PROJEKTOWANIE OBRÓBKI NA OBRABIARKI STEROWANE NUMERYCZNIE

Obrabiarki sterowane numerycznie (OSN) zaistniały w procesach wytwarzania już na początku lat 50-tych XX wieku. Pierwsze obrabiarki ze sterowanym numerycznie pozycjonowaniem wrzeciona (wiercenie) zastosowano w przemyśle lotniczym w 1952 r. w USA. Pierwsze obrabiarki sterowane numerycznie, gdzie do sterowania zastosowano komputer, datuje się na lata 70-te. Koniec XX w. to dominacja obrabiarek (a w zasadzie maszyn technologicznych) sterowanych komputerowo (CNC). W podstawowej ofercie firm krajowych i światowych, oprócz w dalszym ciągu produkowanych w coraz mniejszej liczbie obrabiarek konwencjonalnych, znajdują się obrabiarki CNC. Mówiąc o maszynach CNC trzeba mieć na uwadze nie tylko obrabiarki skrawające, ale także inne maszyny sfery wytwarzania, gdzie jako sterownik zastosowano komputer. Mogą to być np. maszyny odlewnicze, prasy, piły, elektrodrążarki, wycinarki laserowe, zaginarki itd. Ponieważ skrypt zawiera materiał dotyczący projektowania technologicznego, niniejszy rozdział dotyczyć będzie sterowanych numerycznie (CNC) obrabiarek skrawających.

Pojęcia podstawowe

Obrabiarka sterowana numerycznie jest to maszyna technologiczna realizująca proces obróbki według wprowadzonego do układu sterowania programu. Cyfrowy układ sterowania nie będący komputerem oznacza obrabiarkę sterowaną numerycznie (NC - Numerical Control), zaś komputerowy układ sterowania (m.in. możliwość zapamiętania wielu programów. edycja. grafika. symulacja obróbki) określa obrabiarkę sterowaną komputerem (CNC - Computer Numerical Control).

Zgodnie z normą PN-ISO 2806: 1996 sterowanie numeryczne NC to sterowanie automatyczne procesu technologicznego wykonywanego przez urządzenie. które do działania stosuje dane liczbowe wprowadzane w czasie pracy urządzenia. zaś komputerowe sterowanie numeryczne CNC to realizacja NC z zastosowaniem komputera do sterowania funkcji maszyny. Nośnikiem informacji (programu. danych) może być taśma perforowana (dzisiaj używana sporadycznie jedynie w eksploatowanych jeszcze starszych rozwiązaniach konstrukcyjnych obrabiarek NC). dyskietka. przenośne pamięci. a najczęściej bezpośrednie kablowe połączenie portów komputera zewnętrznego (sieci) i sterownika obrabiarki. Współpracę komputera zarządzającego wytwarzaniem z układami sterowania numerycznego. polegającą na rozdzielaniu danych, określa się jako rozłożone sterowanie numeryczne (DNC).

Skoro obróbka dotyczy kształtowania narzędziem (lub narzędziami) powierzchni przedmiotu obrabianego, a zatem wzajemne relacje narzędzie-przedmiot obrabiany winny być zapisane w odpowiednim układzie odniesienia. Przyjęto zatem kartezjański układ prawoskrętny XYZ wraz z obrotami wokół tychże osi, oznaczając je kolejno ABC (rys. 2.65). Jest to więc układ o 6 stopniach swobody. Jednakże obrabiarki sterowane numerycznie nie mogą nigdy wykorzystać wszystkich sześciu osi. gdyż w takich warunkach obróbka byłaby niemożliwa z uwagi na brak ustalenia. Obrabiarki numeryczne dysponują jedynie maksymalnie pięcioma osiami. zaś sterowania 6-osiowe są typowe dla robotyki.

