MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2011 PETR KŘÍŽ

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Využití a rozdělení CNC obráběcích strojů Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D. Brno 2011 Vypracoval: Petr Kříž

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma VYUŽITÍ A ROZDĚLENÍ CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MENDELU v Brně. dne. podpis autora.

4 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat za odborné vedení, rady, náměty při zpracování bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D.

5 ABSTRAKT Bakalářská práce je zpracována na téma Využití a rozdělení CNC obráběcích strojů. Na úvod zahrnuje jejich charakteristiku a historii. Dále se zaměřuje na konstrukci CNC strojů, kde jsou stručně popisovány její jednotlivé části. Následně se zabývá programováním, základním rozdělením a využitím CNC strojů. V další části bakalářské práce jsou popisovány obráběcí nástroje, které se používají pro CNC stroje, převážně obráběcí nástroje s vyměnitelnými břitovými destičkami, jejich upínání, povlakování a opotřebení. Závěr je věnován ekonomické stránce provozu CNC obráběcích strojů. Klíčová slova: CNC obráběcí stroje Číslicový řídící systém CNC program CAD/CAM systém Simulace obrábění Vyměnitelné břitové destičky ABSTRACT The submitted bachelor thesis considers usage and dividing of CNC machine tools. Their description and history are mentioned at the beginning. The next part contains design of CNC machines with its detailed description, their programming, dividing and usage. Then the description of machine tools, especially of tools with indexable carbide inserts, their clamping, coating and wear follow. Running of CNC machine tools from the economical viewpoint is presented at the end. Key words: CNC machine tools Computer numerical control CNC program CAD/CAM system Simulation of machining Indexable carbide inserts

6 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE CHARAKTERISTIKA CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ HISTORIE A VÝVOJOVÉ STUPNĚ CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ KONSTRUKCE CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ Rámy a pohony CNC strojů Vřetena CNC strojů Automatická výměna nástrojů Adaptivní řízení, aktivní kontrola CNC strojů Odměřovací zařízení Číslicové řídící systémy NC řídící systém CNC řídící systém DRUHY ŘÍZENÍ ČÍSLICOVÝCH SYSTÉMŮ A PROVOZNÍ REŽIMY CNC STROJŮ Podle řízení dráhy nástroje vůči obrobku Systémy s přetržitým řízením Systémy se souvislým řízením Podle způsobu programování polohy nástroje vůči obrobku Podle použitého souřadnicového systému Provozní režimy CNC obráběcích strojů PROGRAMOVÁNÍ CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ Stavba CNC programu Souřadné systémy CNC strojů Vztažné body pro CNC stroje Nastavení nulového bodu obrobku Korekce nástroje Simulace obrábění CAD/CAM systém ROZDĚLENÍ A VYUŽITÍ CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ OBRÁBĚCÍ NÁSTROJ Definice obráběcího nástroje

7 9.2 Obráběcí nástroje pro CNC stroje Vyměnitelné břitové destičky Upínání břitových destiček do nástrojových držáků Povlakování břitových destiček Opotřebení obráběcích nástrojů Druhy opotřebení a vliv na přesnost výroby EKONOMICKÁ STRÁNKA PROVOZU CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA SEZNAM OBRÁZKŮ

