganego komputerowo konstruowania, na którym znaj-
dują się połączone z centralnym bankiem danych stanowiska do wyko-
nywania obliczeń i rysunków konstruowanych elementów,
- poziom wspomaganego komputerowo przygotowania procesów techno-
logicznych, doboru danych dotyczących narzędzi, sporządzania kalku-
lacji, listy przedmiotów, planów pracy itp.,
- poziom obróbki i kontroli, na którym znajdują się stanowiska obróbki
oraz stanowiska kontroli wyprodukowanych przedmiotów.
W zależności od stopnia zastosowanej automatyzacji i stopnia zło-
żoności procesu produkcyjnego stosuje się zautomatyzowane elastycznie
obrabiarki lub zautomatyzowane elastycznie systemy obrabiarek.
Do zautomatyzowanych elastycznie obrabiarek zalicza siÄ™:
- obrabiarki sterowane numerycznie (NC lub CNC),
- centra obróbkowe,
- autonomiczne stacje obróbkowe.
Natomiast wśród zautomatyzowanych elastycznie systemów obra-
biarek rozróżnia się:
- elastyczne gniazda obróbkowe,
- elastyczne systemy obróbkowe,
- elastyczne linie obróbkowe.
150
Centralny
bank
danych
Konstruowanie
CAD
Inne działy
wytwarzania
Projektowanie procesu
CAP
CAM
Obróbka
Wytwarzanie
Kontrola
Rys. 5.4. Zintegrowany komputerowo system wytwarzania
Na elastyczność obrabiarek i ich systemów składają się:
- zakres uniwersalności technologicznej,
- elastyczność systemu sterowania,
- łatwość i szybkość wymiany narzędzi, uchwytów i przyrządów, podaj-
ników, urządzeń pomiarowo-kontrolnych itp.,
- elastyczność organizacyjna, polegająca na podejmowaniu decyzji orga-
nizacyjnych dzięki układowi sterowania komputerowego, np. wybór
kolejności obróbki określonych przedmiotów.
151
5.2. Zautomatyzowane elastycznie obrabiarki
5.2.1. Obrabiarki sterowane numerycznie
Obrabiarki sterowane numerycznie, tzn. wyposażone w układ sterowania
numerycznego NC (zwykły) lub CNC (komputerowy), wykonują zauto-
matyzowany program pracy, który obejmuje sterowanie wszystkimi ru-
chami zespołów roboczych, parametrami obróbki oraz właściwymi dla
danej obrabiarki czynnościami pomocniczymi.
W celu zwiększenia stopnia automatyzacji takich obrabiarek i lep-
szego dostosowania ich do wymagań elastycznego wytwarzania są one
wyposażone w wiele dodatkowych urządzeń, takich jak: podajniki pręta
lub urządzenia załadowcze, dodatkowe jednostki napędowe, zaciski
uchwytów i elementów mocujących, głowice rewolwerowe z narzę-
dziami obrotowymi, przenośniki wiórów itd.
Przykład tokarki uchwytowej ze sterowaniem numerycznym CNC
przedstawiono na rys. 5.5.
200
27 S1 24 GN
S2
S5 I
37 29 UT
CNC
46
47
II ZH
GN
GN
za S3 29
R
CP
S4 2546 III
S
SUP.W
37
IV
zb
UT
40
18
V
I
VI A EZ
SUP.P
25
46
SPZ
EV
WR
UPZ
UPX
SPX
140
EX
WS
Rys. 5.5. Tokarka uchwytowa ze sterowaniem numerycznym
Program pracy obrabiarki zaprogramowanej w układzie CNC jest
przekazywany do rozdzielacza informacji R, z którego informacje doty-
czące przemieszczeń są kierowane do interpolatora I, a informacje doty-
czące czynności pomocniczych do układu pamięci CP.