Rysunek 2,65. Osie sterowania

Spotyka się - i to dość często - obrabiarki nawet o kilkunastu osiach sterowanych. Są to jednak zwielokrotnione układy podstawowe zwiększające jedynie możliwości technologiczne obrabiarek. Ogólnie, oś to podstawowy kierunek. w którym zespół maszyny może wykonywać ruch liniowy lub obrotowy. Przechodząc do szczegółów: jeżeli w osi układu można zapisać wzajemny związek między narzędziem a przedmiotem obrabianym opisujący wpływ narzędzia na kształt obrabianej powierzchni. to taką oś można określić też jako oś sterowaną (wielkość wektorowa). Mimo iż prędkość skrawania i posuw są programowalne i możliwa jest realizacja dowolnej wartości (oczywiście z dostępnych w maszynie zakresów), to wielkości te nie należą do osi sterowanych. Są to parametry technologiczne (wielkości skalarne) decydujące o sposobie obróbki i czasie (wydajności. kosztach itd,) i nie mające wpływu na kształt powierzchni obrabianej.

Rysunek 2,66. Punkty charakterystyczne obszaru roboczego obrabiarki

Jeśli w maszynie oprócz zespołów przemieszczających się w osiach układu XYZ. występują inne zespoły wykonujące ruchy równoległe do kierunków osi układu podstawowego, to osie tych ruchów oznacza się jako UVW, np. tokarka rewolwerowa. tokarka kłowa z przeciw wrzecionem (wrzecionem przechwytującym). I dalej. Jeśli w maszynie występują kolejne zespoły przemieszczające się równolegle do osi XYZ, to osie tych ruchów oznacza się jako PQR. np. tokarka karuzelowa. Analogicznie. jeśli inne zespoły wykonują ruchy obrotowe zgodnie z kierunkami ruchów obrotowych określonych przez ABC w układzie XYZ, oznacza się je jako DE. W maszynach, których zespoły wykonują ruchy nierównoległe do osi XYZ. oznacza się je jako UVW lub PQR. Położenie układu XYZ ustala się w większości przypadków względem osi wrzeciona głównego. przyjmując iż oś Z jest do niej równoległa. np. tokarki, frezarki, wiertarki itd. Oznaczenia osi odnoszą się do narzędzia; dla przedmiotu obrabianego przyjmuje się te same oznaczenia ze znakiem prim. np. X'. C' itd.

Opisując maszynę. a dokładniej jej obszar roboczy lub przestrzeń roboczą, należy określić punkty charakterystyczne i związane z nimi układy współrzędnych (rys. 2.66):

• układ współrzędnych maszyny związany z maszyną. z odniesieniem do zera maszyny jako punktu na maszynie ustalonego przez producenta.

• układ współrzędnych przedmiotu obrabianego związany z punktem początkowym układu współrzędnych przedmiotu obrabianego,

• układ współrzędnych narzędzi związany z systemem narzędziowym maszyny, z odniesieniem do punktu początkowego układu współrzędnych narzędzi,

• punkt referencyjny (bazowy), ustalony (przez producenta) punkt na osi, który określony jest w stosunku do początku układu współrzędnych maszyny i stosowany jako miejsce do bazowania,

• pozycja wymiany narzędzi, ustalony punkt na osi, który określony jest w stosunku do początku układu współrzędnych maszyny i stosowany jako miejsce wymiany narzędzi.

Punkt początkowy układu współrzędnych maszyny i punkt referencyjny określają obszar roboczy - np. tokarki (rys. 2.67) lub przestrzeń roboczą - np. frezarki (rys. 2.68). Punkt początkowy układu współrzędnych maszyny przyjmowany jest w takich miejscach konstrukcji maszyny, które są np. bazą oprzyrządowania technologicznego (np. czoła wrzecion tokarek) i nie ulegają zmianie w trakcie eksploatacji maszyny.

Rysunek 2.67. Obszar roboczy tokarki - punkty charakterystyczne

Opisane układy współrzędnych oparte na układach kartezjańskich odnoszą się do układów konstrukcyjnych maszyn nazywanych szeregowymi (typowa budowa frezarki), a więc np. na zespole I posadowiony jest zespół II, na nim zaś zespół III itd. Większość produkowanych na świecie maszyn technologicznych ma konstrukcję szeregową. W ostatnich latach zaczynają pojawiać się coraz liczniej (choć w gruncie rzeczy jest to i tak niewielki procent produkcji obrabiarek) układy konstrukcyjne równoległe (rys. 2.69), zmieniając - jak widać - diametralnie budowę obrabiarki. Najogólniej mówiąc, układ równoległy to zamontowanie wrzeciennika narzędziowego (elektrowrzeciona) na regulowanych cięgnach utwierdzonych przegubowo w narożach przestrzeni prostopadłościennej. Tutaj jako układy odniesienia mogą być przyjęte tylko układy biegunowe, zaś przekształcenia układów wymagają czasami dość złożonych obliczeń numerycznych. Komplikuje to przede wszystkim układ sterowania CNC, a także język programowania.