8 1 ÚVOD Technologie obrábění patří mezi nejrozšířenější způsoby zpracování kovových a nekovových materiálů. Velkou skupinou strojů pro zpracování těchto materiálů jsou stroje obráběcí. Důvodem jejich vzniku bylo to, aby se při výrobě jednoduchých i složitých výrobků usnadnila práce, dosáhlo se požadovaného tvaru, přesnosti a jakosti povrchu v nejlepší kvalitě za co nejkratší čas, a to při minimálních nákladech. Vývoj obráběcích strojů od jeho počátku až po současnost dosáhl výrazných změn, kdy se nejprve objevily ruční nástroje na opracování materiálů, poté konvenční obráběcí stroje (soustruhy, frézky, vrtačky aj.) a v dnešní době nejmodernější číslicově řízené obráběcí stroje (CNC). V bakalářské práci se věnuji CNC obráběcím strojům, které s ohledem na zvyšující se náročnost technologie obrábění a složitost výrobků postupně nahrazují konvenční obráběcí stroje, umožňují strojírenským podnikům uspokojit náročné požadavky zákazníků a uspět na trhu mezi podniky konkurenčními. Na obráběcí nástroje používané pro CNC stroje, a to při plném využití vlastností CNC strojů při obrábění, jsou kladeny vysoké požadavky. Mezi tyto požadavky patří např. řezné materiály nástrojů, větší odolnost proti opotřebení, možnost obrábění při vyšších posuvových rychlostech aj. Řezné materiály se s vývojem technologie obrábění zdokonalovaly. Nejprve byly používány nástrojové oceli, následovaly rychlořezné oceli a v poslední řadě materiály pro výrobu vyměnitelných břitových destiček (např. slinuté karbidy a super tvrdé materiály). V práci se zaměřuji na nástroje s vyměnitelnými břitovými destičkami, které jsou v současnosti v technologii obrábění nejpoužívanější. 2 CÍL PRÁCE Bakalářská práce má za cíl blíže seznámit číslicově řízené obráběcí stroje (CNC), vysvětlit pojem CNC obráběcí stroj a popsat technologii CNC. V technologii je pak věnována pozornost programování, řízení a nastavení CNC strojů. Ty jsou jejich důležitými prvky, mezi něž patří i simulace obrábění. Dále si práce klade za cíl popsat obráběcí nástroje používané pro CNC stroje, které zahrnují vyměnitelné břitové destičky, věnuje pozornost vlivu opotřebení nástroje na přesnost výroby a také se zaměřuje na ekonomickou stránku provozu CNC strojů. 7

9 3 CHARAKTERISTIKA CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ Číslicově řízený obráběcí stroj je obráběcí stroj u kterého je průběh pracovního procesu řízen číslicově vyjádřenými informacemi o dráze, směru a smyslu pohybu pracovních prvků, řezných podmínkách a pomocných funkcích. Tyto informace jsou zaznamenány ve formě čísel a písmen, zakódovány a postupně předávány řídícímu systému stroje nosičem informací (NC obráběcí stroje) nebo prostřednictvím počítače (CNC obráběcí stroje). NC (Numerical Control) obráběcí stroje používají děrné štítky a pásky, magnetické pásky, CNC (Computer Numerical Control) obráběcí stroje používají harddisky, přenos po pevné datové lince, diskety. Číslicově řízený obráběcí stroj je konstrukčně upravený obráběcí stroj doplněný o číslicový řídící systém, který umí: a) řídit dráhu nástroje vůči obrobku (tzv. geometrie obrábění) b) nastavit technologické podmínky obrábění - (otáčky, rychlost posuvu, hloubku řezu, druh nástroje, chlazení, start-stop vřetena atd.) (Řezníček L., Knap Z., 2001) Jednoprofesní CNC obráběcí stroj je charakteristický tím, že pro technologii třískového obrábění využívá převážně jeden druh operace. Obráběcí centra jsou číslicově řízené stroje, která umožňují provádět různé druhy operací, pracují v automatickém cyklu, jsou vybaveny automatickou výměnou nástrojů a obrobků, můžou pracovat v bezobslužném provozu a jsou vybaveny prvky diagnostiky a měření. Víceúčelové obráběcí centra jsou CNC obráběcí stroje splňující definici jednoprofesního obráběcího stroje a obráběcího centra vybaveného možností obrábět kromě deskových a skříňových i rotační součásti (vestavěný soustružnický stůl s C osou) a dále vyměňovat skupinu nástrojů tzv. operační hlavu s pevnými nebo přestavitelnými vřeteny, přičemž operační hlavou musí být zaručeno obrábění. (Marek J.,2006) 4 HISTORIE A VÝVOJOVÉ STUPNĚ CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ V první polovině 20. století došlo v oblasti technologie obrábění k prudkému rozvoji sériové, velkosériové a hromadné výroby. V letech se vlivem vysokých požadavků leteckého a kosmického průmyslu na spolehlivost a přesnost 8

