Cechy konstrukcyjne nowoczesnych obrabiarek CNC.

Uchwyty przedmiotu obrabianego.

Urządzenia wymiany narzędzi

Materiały szkoleniowe.

Opracował:

mgr inż. Wojciech Kubiszyn

1. Cechy konstrukcyjne nowoczesnych obrabiarek

Obrabiarka sterowana numerycznie – jest to obrabiarka w której obróbka odbywa się

w trybie automatycznym w układzie otwartym lub zamkniętym z symbolicznym zapisem
informacji. Celem jest wykonywanie określonych zadań technologicznych.

Rysunek 1. Obrabiarka sterowana numerycznie

Konfiguracja obrabiarki CNC obejmuje wymianę informacji pomiędzy:

• układem sterowania numerycznego NC który odczytuje zapisane w formie

symbolicznej kody opisujące ruch oraz informacje technologiczne.

• programowalny sterownik logiczny PLC interfejs przetwarzający sygnał z układu nc

na język UDS

• układ dopasowująco sterujący UDS steruje układami wykonawczymi obrabiarki.
• obrabiarka

Rysunek 2. Poglądowy schemat działania obrabiarek cnc.

Sterowanie w układzie zamkniętym w układzie tym występuje sprzężenie zwrotne
pomiędzy czujnikami pomiarowymi obrabiarki a układem sterowania NC.

Inne

Sterowanie
chłodziwem

Zaciski prowadnic

Napędy
wrzeciona

Napędy suportów

Inne

Wyłączniki krańcowe

Sygnały z przetworników pomiarowych

PLC

UDS

Powoduje  to  iż  wszystkie  zakłócenia  zewnętrzne  mające  miejsce  w  czasie  obróbki  są
wychwycone  wcześniej  dzięki  czemu  system  sterowania  może  wprowadzić  korekty
obróbcze.
Sterowanie  w  układzie  otwartym  nie  posiada  sprzężenia  zwrotnego  w  wyniku  czego
wszystkie    czynniki  zewnętrzne  powodujące  błędną  obróbkę  możemy    usunąć  po
wykonaniu    detalu.  Elementy  odróżniające  obrabiarkę  cnc  od  konwencjonalnej
przedstawia rysunek

Rysunek 3. Różnice pomiędzy obrabiarką CNC a konwencjonalną

Obrabiarki  sterowane  numerycznie-  układ  sterowania  numerycznego    przetwarza  sygnały
sterujące    odpowiednimi  mechanizmami  i  zespołami  maszyny,  każdy  zespól,  suport  czy
wrzeciono  są  napędzane  oddzielnymi  silnikami  z  bezstopniową  regulacją  obrotów.
Dokładność  wymiarowa  uzyskiwana  jest  przez  pomiar  położenia  narzędzia  powiązanego    z
układem  sterowania  za  pomocą  sprzężenia  zwrotnego.  Powoduje  to  iż  wszystkie
nieprawidłowości  pomiarowe  są    wychwycone  i  przekazane  do  układu  sterowania  jeszcze
przed obróbką. Powoduje to iż błędy obróbki są korygowane jeszcze przed obróbką.
Obrabiarki  konwencjonalne  -    układ  sterowania  ręczny  wszystkie  wymiary  uzyskujemy
przez  ręczne    ustawienia  pokręteł  dźwigni  obrabiarki.  Do  napędu  suportu  czy  wrzeciona
stosowane są silniki z zapewniające stała prędkość obrotową  zaś jej zmianie uzyskujemy  za
pomocą odpowiednich przełożeń w skrzynkach przekładniowych.

Zalety obrabiarek sterowanych numerycznie:.

•  Bezstopniowa regulacja prędkości obrotowej i posuwów,
•  Osiąganie znacznych  parametrów obróbki,
•  Obróbka z wykorzystaniem wielu wrzecion i suportów narzędziowych,
•  Złożona kinematyka: uchylne głowice narzędziowe, stoły obrotowo uchylne,

obróbka pięcioosiowa,

•  Magazyny narzędziowe z automatyczną wymianą narzędzia,
•  Automatyczny pomiar przedmiotu  obrabianego,
•  Automatyczna wymiana narzędzia itp.

