Obrabiarka sterowana numerycznie (obrabiarkę NC) to obrabiarka zautomatyzowana, wyposażona w numeryczny układ sterowania programowego NC, sterujący w sposób programowy wszystkimi ruchami w zakresie obróbki, parametrami obróbki i czynnościami pomocniczymi w celu uzyskania przedmiotu o żądanych parametrach. Obrabiarki NC nie są obrabiarkami automatycznymi dodatkowo wyposażonymi w programowe sterowanie numeryczne tylko zostały specjalnie skonstruowane dla potrzeb automatycznego, programowego sterowania. Obrabiarki NC ze sterowaniem komputerowym nazywamy obrabiarkami CNC.

Głównym celem takiej obrabiarki jest wykonywanie określonych zadań technologicznych.

Typowa konfiguracja obrabiarki sterowanej numerycznie obejmuje wymianę informacji pomiędzy:

• układem sterowania numerycznego (NC)

• interfejsem PLC (programowalny sterownik logiczny)

• układem dopasowująco-sterującym

• obrabiarką

Układ sterowania numerycznego odczytuje z programu sterującego zapisanego w formie symbolicznej matematyczny opis ruchu wraz z informacjami technologicznymi. Interfejs (PLC) służy do komunikacji pomiędzy układem NC a UDS. Z kolei układ UDS służy bezpośrednio do sterowania elementami wykonawczymi obrabiarki.

Sterowanie automatyczne najczęściej występuje w postaci układu zamkniętego (ze sprzężeniem zwrotnym z czujników pomiarowych). Dzięki temu możliwa jest reakcja układu sterowania na powstające w trakcie obróbki zakłócenia.

Podział obrabiarek sterowanych numerycznie:

- NC - układ sztywnych, połączonych ze sobą bloków funkcjonalnych, bez mikroprocesora i programu sterującego obróbką

- CNC - obrabiarka posiadająca mikroprocesor (nierzadko elementem sterującym jest komputer), w której proces technologiczny zapisany jest przy pomocy programu

- DNC - jest to bezpośrednie sterowanie numeryczne polegające na zarządzaniu, magazynowaniu i rozdysponowaniu programów technologicznych na poszczególne stanowiska technologiczne, stosownie do aktualnych potrzeb. Sterowanie DNC dotyczy zatem nie jednej maszyny, lecz szeregu maszyn połączonych za pomocą kabla do nadrzędnego komputera zarządzającego.

Porównanie obrabiarek sterowanych numerycznie z obrabiarkami konwencjonalnymi:

1. Cechy charakterystyczne obrabiarek NC:
   - niezależne, serwomechanizmowe, indywidualne napędy posuwu dla każdej sterowanej osi.
   - Indywidualne, elektroniczne układy pomiarowe położenia lub przemieszczenia dla każdej sterowanej osi
   - Automatyczne urządzenia do wymiany narzędzi a również przedmiotów
   - Przekładnie śrubowo toczne z obrotową śrubą lub nakrętką do napędów ruchów posuwowych
   - Prowadnice toczne, hydrostatyczne lub ślizgowe
   - Głowice i magazyny wielonarzędziowe
   - Jeden lub więcej suportów narzędziowych
   - Automatycznie i zdalnie sterowany konik
   - Konstrukcja typy kompakt
   - Mechaniczne usuwanie wiórów

2. Cechy odróżniające od obrabiarek konwencjonalnych:
   a)Duża sztywność statyczna i dynamiczna oraz dobre tłumienie drgań (przydatne przy wysokich parametrach kinematycznych i dużych mocach skrawania.

Wymagane działania konstrukcji:

• bezluzowe łożyskowanie wrzecion

• wyrówoważenie silników napędowych

• bezluzowe przekładnie i śruby pociągowe

• stosowanie śrub pociągowych o wysokiej sprawności 98%

• stosowanie obrotowych nakrętek [ dzięki temu wzrasta sztywność dynamiczna

• stosowanie korpusów o dużej sztywności - optymalizacja konstrukcji

• stosowanie operacji szlifowania do wszystkich elementów łańcuchów kinematycznych co pozwala uzyskiwać duże prędkości wrzecion

• minimalizowanie liczby kół zębatych w łańcuchach kinematycznych napędów głównych

• całkowite wyeliminowanie skrzynek posuwu z łańcuchów kinematycznych napędów posuwowych

• specjalna konstrukcja łoża i prowadnice zabezpieczające przed gorącymi wiórami.

1. Całkowite wyeliminowanie napędów posuwu z wspólnym silnikiem asynchronicznym i 3-4 stopniową skrzynką posuwów oraz zakleszczania prowadnic w żądanym położeniu.