152
 Interpolator formuje określone ciągi impulsów elektrycznych, wysy-
łanych do układów porównujących UPZ i UPX (liczników rewersyjnych),
gdzie następuje ich porównanie z sygnałami od przetworników obroto-
wo-impulsowych połączonych z silnikami napędowymi EZ i EX. W za-
leżności od różnicy między wartością zadaną a wartością rzeczywistą
drogi posuwu jest generowany przez wzmacniacz WS sygnał sterujący
silnikami napędowymi posuwów. Ruch posuwowy jest realizowany do-
póty, dopóki występuje uchyb między dwiema wielkościami.
Napędy ruchów posuwu wzdłużnego i poprzecznego są realizowane
od oddzielnych silników prądu stałego EZ i EX, które bezpośrednio napę-
dzają przekładnie śrubowe toczne suportu wzdłużnego SUP.W i suportu
poprzecznego SUP.P.
Sześciopozycyjna głowica nożowa GN umożliwia zamocowanie na-
rzędzi służących do obróbki powierzchni zewnętrznych i otworów.
Zmiana położenia głowicy narzędziowej oraz jej zaciskanie, podobnie
jak zacisk uchwytu tokarskiego UT, odbywajÄ… siÄ™ hydrauliczne od zasila-
cza hydraulicznego ZH.
W napędzie ruchu głównego wrzeciona zastosowano sprzęgła elek-
tromagnetyczne S1, S2, S3, S4 i S5, umożliwiające automatyczną zmianę
przełożenia dwójki i trójki sprzęgłowej, oraz koła wymienne za i zb (pięć
par) przekładni gitarowej i dwójkę przesuwną sterowaną ręcznie dz
wi-
gnią A, która pozwala nastawić wybrany zakres sterowanych auto-
matycznie prędkości obrotowych wrzeciona.
5.2.2. Centra obróbkowe
Centra obróbkowe są to sterowane numerycznie obrabiarki ogólnego
przeznaczenia, wyposażone w magazyn narzędzi i urządzenia do auto-
matycznej ich wymiany.
Ze względu na możliwość zastosowania wielu różnorodnych narzę-
dzi centra obróbkowe są przeznaczone przede wszystkim do jednostko-
wej i małoseryjnej produkcji przedmiotów wymagających wykonania na
jednym stanowisku pracy wielu zabiegów obróbkowych.
Najczęściej są stosowane centra obróbkowe frezarsko-wytaczarskie,
głównie do obróbki korpusów, oraz centra obróbkowe tokarskie i szli-
fierskie przeznaczone do obróbki części obrotowych.
153
Liczba zabiegów obróbkowych centrum jest zależna od pojemności
magazynu narzędzia. Magazyn narzędzi może mieć postać bębna, tarczy
obrotowej lub mechanizmu łańcuchowego (rys. 5.6).
a)
d)
b)
c)
1
2
Rys. 5.6. Magazyny narzędzi: a), b), c) tarczowy z narzędziami ustawionymi
wzdłużnie, promieniowo i pod kątem, d) łańcuchowy z narzędziami ustawio-
nymi promieniowo (1) i wzdłużnie (2)
W magazynach bębnowych oraz tarczowych narzędzia mogą być
osadzone wzdłużnie, promieniowo lub ukośnie w stosunku do osi maga-
zynu. Ustawienie narzędzia w położeniu wymiany uzyskuje się przez ob-
rót magazynu.
W zależności od przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego wrzecien-
nika obrabiarki znajdujące się w magazynie narzędzia są wyposażone
w oprawki przystosowane do mocowania ich w gniez
dzie stożkowym
wrzeciona lub są osadzone w odrębnych (wymiennych) jednostkach
wrzecionowych. Przykłady narzędzi osadzonych w oprawkach oraz jed-
nostkach wrzecionowych pokazano na rys. 5.7.
Do wymiany narzędzi stosuje się specjalne podajniki z ramieniem
wyposażonym w jeden chwyt lub dwa chwyty podające narzędzie z ma-
gazynu do wrzeciona i z powrotem.
W przypadku podajnika z jednym uchwytem czas trwania wymiany
narzędzia jest dłuższy, gdyż podajnik wykonuje dwa cykle ruchów zwią-
zanych z wyjęciem używanego i założeniem nowego narzędzia.