1.1 Zasada sterowania numerycznego

Najprostszy sposób sterowani numerycznego w dwóch osiach przedstawia

rysunek 4. Program sterujący  rozkodowywany jest w układzie cnc i przesyłany  za pomocą
odpowiednich  impulsów  do  interpolatora  który  przekształca  te  impulsy    na  określone
przyrosty współrzędnych w osiach z i x. Położenie suportów mierzone jest  w danej chwili za
pomocą  układów  pomiarowych.  W  przypadku  wystąpienia  różnicy  pomiędzy  położeniem
zadanym  przez  interpolator  a  położeniem    odczytanym  z  urządzeń  pomiarowych  silnik
odpowiedzialny za  położenie  w danej osi  zaczyna się obracać i przesuwa za pośrednictwem
przekładni  śrubowej  odpowiedni  suport    do  uzyskania  odpowiedniej  wartości  położenia.  W
przypadku  osiągnięcia  położenia  zadanego    następuje  zatrzymanie    posuwu.  Układy
napędowe  stosowane  w    cnc  pracują  w  układzie  automatycznej  regulacji  zwane  serwo
mechanizmami  lub  serwonapędami.  Zasada  działania  takich  urządzeń  polega  na  tym  ze
potrzebują  do  wykonania  ruchu  niezerowej  różnicy  pomiędzy  chwilowym  położeniem
zadanym a rzeczywistym  Powoduje to ze stół lub suport obrabiarki opóźniają się względem
punktu  określającego  ich  zadane  położenie.  Wielkość  tego  opóźnienia  nosi  nazwę    uchybu
nadążania.  Ważne  jest  aby  uchyb  nie  przekraczał  wartości  dopuszczalnych  czyli  tolerancji
wymiarowej oraz był jednakowy we wszystkich osiach.

Rysunek 4 Zasadza działania układu numerycznego.

Obróbka przedmiotów wymaga stosowania regulowanych osi posuwowych

napędzanych  niezależnie  przez  silniki  serwopędne.  Obecne  obrabiarki  sterowane
numeryczne  posiadają  od  dwóch,    trzech    i  więcej  osi  ruchów    posuwowych.  Dzięki
którym można wykonywać różne skomplikowane kształty.
Podstawowe ruchy osi przedstawiają rysunki:

Rysunek 5. Ruchy osi obrabiarek CNC

Poza ruchami wzdłuż osi X Y Z stosowane są ruchy obrotowe wokół tych osi realizowane
przez wrzeciennik suport czy stół  oznaczamy jest literami  A,B,C.
Podczas obróbki   sanie narzędziowe i stół  z przedmiotem obrabianym przemieszczają się
w założonych kierunkach. Urządzeniom tym stawia się wysokie wymagania  zmierzające
do  uzyskania  dużej  dokładności  i  powtarzalności  w  krótkim  czasie  obróbki.    W  celu
spełnienia  postawionych  kryteriów    napęd  obrabiarki  musi  składać  się  z  następujących
elementów:

•  Silnik, sprzęgło przeciążeniowe , układ sterowania elektronicznego,
•  Przekładnia śrubowo – toczna,
•  Czujnik pomiarowy ( pomiar przemieszczenia),
•  Wzmacniacz mocy.

W celu właściwej i funkcjonalnej pracy obrabiarek sterowanych numerycznie napędy ruchu
posuwowego muszą być połączone z układem pomiarowym.

Każda  oś  musi  posiadać  swoje  urządzenie  pomiarowe    (układ  pomiaru  przemieszczenia)  z
automatyczną  oceną    sygnału  pomiarowego.  Dokładność  pomiarowa  wynosi  od  0,001
wymiary  długościowe  w  tokarkach,  wymiary  średnicy  0,0005  zaś  w  przypadku  szlifierek
precyzyjnych  dokładność  pomiarów  wynosi  nawet  0,0001.  Pomiar  dokonywany  jest  na
podstawie  przesuwu  śruby  tocznej    przesuwającej  sanie    narzędziowe  lub  sanie  stołu
przedmiotu obrabianego.

1.2 Pomiary położenia w osiach sterowanych numerycznie

Obrabiarki sterowane numerycznie posiadają własne narzędzia „pomiarowe” mówiąc

pomiarowe mamy na myśli odczytujące położenia narzędzia w danym momencie w celu
ustawienia go do wykonywania obróbki zgodnej z napisanym programem obróbkowym.
Możemy wyróżnić pomiary pozycji bezpośrednie i pośrednie, absolutne czyli całościowe oraz
inkrementalne czyli przyrostowe.