10 obráběných součástí změnily požadavky na vývoj a konstrukci obráběcích strojů. Poprvé byly nasazeny obráběcí stroje, u kterých se posloupnost pracovních operací řídila číslicově zadanými informacemi. Ukázalo se, že číslicový řídící systém, a v pozdější době počítač, je schopen dodávat informace potřebné k realizaci výrobního procesu rychleji než pomalu a s chybami reagující lidský činitel. (Řezníček L., Knap Z., 2001) Vývoj CNC strojů je podřízen vývoji znalostí v oblasti fyziky, mechaniky, matematiky, výpočetní techniky, materiálů použitých konstrukčních skupin, materiálů nástrojů, atd. (Koňař V., 2007) 1. vývojový stupeň Mechanická část stroje je totožná s konvenčním obráběcím strojem, je pouze doplněna o řídící systém. Značná nespolehlivost - historická záležitost. 2. vývojový stupeň Mechanická část stroje je upravena pro potřeby řídícího systému. Řídící systémy jsou osazeny germaniovými a křemíkovými tranzistory, začínají se uplatňovat integrované obvody. 3. vývojový stupeň Je zdokonalena mechanická část obráběcího stroje, možnost přímého řízení mikropočítačem (označení CNC, od 70. let minulého století), možnost napojení stroje do systému mezioperační dopravy obrobků a nástrojů. V řídících systémech se plně uplatňují integrované obvody a začínají se objevovat mikroprocesory. Vnější znaky: obrazovka, klávesnice, programová paměť, simulace procesu obrábění. 4. vývojový stupeň Doposud nejdokonalejší typ obráběcích strojů s prvky adaptivního řízení řezného procesu včetně aktivní rozměrové kontroly. V rámci tohoto vývojového stupně lze uvést CNC obráběcí centra - víceprofesní obráběcí stroje, u kterých je možné při jednom upnutí obrobku provádět např. frézování, vrtání, vyvrtávání, vyhrubování, vystružování, závitování. Použití lineárních motorů pro posun v souřadných osách (zrychlení až 2g) zkracuje pracovní čas (vývojový trend na počátku 21. století). Vývojové trendy CNC obráběcích strojů a jejich řídících systémů (ŘS) na počátku 21. století jsou výrazně poznamenány širokým použitím prvků průmyslové automatizace a razantním vstupem informačních technologií. (Řezníček L., Knap Z. 2001) 9

11 Obr. 1. Vývojové stupně CNC obráběcích strojů (Koňař V., 2007) 5 KONSTRUKCE CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ Konstrukce CNC strojů se vyznačuje vysokou tuhostí a přesností provedení, navrženými tak, aby docházelo k minimálnímu oteplování jednotlivých uzlů stroje (tzv. stabilizace teploty). Z důvodů hospodárného řezného režimu se užívají pohony s velkým regulačním rozsahem (servopohony), a to pro pohon vřeten, tak i pro pohon posuvů. K dalšímu zhospodárnění a ke zvýšení výrobnosti se může používat tzv. adaptivní řízení obráběcího procesu (automatická volba optimálních řezných podmínek). Vysoké odolnosti vůči opotřebení se dosáhne užitím valivých prvků ve vedení případně hydrostatickým vedením. Charakteristickým znakem CNC strojů je zásobník nástrojů, který slouží pro výměnu nástrojů v automatickém cyklu podle sledu operací. Zásobník je umístěn buď přímo na stroji, nebo mimo něj. K zajištění možnosti obrobení z více stran při jednom upnutí bývají u CNC strojů užívány otočné a naklápěcí stoly. Pro zkrácení vedlejšího času mají CNC stroje systémy automatické výměny obrobků. Stroj je uzpůsoben pro automatický odvod třísek. (Marek J., 2006) Konstrukční uspořádání jednotlivých strojů různých výrobců je velmi variabilní, ale vždy je kompletně zakrytý pracovní prostor (především z důvodu bezpečnosti obsluhy se musí při otevření dveří pracovního prostoru okamžitě zastavit pohyby suportů a vřeten). Obvyklé je, že u soustruhů je lože vykloněno od horizontální roviny a nástroj obrábí za osou vřetena. U svislých frézek stůl koná posuvy ve dvou směrech (X;Y) a vřeteník koná přísuv (Z). (Koňař V., 2007) 10

12 Obr. 2. Základní stavební části CNC obráběcího stroje (Marek J., 2006) 5.1 Rámy a pohony CNC strojů Lože i stojany, popřípadě příčník, sloupy a konzoly jsou základní části rámu obráběcího stroje. Na jejich tuhosti, odolnosti proti opotřebení vodicích ploch, dynamické stabilitě a stálosti tvaru závisí přesnost obrábění. Pro konstrukci rámu obráběcího stroje lze využít různé materiály, nejčastěji šedou litinu, ocel i ocelolitinu, ale v poslední době ve stále větší míře i různé neželezné materiály. (Marek J., 2006) Hlavní pohony : - el. asynchronní motory s frekvenčními měniči - el. stejnosměrné motory (tyristorová regulace otáček) (Řezníček L., Knap Z., 2001) CNC řízení klade vysoké požadavky na pohon posuvů, které mají zajistit: - maximální rychlost pohybu při přejezdech - programovanou rychlost pohybu při pracovních posuvech - přesné nastavení vzájemné polohy nástroje a obrobku (Koňař V., 2007) Pohony lineárních os - elektrické střídavé servopohony - kuličkovými šrouby - lineárními motory (MM průmyslové spektrum) 5.2 Vřetena CNC strojů U CNC soustruhu je vřeteník pevně spojen s ložem, u obráběcích center bývá upevněn na vedení sloupu stroje. Vřeteno s upínacím zařízením a převodový 11

