ABSTRAKT Tato práce pojednává o CNC, nových technologiích a materiálech a to v oblasti soustružení a frézování dále se zabývá využitím výpo etní techniky a p íslušných softwar, které zvyšují kvalitu práce, produktivitu a do jisté míry nahrazují lov ka. Po íta podstatn zjednodušil a urychlil programování, ízení stroje a uchování dat pro jejich op tovné použití. Klí ová slova: CNC, CAD/CAM systémy, HSC obráb ní, tvorba NC kódu, Simulace programu, 3D - modely ABSTRACT The thesis deals with CNC, new technologies and materials in the branch of turning works and milling operations. Furthermore, it focuses on the usage of computer technology and corresponding software, which increase quality of work and to a certain extend they substitute a human being. Computer has considerably simplified and accelerated programming, operation of machine and storage of data for their reusing. Keywords CNC, CAD/CAM systems, HSC tooling, NC - programming, simulation :
Velký dík pat í p edevším vedoucímu bakalá ské práce Ing. Ond eji Bílkovi, který m umožnil realizovat tento projekt. D kuji také Michalovi Šenke íkovi a Markovi Balšánovi za spolupráci p i tvorb praktické ásti bakalá ské práce a firm ROSTRA s.r.o. jmenovit editeli ing. Petru Mikul íkovi a vedoucímu výroby Aleši Hrubému. D kuji Miriam Šev íkové za pomoc p i p eložení abstraktu.
OBSAH ÚVOD...9 I TEORETICKÁ ÁST...10 1 ÍSLICOV ÍZENÉ VÝROBNÍ STROJE...11 1.1 CNC(COMPUTER NUMERICAL CONTROL)...11 1.2 INFORMACE PROGRAMU...11 1.2.1 Geometrické...11 1.2.2 Technologické...11 1.2.3 Pomocné...12 2 SOU ADNICOVÝ SYSTÉM STROJE...13 2.1 NULOVÉ A DALŠÍ VZTAŽNÉ BODY NA CNC STROJÍCH...14 2.1.1 M - Nulový bod stroje...14 2.1.2 W- Nulový bod obrobku...14 2.1.3 R - Referen ní bod stroje...14 2.1.4 P - Bod špi ky nástroje (soustruh)...14 2.1.5 F -Vztažný bod suportu nebo v etene (pro vložení nástroje)...14 2.1.6 E - Bod nastavení nástroje...15 3 RU NÍ TVORBA PROGRAM...16 3.1 ZP SOBY PROGRAMOVANÍ...16 3.1.1 Absolutní programování...17 3.1.1.1 Programování v absolutních sou adnicích - soustruh...17 3.1.2 P ír stkové (inkrementální) programování...19 3.1.2.1 Programování v inkrementální sou adnicích frézka...19 4 PROGRAMOVÁNÍ CNC STROJ POMOCÍ CAD/CAM SYSTEM...21 4.1 CAM SYSTÉMY P I PRÁCI V 3D MODULY...22 4.2 VYSP LÉ SYSTÉMY CAD/CAM...22 4.2.1 Frézováni projekcí...23 4.2.1.1 Rovinou...24 4.2.1.2 P ímkou...24 4.2.1.3 Bodem...24 4.2.2 Dokon ení rastrem...25 4.2.3 Zbytkové obráb ní...25 4.2.3.1 obráb ní roh...25 5 KONTROLA SPRÁVNOSTI PROGRAMU...26 5.1 SIMULACE...26 6 CNC OBRÁB CÍ STROJE...28 6.1 ROZD LENÍ PODLE OS...29 6.1.1 Jednoosé obráb ní (1 D)...29 6.1.2 Dvouosé obráb ní (2D)...29 6.1.3 T íosé obráb ní (3D)...29 6.1.4 P tiosé obráb ní (5D)...29
6.2 RÁMY...30 6.2.1 Lože...30 6.2.2 Lože u soustruh...30 6.3 POHONY...30 6.3.1 Pohony posuv...30 6.4 P ÍSLUŠENSTVÍ...31 6.4.1 Odvod t ísek...31 6.4.2 Krytování stroje...31 6.4.3 Upína e polotovar...31 6.4.4 Chlazení mazání nástroj...31 6.5 KVALIFIKACE OBSLUHY CNC STROJ...32 7 CNC STROJE, SOU ANOST A TRENDY VÝVOJE...33 II 7.1 OBRÁB CÍ CENTRA...33 7.1.1 Sou asná obráb cí centra...34 7.2 VÝROBNÍ TECHNOLOGIE HSC...35 7.2.1 ezné materiály pro HSC obráb ní...37 7.2.1.1 ezné podmínky...38 PRAKTICKÁ ÁST...39 8 P EDSTAVENÍ FRÉZKY...40 8.1 POPIS STROJE...40 8.2 OVLÁDACÍ PANEL...41 8.2.1 Monitor...42 8.2.1.1 Tla ítka na monitoru...42 8.2.2 Klávesy ovládacího panelu...43 8.3 P ÍSLUŠENSTVÍ STROJE...43 8.3.1 3D - dotykové sondy HEIDENHAIN...43 9 VÝROBA SOU ÁSTI S P ESNOU TOLERANCÍ...45 9.1 CELKOVÝ P ÍDAVEK...45 9.1.1 hrubování...45 9.1.2 polo isté obráb ní...45 9.1.3 isté obráb ní...46 9.1.4 dokon ující obráb ní...46 9.2 TECHNOLOGICKÝ POSTUP...46 9.2.1 Technologický postup...47 9.2.2 posloupnost operací v technologickém postupu...47 9.3 MATERIÁL SOU ÁSTI 19312...48 9.4 POUŽITÉ NÁSTROJE...48 10 TVORBA NC KÓDU...49