Rysunek 2.68. Przestrzeń robocza frezarki - punkty charakterystyczne

Geometria przedmiotu obrabianego może być opisana w dwojaki sposób:

• wymiarowaniem absolutnym (we współrzędnych absolutnych), tzn., że odległości lub kąty mierzone są od początku układu współrzędnych (rys. 2.70a),

• wymiarowaniem przyrostowym (we współrzędnych przyrostowych), gdzie odległości lub kąty mierzone są od ostatniego poprzedzającego punktu w kolejnych pomiarach (rys. 2.70b).

Rysunek 2.69. Obrabiarka o konstrukcji równoległej

Rysunek 2.70. Wymiarowanie: a) absolutne; b) przyrostowe

Kształtowanie przedmiotu obrabianego związane jest z prowadzeniem narzędzia po torze narzędzia, który można określić jako krzywą, po której przemieszcza się charakterystyczny punkt narzędzia skrawającego, np. wierzchołek noża tokarskiego.

Tor narzędzi na maszynach sterowanych numerycznie może być realizowany przez interpolację (rys. 2.71), tj. określenie punktów pośrednich między danymi punktami na wyznaczonym torze lub zarysie według funkcji matematycznej. rozróżnia się interpolację:

• liniową

• kołową

• funkcją wyższego rzędu, np. krzywa B-sklejana

Interpolacja liniowa oznacza, iż tor narzędzia złożony jest z odcinków (rys. 2.71a, b). Wykorzystując interpolację liniową można prowadzić obróbkę konturów nieprostoliniowych (łuków, promieni zaokrąglenia itd.), oczywiście z pewnym błędem wynikającym z przyjętej dokładności interpolacji. Interpolacja kołowa to zastępowanie krzywoliniowego konturu fragmentami okręgów o określonych promieniach i znanych punktach zawieszenia tych promieni (rys. 2.71c). Analogicznie, interpolacja funkcją wyższego rzędu, najczęściej krzywą B-sklejaną (B-splain), to zastąpienie funkcją wyższego rzędu (łukami wielomianowymi stopnia n) obrabianego konturu (rys. 2.71d).

Rysunek. 2.71. Interpolacja: a, b) liniowa; c) kołowa, d) funkcją wyższego rzędu

Oczywiste jest. że każda z tych interpolacji jest możliwa do realizacji jeśli sterownik maszyny ma odpowiedni interpolator. W zasadzie każda współczesna maszyna sterowana numerycznie ma interpolator liniowy i kołowy. Nowością są układy, które mają jeszcze interpolatory funkcjami wyższego rzędu (splajnowe). Interpolatory splajnowe to niejako przeniesienie w sferę wytwarzania modelowania wykorzystującego krzywe B-sklejane czy też powierzchnie B-sklejane (NURBS).

Rodzaje pracy maszyny

Rodzaj pracy maszyny wiąże się ze sposobem sterowania numerycznego pracą obrabiarki. Rozróżnia się sterowanie:

• punktowe, gdzie przemieszczenia od punktu do punktu nie są wzajemnie powiązane i mogą być wykonywane w różnych osiach jednocześnie lub kolejno, z prędkościami nieokreślanymi przez dane wejściowe (rys. 2.72a),

• odcinkowe, gdzie przemieszczenia w różnych osiach wzajemnie nie powiązane mogą odbywać się tylko odcinkami równoległymi do osi układu (rys. 2. 72b), z prędkościami określonymi w programie,

• kształtowe, gdzie dwa lub więcej ruchów (posuw w wielu osiach jednocześnie) realizowane z zaprogramowaną prędkością określają zadaną i następną zadaną pozycję; stosunek prędkości tych ruchów w czasie ich realizacji jest zmienny by otrzymać żądany kształt (rys. 2.72c).