13 mechanismus jsou součástí vřeteníku. To může být ovládáno mechanicky, hydraulicky s možností nastavení upínací síly (tlaku) nebo elektromagneticky. (Koňař V., 2007) Vřeteno je u CNC obráběcích strojů ukládáno z velké části do valivých ložisek. (Marek J., 2006) U frézek a obráběcích center se do vřetena upínají nástroje, u soustruhů se do vřeteníku upínají kleštinový upínač, univerzální sklíčidlo, lícní deska pro upínání obrobků. (Koňař V., 2007) 5.3 Automatická výměna nástrojů Skupina uzlů pro manipulaci, polohování a upnutí nástrojových jednotek v pracovním prostoru obráběcího centra plní úkol automatické výměny nástrojů. Na konstrukční provedení jednotlivých uzlů a prvků pro automatickou výměnu nástrojů jsou kladeny tyto požadavky: - minimální čas cyklu výměny nástroje - vysoká funkční spolehlivost s ohledem na četnost výměny a vysokou cenu stroje - optimální kapacita zásobníku pro danou oblast využití - prostorové úsporné využití (Marek J., 2006) Automatická výměna nástrojů ze zásobníků jsou různé konstrukce: a) systémy s nosnými zásobníky : (přenášejí řezné síly) - revolverové nástrojové hlavy (osa otáčení může být různě orientována např. svisle, vodorovně, příčně, šikmo atd.) (Řezníček L., Knap Z., 2001) 12

14 Obr. 3. Systémy s nosnými zásobníky a příklady nástrojových hlav (Řezníček L., Knap Z., 2001) - výměna vřeten s upnutými nástroji (popřípadě obrobky, nejčastěji vřetena umístěna v otočném bubnu např. vícevřetenové CNC soustruhy) b) systémy se skladovacími zásobníky : (nepřenášejí žádné řezné síly) - zásobník může být řešen jako kotoučový (kapacita do cca 30 nástrojů), bubnový (kapacita do cca 40 nástrojů) nebo řetězový (kapacita do cca 150 nástrojů) - součástí těchto systémů je manipulátor pro výměnu nástrojů ze zásobníku do vřetena a naopak (čas na výměnu je obvykle 3-8 vteřin) - provádí se kódování nástrojů nebo nástrojových držáků (Řezníček L., Knap Z., 2001) Obr. 4. Nástrojový manipulátor a skladovací zásobník (Koňař V., 2007, Marek J., 2006) 5.4 Adaptivní řízení, aktivní kontrola CNC strojů Pro dosažení bezobslužnosti výrobního zařízení jsou vyvinuty a nasazeny specializované automatizační prostředky, které nahradí činnost lidské obsluhy, např. 13