154
 Wrzeciono
a) b)
c)
3
2
1
Rys. 5.7. Mocowanie narzędzi w centrach obróbkowych: a) oprawka z narzę-
dziem osadzona w końcówce wrzeciona, b) oprawka z narzędziem przenoszona
podajnikiem, c) wymienne zespoły wrzecionowe - szybkoobrotowy (1), kątowy
(2) i wielowrzecionowy (3)
W przypadku zastosowania dwóch chwytów podających, które mogą
działać niezależnie lub być osadzone na jednym podwójnym ramieniu,
następuje jednoczesne zdejmowanie narzędzia z wrzeciona i pobieranie
nowego narzędzia z magazynu MN, jak to pokazano na rys. 5.8.
a) b)
MN
N4
MN
N4
N1 N2
N3
N3
N2 N1
N2
P1
N1
P2
P
WR
WR
Rys. 5.8. Podajnik narzędzi: a) podajnik z dwoma chwytami na podwójnym ra-
mieniu, b) dwa podajniki z pojedynczym ramieniem i chwytem
155
W celu pobrania właściwego dla danego zabiegu narzędzia muszą
być one ustawione w magazynie ściśle według przyjętej kolejności ob-
róbki lub odpowiednio zakodowane. Wybór stosowanego narzędzia jest
dokonywany na podstawie informacji wprowadzonych do układu stero-
wania numerycznego obrabiarki.
Widok ogólny poziomego centrum obróbkowego, wykonującego za-
biegi frezarsko-wytaczarskie, przedstawiono na rys. 5.9.
Magazyn narzędzi
Podajnik narzędzi
Wrzeciono
Stół
obrotowy
Rys. 5.9. Centrum obróbkowe poziome do obróbki korpusów
Jest to centrum przeznaczone do obróbki korpusów, z magazynem
narzędzi umieszczonym na górnej powierzchni stojaka obrabiarki. Kolej-
ność automatycznego wyboru narzędzia z magazynu jest dowolna.
5.2.3. Autonomiczne stacje obróbkowe
Autonomiczna stacja obróbkowa (oznaczona skrótem ASO) jest to cen-
trum obróbkowe uzupełnione narzędziami służącymi do automatycznego
156
transportu, magazynowania oraz podawania przedmiotów, a także do ste-
rowania i kontroli, które są niezbędne do zapewnienia automatycznej ob-
róbki serii technologicznie podobnych przedmiotów.
Stacja taka stanowi samodzielnÄ…, elastycznÄ… jednostkÄ™ produkcyjnÄ…,
która może wytwarzać przedmioty bez stałej obecności operatora.
Przykład autonomicznej stacji obróbkowej składającej się z pozio-
mego centrum do obróbki korpusów oraz magazynu przedmiotów poda-
wanych na paletach przedstawiono na rys. 5.10.
Magazyn narzędzi
Centrum obróbkowe
UrzÄ…dzenie
do wymiany
palet
Magazyn palet
z przedmiotami
obrabianymi
Sterowanie
Stanowisko
CNC
obróbki
Stanowisko
przezbrajania palet
Transport wiórów
Rys. 5.10. Autonomiczna stacja obróbkowa do korpusów z krążącym
magazynem palet
157
 Zastosowanie palet, na których są ustalone i mocowane przedmioty,
ułatwia transport oraz podawanie na obrabiarkę przedmiotów o różnych
kształtach i wymiarach.
Po zakończeniu obróbki przedmiotu następuje odmocowanie palety
i wycofanie jej do magazynu, a potem obrót magazynu do pozycji, w któ-
rej zamocowuje się kolejne palety. Magazyn palet spełnia więc zadanie
zasobnika i przenośnika palet.
5.2.4. Zautomatyzowane elastyczne systemy obróbkowe
Zautomatyzowane elastyczne systemy obróbkowe są to zbiory obrabiarek
sterowanych numerycznie. W zależności od konfiguracji i organizacji
systemu rozróżnia się: elastyczne gniazda obróbkowe, elastyczne sys-
temy obróbkowe oraz elastyczne linie obróbkowe.