Pomiar bezpośredni- czujnik pomiarowy mierzy bezpośrednio na umieszczonej np. na stole
obrabiarki skali położenie stołu. Czujnik zamienia odczytane wartości w odpowiedni sygnał
i przekazuje do układu sterowania ( rys.6).

Rysunek 6 Schemat pomiaru bezpośredniego

Pomiar  pośredni  -    czujnik  pomiarowy  mierzy  wielkość  związaną  z  położeniem  danego
elementu na podstawie której wielkość pożądana jest obliczana przez układ pomiarowy.
Na rysunku  7  przedstawiono pomiar położenia suportu liniowego. Pomiar położenia odbywa
się za pomocą znajomości położenia kątowego śruby i skoku gwintu śruby. Dane te służą do
obliczania przez przetwornik pomiarowy położenia stołu z materiałem do obróbki.
Absolutne  układy  pomiaru  położenia  –  położenie  suportu  narzędziowego  lub  stołu
obrabiarki jest  odczytywane na podstawie stałego ptk zerowego obrabiarki która zaopatrzona
jest w skale odpowiednio zakodowaną (rys. 8 a)

Rysunek 7 Schemat pomiaru pośredniego

Inkrementalne ( przyrostowe) układy pomiaru położenia przy pomiarze stosuje się skale
kreskową zawierającą jasne i ciemne pola podczas ruchu czujnik odczytuje liczbę jasnych i
ciemnych pół wyliczając położenie san z różnicy poprzedniej pozycji (rys 8 b).

Rysunek 8. Pomiar absolutny a), pomiar przyrostowy b)

2. Uchwyty przedmiotu obrabianego .

Uchwyty przedmiotu obrabianego służą do sztywnego i stabilnego zamocowania

przedmiotu we wrzecionie obrabiarki w przypadku toczenia oraz na stole frezarki podczas
frezowania. Istnieje dużą liczba uchwytów zapewniająca pewność zamocowania
( pozbawienie luzów, przeciwstawianie się siłom obróbki).
Do uniwersalnych uchwytów tokarskich zaliczamy:

• Uchwyty szczękowe z zamocowaniem ręcznym,- obr. konwencjonalne.

•  Uchwyty szczękowe z zamocowaniem mechanicznym,- obr. cnc,
•  Trzpienie tokarskie,
•  Uchwyty z tulejami zaciskowymi,
•  Uchwyty obrotowe elektromagnetyczne i magnetyczne,
•  Uchwyty obrotowe do zamocowania za pomocą próżni.

Rysunek 9. Uchwyty tokarskie.

Uchwyty szczękowe z zamocowaniem mechanicznym
Z  tyłu  wrzeciennika  umieszczony  jest  siłownik  hydrauliczny  lub  pneumatyczny  który
przenosi napęd na szczeki. Ruch siłownika powoduje przesuniecie szczęki.

Trzpienie tokarskie stosowane do obróbki  zewnętrznych powierzchni walcowych
dzielą  się na:

•  Trzpienie tokarskie stałe
•  Trzpienie tokarskie rozprężne
•  Trzpienie z tuleją rozprężną,
•  Trzpienie ze sprężynami krążkowymi,
•   Trzpienie z tuleją cienkościenna
•   Trzpienie z wkładkami płytkowymi.

Uchwyty z tulejami zaciskowymi  służą a do mocowani prętów lub wałków krótkich.
Uchwyty  obrotowe    elektromagnetyczne  i  magnetyczne    wykorzystywane  są  do  obróbki
powierzchni czołowych, zaś uchwyty  do mocowania za pomocą próżni stosowane do obróbki
materiałów nie magnetycznych.