15 při kontrole přesnosti výroby, dozoru nad správnou funkci stroje, nad stavem nástrojů (opotřebení, lomy) a i při identifikaci příčin poruch výrobního zařízení a ochraně před jeho poškozením v důsledku vzniklých poruch. Adaptivní řízení (AC) slouží ke zvýšení produktivity obrábění úsporami v hlavních řezných časech. Princip spočívá v regulaci řezných podmínek, zejména posuvu v závislosti na okamžitých podmínkách obrábění (např. zatížení nástrojů). Usnadňuje i přípravu programů, neboť nemusí programátor programovat optimální řezné podmínky. Zatížení nástrojů je většinou odvozováno z měření výkonu hlavního pohonu (vřetena) stroje. Blok adaptivního řízení je realizován v rámci hardwaru a softwaru CNC systémů. (Marek J., 2006) Aktivní kontrola (AK) používají se sledovací měřidla (u modernějších strojů tzv. bezdotyková), která v průběhu pracovní operace zjišťují skutečný rozměr. Tento údaj se pak porovnává s programovaným rozměrem. Dojde-li k rozdílu (např. otupením špičky soustružnického nože nebo vydrolováním zrn brusného kotouče) je regulován přísuv tak, aby vyráběný rozměr byl opět v dovolené toleranci. (Řezníček L., Knap Z., 2001) 5.5 Odměřovací zařízení Z hlediska získání informace o poloze lze odměřovací zařízení rozdělit na: - přímé snímač odměřuje polohu přímo, při lineárním odměřování roste cena snímače s jeho délkou, teplotní dilatace ovlivňuje přesnost měření, obtížné krytování, ale obvykle vyšší přesnost měření proti nepřímému odměřování, používá se u přesnějších strojů (souřadnicové vrtačky a vyvrtávačky) - nepřímé ujetá dráha se neměří přímo, poloha je počítána ze změřeného úhlu natočení a stoupání šroubu, měření negativně ovlivňují chyby stoupání šroubu, ale snímače jsou levnější, jednodušší krytování (obvykle je snímač integrován přímo do pohonu), použití u většiny CNC strojů (Keller P., 2005) Obr. 5. Přímé a nepřímé odměřování (Řezníček L., Knap Z., 2001) 14

16 5.6 Číslicové řídící systémy Číslicové řídicí systémy jsou zařízení určená k automatickému řízení procesu obrábění, u kterých se jednotlivé informace vyskytují v číslicové formě. (Řezníček L., Knap Z., 2001) Číslicové řídicí systémy se rozdělují na NC řídící systém a CNC řídící systém. (Koňař V., 2007) NC řídící systém NC stroj je řízen vlastním řídícím systémem uloženým ve zvláštní skříni umístěné vedle obráběcího stroje. Řídící systém obsahuje snímač programu (čtečku) a dále je vybaven logickými obvody, které převádí údaje z programů na impulsy potřebné pro řízení jednotlivých částí stroje případně nástrojů. ( Obr. 6. Schéma NC řídícího systému (Koňař V., 2007) CNC řídící systém Systém načítá do paměti celý program z disket, jiných médií na uchování informací, nebo pomocí LAN sítě, buď kabelové, nebo bezdrátové. Na rozdíl od NC systémů je interpolátor nikoli hardware, ale software záležitostí. Ke generování dráhy je možné použít přímého matematického popisu tvaru dráhy. Lze generovat paraboly i křivky vyšších řádů (spline), řídicí systémy s vyšším výpočetním výkonem realizují 15

17 i kruhovou interpolaci v prostoru, prakticky se ale vystačí s lineární a kruhovou interpolací. (Koňař V., 2007) Obr. 7. Blokové schéma CNC řídícího systému MC řízení pohybu, PLC programovatelný logický automat, µi - mikrointerpolátor (Keller P., 2005) Hlavním spojovacím článkem mezi CNC programem pro výrobu součásti a CNC obráběcím strojem je řídicí jednotka. Programátor vytvoří CNC program s pomocí počítače a prostřednictvím nosiče informací přenese CNC program do stroje (může být použit přímo počítač stroje - ovládací panel stroje). Řídicí jednotka následně postupně převádí příkazy CNC programu (jednotlivé věty a slova) do skutečných pohybů stroje. (Technický týdeník) Řídící jednotka zpracovává signály snímačů poloh suportů ve všech řízených osách, porovnává skutečné polohy s řídícími daty z programu a vysílá signály pro řízení hlavního motoru vřetena a signály pro řízení krokových motorů pohonů kuličkových šroubů suportů. (Dillinger J. a kol., 2007) Obr. 8. Řídící jednotka (MM průmyslové spektrum) 16