" Elastyczne gniazda obróbkowe
Elastyczne gniazdo obróbkowe (oznaczone skrótem literowym EGO) jest
to zbiór zautomatyzowanych elastycznie obrabiarek dobranych i usta-
wionych odpowiednio do przydzielonych im zadań i powiązanych ze so-
bÄ… urzÄ…dzeniami transportowymi.
W skład elastycznego gniazda obróbkowego mogą wchodzić także
stanowiska służące do wykonywania operacji uzupełniających, np. mycia
i suszenia przedmiotów.
Przykład elastycznego gniazda obróbkowego, składającego się
z dwóch centrów obróbkowych do wykonywania elementów obroto-
wych, przedstawiono na rys. 5.11. W gniez
dzie tym znajduje się również
stanowisko pomiarowe SP oraz miejsce do składowania przedmiotów ob-
rabianych MP. Gniazdo obsługuje robot przemysłowy R o siedmiu stop-
niach swobody, przesuwający się na wózku, który podaje przedmioty
między stanowiskami obróbki i pomiaru oraz miejscem składowania.
" Elastyczne systemy obróbkowe
Elastyczny system obróbkowy (oznaczony skrótem literowym ESO) sta-
nowi zestaw wielu elastycznie zautomatyzowanych stanowisk obróbko-
wych (obrabiarek CNC, centrów obróbkowych) oraz stanowisk uzupeł-
niających (np. mycia, suszenia, kontroli) połączonych ze sobą zautoma-
tyzowanymi urządzeniami transportu przedmiotów w taki sposób, że na
158
poszczególnych stanowiskach jest możliwa obróbka różnych przedmio-
tów, podawanych przez system różnymi drogami.
MP
Zasięg
ramienia
robota
R
CU
SP
CT
Rys. 5.11. Schemat elastycznego gniazda obróbkowego: CU - centrum uniwer-
salne, CT - centrum tokarskie, SP - stanowisko pomiarowe, MP - miejsce skła-
dowania przedmiotów, R - robot przemysłowy
Różnica między elastycznym systemem obróbkowym a elastycznym
gniazdem obróbkowym polega na tym, że komputer sterujący ESO speł-
nia również funkcję nadzoru oraz planowania produkcji i na tej podsta-
wie steruje przepływem przedmiotów przez system. W elastycznym sys-
temie obróbkowym rozróżnia się następujące podsystemy, nazywane sys-
temami funkcjonalnymi:
- system maszynowy,
- system narzędziowy,
- system przepływu przedmiotów (materiałów),
- system przepływu informacji.
Schemat elastycznego systemu obróbkowego przedstawiono na
rys. 5.12.
SkÅ‚ada siÄ™ on z piÄ™ciu centów obróbkowych CO1÷CO5 poÅ‚Ä…czonych
przenośnikiem rolkowym PR palet z przedmiotami ze stanowiskami do
mycia przedmiotów SM oraz do rozładunku palet i załadunku przedmio-
tów na palety SZ.
159
KC
NC
NC
NC
NC
NC
CO1 CO2
CO3 CO4 CO5
PP
SW
PR
SP PR SP
SM
PR
SZ
Rys. 5.12. Schemat funkcjonalny elastycznego systemu obróbkowego: KC -
komputer centralny, CO1÷CO5 - centra obróbkowe, PR - przenoÅ›nik rolkowy,
SM - stanowisko do mycia przedmiotów, SZ - stanowisko do załadunku przed-
miotów na palety, SP - stanowisko podawania palet, PP - podajniki palet,
SW - stanowisko wymiany palet
Przedmioty po zidentyfikowaniu obrabiarki, na której mogą być wy-
konywane, są podawane przez urządzenia do wymiany palet SW na stół
obrabiarki, na którym są mocowane po sprawdzeniu ich ustawienia.
Do przenoszenia palet z przenośnika głównego PR do stanowiska
mycia SM oraz stanowiska rozładunku i załadunku SZ służą specjalne
podajniki.
Poszczególne obrabiarki oraz układ transportowy są sterowane jed-
nym centralnym komputerem KC.
160