Przy frezowaniu najważniejszą funkcją uchwytów jest właściwe ustalenie przedmiotu

obrabianego dlatego przedmiot powinien być tak umocowany aby w każdej chwil można było
w sposób łatwy, szybki, właściwy i dokładny ustawić przedmiot zachowując jego powtarzalną
wymianę.  Najczęściej  do  prostych  prac  frezarskich  wykorzystujemy  uchwyty  o
hydraulicznym  ścisku  szczęk.  Przy  obróbce  wielu  powierzchni  powinno  się  dążyć  aby
zminimalizować  ilość  zamocowań  przedmiotu  obrabianego.  W  przypadku  bardzo
skomplikowanych  przedmiotów  wytwarza  się  uchwyty  lub  zestawia  z  gotowych  zestawów
takie uchwyty które  doprowadzą do jak najmniejszej liczby przemocowań detalu.
Do podstawowych uchwytów frezarskich zaliczamy:

Uniwersalne uchwyt frezarskie

•  Imadła maszynowe – stałe maszynowe, uchylne w trzech osiach, do wałków.
•  Uchwyty magnetyczne
•  Uchwyty z zamocowaniem za pomocą podciśnienia.
•  Stoły podziałowe i obrotowe - podstawową ich cechą jest ciągły lub indeksowy ruch

obrotowy uzyskiwany za pomocą napędu mechanicznego

Rysunek 10 Imadła maszynowe.

Uchwyty magnetyczne przedstawia rysunek 11.

Rysunek 11. Uchwyty magnetyczne

Uchwyty specjalne – stosowane do obróbki seryjnej lub wielkoseryjnej, wykonywane do
obróbki  konkretnego przedmiotu.
Uchwyty składane wykonywane są z kilku elementów  takich jak podstawy, elementy
ustalające, zamocowujące, złączne czy podzespoły. Poszczególne elementy służą do  ustalenia
przedmiotu obrabianego, zamocowania lub prowadzenia narzędzia.
Stoły obrotowe i urządzenia  podziałowe sterowane numerycznie umożliwiają  wykonanie
obróbki frezowania obwodowego, rowków obwodowych i obróbki powierzchni  dokonując
różnego rodzaju podziału kątowego. Dzięki tej możliwości możemy zyskać dodatkowe osie
sterowane co zwiększa  możliwości technologiczne obrabiarki.

Rysunek 12 Urządzenia podziałowe

3. Urządzenia wymiany narzędzi

Obecnie stosowane obrabiarki cnc zaopatrzone są w system wymiany narzędzi. W

zależności  od  typu  obrabiarki  w  magazynie  narzędziowym  lub  głowicy  narzędziowej  może
znajdować  się  różna  ilość  narzędzi  które  będą  przez  program  wybierane,  ustawiane  w
położenie  wyjściowe  i  robocze.  W  tokarkach  są  stosowane  głowice  rewolwerowe  w  której
wywołanie  i  przygotowanie  narzędzia  do  obróbki  odbywa  się  przez  jej  obrót.  Głowice
rewolwerowe  zawierają  od  8  do  16  miejsc  na  narzędzia.    Wygląd  standardowej  głowicy
rewolwerowej przedstawiają rysunek 13.

Rysunek 13 Głowice rewolwerowe

W większych obrabiarkach stosuje się nawet po trzy głowice rewolwerowe zaś jeśli zachodzi
potrzeba posiadania ponad 48 narzędzi stosuje się magazyny narzędziowe o pojemności do
100 i więcej narzędzi. Magazyny mają postać bębnową ,tarczowe , łańcuchowe, kasetowe
(rys.14.)

Rysunek 14. Magazyn narzędziowy stosowane w obrabiarkach cnc.- magazyn bębnowy

W  obrabiarkach  posiadających  magazyny  wymiana  narzędzi  odbywa  się  za  pomocą
chwytaków  czyli  urządzeń  do  automatycznej  wymiany  narzędzi.  Na    rysunku  15
przedstawiono podstawowy chwytak  służący do wymiany narzędzia czas tej czynności waha
się od  6-15s.

Rysunek 15 Urządzenie do automatycznej wymiany narzędzia

Dzięki dużej ilości narzędzi które może pomieścić głowica rewolwerowa lub magazyn
narzędziowy można wykonywać wiele pozycji bez wymiany narzędzi. Powoduje to skrócenia
czasów przezbrajania obrabiarki do produkcji innych pozycji.

Literatura:

1. „OBSŁUGA I PROGRAMOWANIE OBRABIAREK CNC Podręcznik operatora”

Zbigniew Habrat Wydawnictwo Kabe Krosno 2007.

2. „PODSTAWY OBRÓBKI CNC” Wydawnictwo REA s.j.

3. „PROGRAMOWANIE OBRABIAREK CNC NA PRZYKŁADZIE UKŁADU

STEROWANIA SINUMERIK 810D/840D” instrukcja obsługi.

4. System ZERO-OSN