18 6 DRUHY ŘÍZENÍ ČÍSLICOVÝCH SYSTÉMŮ A PROVOZNÍ REŽIMY CNC STROJŮ 6.1 Podle řízení dráhy nástroje vůči obrobku Systémy s přetržitým řízením 1) Systémy stavění souřadnic chybí interpolace, nástroj se pohybuje rychloposuvem na programovaný bod (do daného bodu se pohybuje v rovině např. nejdříve dojede do koncové polohy jedna osa a potom dojde k pohybu v druhé ose, nebo jedou z počátku obě osy současně pod 45 ), po najetí polohy se provede obrobení v další ose, vhodné pro vrtačky 2) Pravoúhlá řízení přestavování nástroje je prováděno se souřadnými osami, po skončení pohybu v jedné souřadnici, může nastat obrábění v druhé souřadnici, umožňuje soustružit válcové plochy a frézovat pravoúhlé obrobky, použití u vrtaček, soustruhů (Koňař V., 2007) 1) 2) Obr. 9. Systémy s přetržitým řízením 1. Systémy stavění souřadnic, 2. Pravoúhlá řízení ( Systémy se souvislým řízením Systémy umožňují výpočet korekcí a geometrie. U soustruhu se nástroj pohybuje v rovině X Z ( 2D tzn. ve dvou současně pracujících osách ), u frézky je možné provádět lineární interpolace buď v jedné rovině - X-Y, X Z, Y Z (2,5D) nebo při použití výkonného mikroprocesoru lze vyrábět libovolné obrysy a prostorové plochy 3D. Kromě pohybů v osách jsou možné další pohyby např. rotace kolem os potom se jedná o 4D a 5D řízení. (Koňař V., 2007) 17

19 1) 2) 3) 4) Obr. 10. Systémy se souvislým řízením 1. 2D řízení, 2. 2,5D řízení, 3. 3D řízení, 4. 5D řízení (Koňař V., 2007) 6.2 Podle způsobu programování polohy nástroje vůči obrobku 1) Absolutní programování (G90) - všechny programované body dráhy nástroje jsou vztaženy k předem zvolenému nulovému bodu programu 2) Přírůstkové (Inkrementální) programování (G91) - souřadnice všech programovaných bodů se udávají vzhledem k předchozímu bodu, který je považován za výchozí (Koňař V., 2007) Obr. 11. Absolutní programování a přírůstkové programování (Koňař V., 2007) 18

20 6.3 Podle použitého souřadnicového systému 1) kartézský pravoúhlý souřadnicový systém - bod je určen vzdálenostmi v jednotlivých osách od vztažného bodu 2) polární souřadnicový systém - bod je určen vzdáleností (průvodičem) a úhly od vztažného bodu v jednotlivých rovinách (Řezníček L., Knap Z., 2001) 1) 2) Obr. 12. Souřadnicové systémy 1. Pravoúhlý souřadnicový systém, 2. Polární souřadnicový systém (Koňař V., 2007, Štulpa M., 2006) V současné době patří mezi renomované výrobce CNC řídících systémů firmy Heidenhain (Dr. Johannes Heidenhain GmBH, Traunreut, Germany), Siemens, Německo (např. systém Sinumerik 810T), GE Fanuc Automation S.A. (USA-Japonsko), Fagorautomation, USA- Španělsko. (Řezníček L., Knap Z., 2001) 6.4 Provozní režimy CNC obráběcích strojů Při obsluze stroje je možné se setkat s několika druhy provozních činností stroje nebo pouze jeho řídícího systému. Provozní režimy lze nastavit na řídícím panelu příslušnými tlačítky. Řídící systémy mohou pracovat v těchto režimech: a) režim MANUAL (ruční provoz) slouží k přestavění nástroje nebo měřícího zařízení do požadované polohy, k výměně nástroje, najíždění posuvem na obrobek. b) režim AUTO (automatický) obráběcí stroj po zpracování bloku čte a zpracovává další blok automaticky plynulý proces obrábění. 19

21 c) režim B-B (blok po bloku) obráběcí stroj se po zpracovaní bloku zastaví a po znovu opakovaném startu čte a zpracovává další blok. Režim B-B slouží jako jedna z možností kontroly, zda byl správně vytvořen CNC program. (Štulpa M., 2006) 7 PROGRAMOVÁNÍ CNC OBRÁBĚCÍCH STROJŮ Struktura programu pro CNC stroj je mezinárodně normalizováná (norma ISO). (Marek J., 2006) Program je soubor geometrických a technologických informací, které vyžaduje řídící systém obráběcího stroje. Program je zapsán pomocí jednotlivých bloků, přičemž každý blok má své číslo. CNC program je možno vytvářet přímo na obráběcím stroji nebo jej vygenerovat a importovat do řídícího počítače z CAD/CAM pracoviště. Na monitoru PC lze provádět grafickou simulaci obrábění pro kontrolu programu před vlastním obráběním. CNC program se může snadno upravovat a doplňovat. 7.1 Stavba CNC programu CNC program musí obsahovat: - geometrické informace udávající: - způsob pohybu nástroje pracovní posuv, rychloposuv - dráhu nástroje přímka, kruhový oblouk - technologické informace udávající: - velikost posuvu - otáčky vřetena - směr otáčení, vypnutí vřetena - výměnu nástroje (včetně korekcí nástroje) - zapnutí (vypnutí) chlazení - konec podprogramu - konec programu (Chudoba M., 2010) Skladba CNC programu je následující: - číslo instrukce N - druh pohybu G rychloposuv, kruhová interpolace souřadnice, korekce apod. - souřadnice cíle pohybu - rychlost posuvu F 20