• zasilanie: serwomechanizmy prądu stałego i przemiennego elektryczne, elektrohydrauliczne, silniki skokowe

• zakleszczanie wynika z niesymetrycznego obciążenia jak i niesymetrycznego napędu. Dzięki zastosowaniu dwóch serwomechanizmów sterowanych numerycznie możemy tego uniknąć.

2. Eliminowanie nieregulowanych silników prądu przemiennego z napędów głównych

• dzięki temu uzyskano obrabiarkę o bardzo szerokim zakresie zmiany prędkości napędu głównego ale w dwu lub trzech zakresach.

2. Wyposażenie obrabiarki NC w magazyny narzędziowe i zmieniacze narzędzi. Obrabiarki NC wykonują wiele czynności dlatego musi być wyposażona w pewien zapas narzędzi, których użytkowanie jest w pełni swobodne. Obok obrabiarki są magazyny narzędzi. Narzędzia mają swój numer tak aby nie doszło do pomyłki. Kodowanie narzędzi.

3. Automatyzacja wymiany przedmiotów obrabianych nie jest jeszcze powszechnie stosowana ale już się upowszechnia w obrabiarkach wykorzystujących korpusy

4. Automatyczny nadzór obróbki na obrabiarce NC. Wyposażenie jej w czujniki kontrolno-pomiarowe.

5. Sterowanie numeryczne osi napędu głównego - sterowniki numeryczne osi na której odbywa się ruch.

6. Narzędzia obrotowe napędzane - „najmłodszy” wynalazek pozwala wiercić otwory w kierunku prostopadłym do osi

3. Zalety obrabiarek NC

• zwiększenie wydajności dzięki skróceniu czasów obróbki (koncentracja obróbki na jednej obrabiarce, skrócenie czasów przygotowawczo-zakończeniowych)

• zwiększenie dokładności wymiarowo-kształtowej (sprzężenia zwrotne do układu sterowania, pomiar z dokładnością 0,001mm)

• powtarzalność geometryczna wytwarzanych przedmiotów

• zwiększona elastyczność produkcji

4. Wady sterowania NC:

- czasochłonne przygotowanie taśmy perforowanej,

- mała elastyczność sterowania związana ze stosowaniem specjalizowanych bloków funkcjonalnych,

- problem przechowywania programów na nośnikach perforowanych,

- błędne wczytywanie programów technologicznych związane z mechanicznymi urządzeniami czytającymi




Przepływ informacji geometrycznej w dwuosiowej tokarce sterowanej numerycznie

Numerycznie sterowane obrabiarki mają o wiele większe możliwości niż obrabiarki sterowane konwencjonalne

Jest to sterowanie programowe, które obejmuje swym programem oprócz kolejności ruchów, czynności i parametrów obróbki, również informacje geometryczne niezbędne do określenia położenia narzędzia względem przedmiotu podczas obróbki. Program obróbki zapisany jest w postaci symbolicznej na nośniku programu (np. taśma perforowana, taśma magnetyczna, karty perforowane) i wprowadzany jest do sterowania numerycznego za pomocą czytnika, który przekazuje przekształconą z symboli alfanumerycznych na ciąg impulsów elektrycznych informacje do dekodera. Sygnał wyjściowy z dekodera jest bezpośrednio wykorzystywany do sterowania czynnościami. Czytnik może być blokowy lub szeregowy. W blokowym wczytywanie informacji odbywa się blokami zawierającymi komplet informacji niezbędnych do wykonania czynności, a w szeregowym wczytywanie informacji następuje wiersz po wierszu. W tym drugim przypadku nie można rozpocząć pracy zanim nie zostaną wczytane potrzebne informacje . Wczytane wiersze programowe muszą więc być zapamiętywane przez specjalny blok zwany pamięcią pośrednią do czasu wczytania wszystkich potrzebnych wierszy.

Obecnie wprowadza się indywidualne napędy regulowane o dużej szybkości działania, szerokim zakresie bezstopniowej regulacji prędkości, dużej sztywności
i zwartej budowie. Dla długich przesuwów nie stosuje się przekładni śrubowo-tocznych, lecz listwy zębate i zębatki.

Wraz z rozwojem sterowań ograniczono stosowanie przekładni zębatych
na korzyść przekładni sprzęgłowych. Sprzęgła elektromagnetyczne pozwalają
na programową, skokową zmianę prędkości. Równocześnie zaczęto stosować regulowane napędy prądu stałego zamiast asynchronicznych indukcyjnych silników prądu przemiennego. Aby pokryć potrzeby obrabiarek dodatkowo wprowadzono dwu lub trójstopniowe przekładnie zębate sprzęgłowe.