Rysunek 2.72. Sterowanie: a) punktowe; b) odcinkowe; c) kształtowe

Sterowanie kształtowe to realizacja dowolnej krzywej na płaszczyźnie (sterowanie 2D) albo w przestrzeni (sterowanie 3D). Istnieje jeszcze inna odmiana sterowania kształtowego, a mianowicie sterowanie 2.5D (dwu i półosiowe). Oznacza to, że po zatrzymaniu ruchu po dowolnej krzywej w płaszczyźnie interpolacji następuje przyrostowe przemieszczenie w trzeciej osi i ponowne uruchomienie interpolacji.

Sterowania odcinkowe to np. toczenie wału wielostopniowego (powierzchnie walcowe i czołowe), a więc nie można obrabiać powierzchni stożkowych. Dopiero sterowanie kształtowe 2D umożliwia obróbkę części osiowo-symetrycznej o dowolnym kształcie. Sterowanie dwuipółosiowe (i więcej) charakterystyczne jest dla frezarek. W sterowanie kształtowe 3D wyposażone są 5-osiowe frezarki stosowane w przemyśle motoryzacyjnym (obróbka tłoczników) i lotniczym (łopatki turbin). Sterowanie punktowe to np. sterowanie wiertarkami, zgrzewarkami, itd.

Programowanie

W terminologii dotyczącej sterowania numerycznego maszyn występuje kilka definicji programu. Najbardziej ogólną jest źródłowy program operacji technologicznej, jako uporządkowany zbiór instrukcji programowych (zapisanych w wymaganym formacie języka) do wywołania działań, które będą wykonywane w sposób automatyczny. Program ten może być przygotowany w formie programu operacji technologicznej (POT) albo w formie danych wejściowych, jako zakodowanych informacji wprowadzanych do układu sterowania za pomocą nośników informacji (np. taśma perforowana, dyskietka, przenośna pamięć itd.).

Źródłowy program operacji technologicznej może być poprzedzony kartą programu. Jest to lista kolejnych czynności potrzebnych do wykonania przedmiotu. czyli kolejność przejść narzędzia, zabiegów. Inaczej, jest to plan obróbki przedmiotu.

Program operacji technologicznej to zapisany na odpowiednim nośniku uporządkowany zbiór instrukcji w języku i w formacie wymaganym przez układ sterowania automatycznego w celu wykonywania ustalonych działań.
Program składa się z bloków zawierających informacje do wykonania jednej czynności. Informacje o wykonaniu tej czynności zapisane są w słowach. Słowa zaś składają się z adresu (litera - np. funkcja G lub oznaczenie osi X, Y, Z itd.) i wartości (np. 115.5) lub kodu (liczby np. 01,02,54).

Wśród funkcji nazywanych funkcjami maszynowymi wyróżnia się:

• funkcje przygotowawcze G, jako polecenia, które ustalają sposób pracy maszyny, jak np.: wymiarowanie przyrostowe, interpolacja kołowa, wykonywanie gwintu, cykl stały itd.,

• funkcje pomocnicze M, które sterują funkcjami dwu stanowym i maszyny, np.: włącz obroty wrzeciona w prawo, włącz chłodziwo, wyłącz obroty wrzeciona, wyłącz chłodziwo itd.,

• funkcje narzędzia T, które wywołują narzędzie, czyli ustawiają narzędzie w pozycji pracy,

• funkcje posuwu F, określające prędkość posuwu roboczego,

• funkcje prędkości wrzeciona S, określające prędkość ruchu obrotowego
  wrzeciona.

Oprócz słów zawierających funkcje maszynowe które, jak to opisano ustalają sposób pracy maszyny, w bloku występują współrzędne punktów poszczególnych osi, osiągane przez zespoły maszyny.

Funkcje wywołujące narzędzie związane są zawsze z korekcją narzędzia. Ponieważ program operacji technologicznej (POT) pisany jest zawsze stałym punktem narzędzia tj. punktem początku układu współrzędnych narzędzi, przeto by prowadzić narzędzie (punkt charakterystyczny narzędzia np. wierzchołek noża tokarskiego, wierzchołek wiertła. itd.) po programowanym konturze przedmiotu, należy przywołać:

• korekcje narzędzia jako przemieszczenia korygujące w określonej osi maszyny i w kierunku określonym przez znak korekcji (rys. 2.73a),

• korekcje długości narzędzia działającą w kierunku osi narzędzia (rys. 2. 73b),

• korekcję promienia narzędzia odnoszącą się do narzędzi obrotowych gdzie przemieszczenia korekcyjne w dwóch osiach mają tę samą wartość (np. frezy palcowe rys. 2.73c).