22 - otáčky vřetena S - nástroj T číslo nástroje - doplňková funkce M výměna nástroje, přívod chladící kapaliny (Marek J., 2006) Příklad zápisu bloku: N030 G01 X Z F 0.30 S 200 T 02 M 03 (Řezníček L., Knap Z., 2001) Pro zjednodušení programování vybavují výrobci řídící systémy obráběcími cykly pro často používané operace např. vrtání, kdy není nutné rozepisovat jednotlivé pohyby, ale je možné použít vrtání jako obráběcí cyklus. (Dillinger J. a kol., 2007) Cykly u CNC soustruhů mohou být např. hrubování čelní a podélné, řezání závitů, vrtání hlubokých děr, tvarové zápichy. Cykly u CNC frézek mohou být např. tvarové vybrání (kapsy), závitování, vrtání hlubokých děr, otvory na roztečné kružnici. (Štulpa M., 2006) Obráběcí cykly mají obvykle stejnou strukturu, ale konkrétní zápis se u různých řídících systémů může lišit. (Dillinger J. a kol., 2007) Příklad zápisu cyklu: G75 X Z S /D (Koňař V., 2007) Obr. 13. Podélný hrubovací cyklus (Koňař V., 2007) 7.2 Souřadné systémy CNC strojů Základem definování os je pravoúhlá souřadná soustava s osami X, Y, Z, která je orientována tak, aby souřadné osy byly rovnoběžné s vodícími plochami stroje. Kladný smysl pohybu v určité ose je ve směru narůstání obrobku. Osy U, V, W jsou rovnoběžné s osami X, Y, Z použijí se např. při pohybu vřetena a stolu ve stejném směru. A, B, C 21

23 jsou rotačními pohyby kolem os X, Y, Z.. Kladný směr probíhá ve směru hodinových ručiček při pohledu na danou osu v kladném směru. (Řezníček L., Knap Z., 2001) Poloha souřadných os některých druhů CNC obráběcích strojů: 1) 2) 3) 4) Obr. 14. Souřadné systémy CNC strojů 1. 2-osý soustruh, 2. 3-osá frézka, 3. 4-osé soustružnické centrum, 4. 5-ti osé vertikální frézovací centrum (Keller P., 2005) 7.3 Vztažné body pro CNC stroje Pro určení polohy obrobku a polohy nástroje v souřadném systému obráběcího stroje jsou definovány příslušné vztažné body na stroji a v jeho pracovním prostoru. ( Řezníček L., Knap Z., 2001) Nulový bod stroje M - je počátkem souřadného systému pracovního prostoru stroje a bývá pevně určen konstrukcí (průsečík osy hlavního vřetena a upínací roviny obrobku). Nulový bod stroje je absolutní počátek souřadnic. 22

24 Referenční bod R - je výrobcem stroje zvolené místo na stroji, obvykle v pracovním prostoru stroje maximálně vzdálený od nulového bodu stroje, které je dáno koncovými spínači v jednotlivých osách. Po najetí do referenčního bodu vzhledem k bodu M je stroj zkalibrován. Vzdálenost referenční bod - nulový bod stroje je uložena v tabulce strojních konstant. Bez najetí referenčního bodu nemůže stroj v režimu absolutního zadání souřadnic pracovat. Nulový bod nástrojového držáku F je bod na upínací (dosedací) ploše nosiče nástroje (např. konec vřetena v ose vřetena). V bodě F má nástroj nulové rozměry, proto je nutné skutečnou dráhu nástroje korigovat. K tomuto bodu se vztahují korekce nástroje. Nulový bod obrobku W - je počátkem souřadného systému obrobku. Polohu volí libovolně programátor a je možné nulový bod obrobku v průběhu programu měnit. U tvarově souměrných součástí se obvykle volí v ose souměrnosti a na horní ploše obrobku (polotovaru). Dorazový bod A - je takový bod, na který dosedá součást v upínači (např. v tříčelisťovém sklíčidle). Výchozí bod programu C - je počátečním bodem programu (výchozí pozicí nástroje). Stanovuje se tak, aby mohla být prováděna bez omezení výměna součásti nebo nástroje, případně mohla být provedena kontrola součásti. (Koňař V., 2007) 23