Wyposażenie obrabiarki NC w magazyny narzędziowe i zmieniacze narzędzi. Narzędzia umieszczone w magazynie mają przypisane numery na które powołuje się programista opracowywujący proces technologiczny. Magazyny mogą być: łańcuchowe, talerzowe, pierścieniowe, kasetowe i podłużne. Automatyzacja wymiany przedmiotów obrabianych nie jest jeszcze powszechnie stosowana.




Rys. Rozwiązanie konstrukcyjne bezluzowego napędu głównego stołu tokarki karuzelowej.

Automatyczny nadzór obróbki na obrabiarce NC obejmuje m.in. nadzór stanu

narzędzia skrawającego, przebiegu procesu skrawania, nadzór pracy obrabiarki i całego podsystemu maszynowego oraz poprawności pracy sterowania. Czujniki monitorują drgania maszyny i narzędzia, odchyłki wymiarowe przedmiotu, temperaturę i niedopuszczalne obciążenia meldując to operatorowi lub inicjując kompensowanie błędów za pośrednictwem sterowania CNC.

Sterowanie numeryczne osi napędu głównego wymagało rozwiązania problemu przekazywania z silnika napędu głównego do wrzeciona ruchu o dużej i bardzo dużej mocy oraz przekazywania tym samym łańcuchem kinematycznym w sposób bezlufowy ruchu sterowanego numerycznie. Problem ten usunięto przez zastosowanie drugiego silnika serwomechanizmowego o mniejszej mocy do numerycznego sterowania wrzeciona. Zastosowanie narzędzia obrotowego napędzanego polega na możliwości niezależnego napędu ruchu obrotowego narzędzi obrotowych takich jak frez czy wiertło.

Rys.6 Schemat blokowy sterowania numerycznego




Sterowanie może mieć charakter:

• punktowy, w którym zadajemy punkt docelowy narzędzia i nie ma znaczenia tor ruchu po jakim porusza się owo narzędzie przed osiągnięciem punktu końcowego,




• odcinkowy, w którym tor narzędzia względem przedmiotu zadany jest w postaci szeregu punktów, między którymi ruch odbywa się po odcinkach wyznaczonych prowadnicami obrabiarki,





- kształtowe w którym tor ruchu narzędzia jest dowolną, z góry określoną linią.

1. Literatura

Opis ruchu w obrabiarkach odbywa się w układzie współrzędnych prostokątnych, którego początek związany jest z obrabiarką.

Oznaczenia osi współrzędnych i kierunków ruchów:

a. Układ osi współrzędnych i ruchy w kierunkach tych osi ustala się tak, że przemieszczenia mogą być opisane przez programistę niezależnie od tego czy ruchy wykonuje narzędzie przy nieruchomym przedmiocie, czy też odwrotnie.

b. Podstawowy układ osi współrzędnych (rys. 5) jest układem prostokątnym, prawoskrętnym, odniesionym do przedmiotu obrabianego zamocowanego na obrabiarce. Osie współrzędnych układu podstawowego powinny być równolegle do głównych prowadnic obrabiarki.

c. Za dodatni przyjmuje się taki zwrot ruchu zespołu sterowanego, w wyniku którego następuje przyrost wymiaru przedmiotu obrabianego w przyjętym układzie osi współrzędnych. Oznacza to, że przy ujemnym zwrocie ruchu zespołu sterowanego, podczas obróbki zmniejsza się wymiar przedmiotu obrabianego; następuje ubytek masy przedmiotu obrabianego. Rysunek 6 podaje przykładowo określenie kierunków ruchu przy toczeniu.

d. W obrabiarkach, które mogą być zastosowane do wiercenia lub wytaczania, przy wykorzystaniu tylko ruchów w kierunkach osi podstawowego układu współrzędnych, ujemny zwrot ruchu w kierunku osi Z odpowiada zagłębianiu się narzędzia w przedmiot obrabiany.

e. Ruchy narzędzia oznacza się dużymi literami alfabetu łacińskiego, odpowiednio do oznaczeń osi współrzędnych.

Ruchy przedmiotu obrabianego oznacza się odpowiednimi, dużymi literami alfabetu łacińskiego ze znakiem ` (prim), przy czym za dodatni przyjmuje się zwrot ruchu przeciwny do zwrotu odpowiedniego ruchu, oznaczonego literą bez znaku `(prim).




Rys.10 Przykład tokarki sterowanej numerycznie w trzech osiach

1. Jan Kosmol „Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem” WNT

---