Rysunek 2.73. Korekcje narzędzia: a) współrzędne punktu wierzchołka; b) długości; c) promienia

Program operacji technologicznej może być zapisany adresowanymi współrzędnymi przedmiotu obrabianego i obróbka przedmiotu podobnego, różniącego się choćby jednym wymiarem, wymaga napisania kolejnego oddzielnego
programu. Taki sposób programowania można nazwać programowaniem konturowym. Jeśli zaś współrzędne punktów konturu przedmiotu zostaną zapisane w funkcji przyjętego parametru lub parametrów, to realizacja obróbki rodziny części konstrukcyjnie i technologicznie podobnych wiąże się z wczytaniem nowych danych wejściowych. Taki sposób zapisu programu można nazwać programowaniem parametrycznym. Programowanie parametryczne wiąże się z parametrycznym zapisem procesu modelowania realizowanego w środowiskach systemów CAD.

W ślad za wymiarowaniem absolutnym (bezwzględnym), słowa zawierające takie wymiary oznaczają programowanie bezwzględne. Słowa zawierające informacje o wymiarach przyrostowych oznaczają programowanie przyrostowe. Programowanie bezwzględne i przyrostowe może być stosowane na przemian w programie operacji technologicznej bez żadnych ograniczeń. Program operacji technologicznej może być opracowany ręcznie. Czynność ta określana jest jako programowanie ręczne. Jeśli do opracowania programu używamy komputera jako narzędzia do zapisu (np. w trybie edycji) poleceń języka, by później dokonać również na komputerze symulacji obróbki, to taki sposób programowania jest również programowaniem ręcznym. Programowanie komputerowe wiąże się z komputerowym przetwarzaniem źródłowego programu operacji technologicznej na program operacji technologicznej. Programowanie komputerowe jest podstawową czynnością programów komputerowego wspomagania wytwarzania (CAM - Computer Aided Manufacturing), np. EdgeCAM, ESPRIT. AIphaCAM itd.. czy też odpowiednich modułów w systemach CAD/CAM (Mastercam. MicroStation itd.) albo CAD/CAM/CAE (I-deas. Unigraphics. CA TIA itd.). Po zdefiniowaniu, między innymi. rodzaju pracy maszyny. narzędzia z oprawką. dokładności wykonania, sposobu ustalenia i zamocowania, parametrów technologicznych skrawania. rodzaju i sposobu obróbki oraz wskazaniu obrabianej powierzchni. środowiska CAM generują dane (współrzędne punktów) przedstawiające tor narzędzia. Fragment pliku (system CAD/CAM/CAE I-deas) opisującego część toru narzędzia z rys. 2.74 zamieszczono dalej:

PARTNO/'Setup-1 ,

UNITS/MM

MODE/MILL

PPRINTI'OPERATION CATEGORY & TYPE: Milling Copy MilI'

PPRINTI'OPERA TION NUMBER & NAME. Operation-2.

LOADTL/O. IN. 2. LENGTH, 0.000000. OSETNO. 0

CUTTER/6.000000. 3.000000. 0.000000, 3.000000.0000000, 0.000000. 88.900000

PPRINTI'TOOL IDENTIFIER: frez kopiowy 6.

PPRINTI'POST TOOL ID. o.

PPRINTI'TOOL DESCRIPTION: .

PPRINTI'TOOL STATION NUMBER. 2.

MULTAXlOFF

ORIGIN/ 0.000000. 0.000000. 0.000000

LlNTOL/0.050000

SPINDL/2200.000. RPM. CLW

COOLNT/FLOOD

PPRINTI'Start Region I.

RAPID

GOTO/-21.339912. 42.161852,19.800007

RAPID

GOTO/-21.339912. 42.161852, -17.000000

FEDRA T/460000000. MMPM

GOTO/-21.189000. 42.161852. -17.073604

GOTO/-24.189000. 42.161852. -18.536802

GOTO/21.189000. 42.161852,20.000000

Rysunek 2.74. Trajektorie narzędzia podczas obróbki negatywu myszki komputerowej

1

9

---