25 1) 2) Obr. 15. Vztažné body pro CNC stroje 1. CNC soustruh, 2. CNC frézka (Koňař V., 2007) 7.4 Nastavení nulového bodu obrobku Počátek souřadného systému daný výrobcem stroje se přesouvá do zvoleného bodu obrobku z důvodu přesného definování souřadného systému v programu souřadný systém má pak počátek pevně dán na zvoleném bodu obrobku, od kterého se odvozují všechny programované souřadnice. U soustružení se nulový bod obrobku nastavuje zpravidla na čelo polotovaru popř. obráběné součásti počátek se obvykle posouvá jen po ose Z měří se jeden rozměr. U frézování se nulový bod nastavuje na jeden z rohů polotovaru, případně do jeho středu posouvají se obvykle všechny souřadnice X, Y a Z měří se tři rozměry. (Keller P., 2005) Určení nulového bodu obrobku W: 1) naškrábnutím nástrojem není zcela přesné (ovalita, házení polotovaru, zručnost obsluhy), nevyžaduje náklady na zařízení 2) pomocí excentrického měřicího dotyku - Excentrický dotyk má dvě části upínací a dotekovou. Dotekovou rozváženou částí se najede při posuvu suportu kalibrovaným průměrem na polotovar. Excentricita se snižuje na nulu v tomto okamžiku se odečítá poloha, po malém přejetí se dotyková část znovu excentricky rozkmitá. 3) pomocí sondy 4) optickým zařízením (Koňař V., 2007) 24

26 1) 2) 3) Obr. 16. Určení nulového bodu obrobku 1. Naškrábnutím nástrojem, 2. Excentrický měřící dotyk, 3. Měřící sonda (Koňař V., 2007) 7.5 Korekce nástroje Poloha nosiče nástroje je v souřadném systému stroje vztažena k bodu F, tj. nulovému bodu nástrojového držáku. Povrch obrobku je vytvářen špičkou nástroje, bod F tedy musí opisovat ekvidistanty. Z tohoto důvodu musí být aktivovány korekce, které interpolátor automaticky zpracovává. Dalším důvodem pro použití korekcí je to, že různé nástroje mají různé rozměry. V případě, že by tato skutečnost nebyla korekcemi ošetřena, pak by různé nástroje při stejné větě programu konaly vůči obrobku různé dráhy. (Koňař V., 2007) Obr. 17. Změna tvaru součásti při obrobení různými nekorigovanými nástroji (Koňař V., 2007) Funkce korekcí umožňuje programovat bez ohledu na změnu nástroje, neboť hodnoty potřebné k bezchybnému průběhu programu, a tím celého obrábění, si řídící systém CNC obráběcího stroje dopočítává sám na základě zadaných hodnot korekcí. 25

27 Hodnoty korekcí jsou uloženy v paměti korekcí a jsou přiřazeny ke konkrétním nástrojům. ( Korekce se dělí na : - délkové - uplatňují se při soustružení a frézování. Při soustružení nesleduje požadovaný povrch teoretická špička nástroje (s nulovým poloměrem), ale skutečná špička s poloměrem určité velikosti. V důsledku neprovedení korekcí by v tomto případě docházelo ve zkoseních a zaobleních k odchylkám teoretického a skutečného tvaru. Proto je nutné do paměti korekcí zadat poloměr špičky nástroje a polohu nástroje vzhledem k obráběné ploše, aby mohl interpolátor dopočítat ekvidistantu dráhy. (Koňař V., 2007) Při seřizování fréz a vrtáků je třeba změřit jejich délku vzhledem k nulovému bodu nástrojového držáku. (Keller P., 2005) Obr. 18. Korekce soustružnického nože (Keller P., 2005) - průměrové (poloměrové) nepoužijí-li se průměrové korekce (G41, G42), systém řídí nulový bod nástrojového držáku (F) jako osu nástroje. Použitím nástrojů různých průměrů při vykonání stejného programu by byly vyráběny součásti různých rozměrů. (Koňař V., 2007) Obr. 19. Rozměry obrobku bez použití průměrových korekcí (Koňař V., 2007) 26