10.1 CNC PROGRAM ŠIKMÁ DRÁŽKA P ED KALÍRNOU (HRUBOVÁNO)...49 10.2 CNC PROGRAM ŠIKMÁ DRÁŽKA HOTOV PO KALÍRN...52 10.3 CNC PROGRAM DÍRY 8H7...53 11 VYHODNOCENÍ ZÍSKANÝCH DAT...54 11.1 ZÁKLADNÍ M RKY SOMET...54 11.2 KALIBR NA DÍRY Ø8H7...55 11.3 DIGITÁLNÍ VÝŠKOM R MICRO-HITE...56 ZÁV R...58 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...59 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOL A ZKRATEK...60 SEZNAM OBRÁZK...61 SEZNAM TABULEK...63 SEZNAM P ÍLOH...64
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 9 ÚVOD Vývoj v oblasti výrobních stroj ve strojírenství je v sou asnosti z velké ásti dán využitím výpo etní techniky. ízení a automatizace stroj p i použití PC a p íslušných softwar zvyšuje zásadním zp sobem jejich technickou hodnotu tím, že provádí rychle, p esn a spolehliv opakované innosti, nahrazuje lov ka, tedy zvyšuje produktivitu práce. Vývoj (po átek 70. let) nahrazují stroje NC. Tedy výraz Computer Numerical Control. íslicové ízení po íta em. ídící systémy t chto stroj jsou na rozdíl od NC stroj vybaveny voln programovatelným mikropo íta em, který provádí se zadanými daty výpo ty a ídí stroj. Vlastnosti po íta ového ídícího systému jsou dány programem, kterým se ídí innost mikropo íta e v jednotlivých režimech tedy softwarov. Obráb ní na CNC stroji tak není jiným výrobním postupem, nýbrž pouze jiným druhem programového ízení, tedy souhrou mikropo íta e a provozního softwaru ( ízení = hardware + software). Práce se zabývá naprogramováním NC kódu, experimentální výrobou sou ásti s p esnou tolerancí a sou asným stavem vývoje v oblasti moderního obráb ní kov.
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 10 I. TEORETICKÁ ÁST
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 11 1 ÍSLICOV ÍZENÉ VÝROBNÍ STROJE íslicov ízené výrobní stroje (CNC) jsou charakteristické tím, že ovládání pracovních funkcí stroje je provád no ídicím systémem pomocí vytvo eného programu. Informace o požadovaných innostech jsou zapsány v programu pomocí alfa-numerických znak. Vlastní program je dán posloupností odd lených skupin znak, které se nazývají bloky nebo v ty. Program je ur en pro ízení silových prvk stroje a zaru uje, aby prob hla požadovaná výroba sou ásti. 1.1 CNC(Computer Numerical Control) po íta em ( íslicov ) ízený (stroj) Stroje jsou,,pružné, lze je rychle p izp sobit jiné (obdobné) výrob a pracují v automatizovaném cyklu, který je zajišt n íslicovým ízením. Stroje CNC se uplat ují ve všech oblastech strojírenské výroby (obráb cí, tvá ecí, montážní, m icí) a jejich typickými p edstaviteli, které se používají pro výcvik programátor a obsluhy, jsou soustruhy a frézky. 1.2 Informace programu 1.2.1 Geometrické Popisují dráhy nástroje, které jsou dány rozm ry obráb né sou ásti, zp soby jejího obráb - ní a popisují p íjezd a odjezd nástroje k obrobku a od n ho. Jde tedy o popis drah nástroje v kartézských sou adnicích, kdy pro tvorbu programu pot ebujeme rozm ry z výrobního výkresu. V programu je uveden popis v osách X, Z u soustruhu, v osách X, Y, Z u frézky (a asto i v dalších osách dle konstrukce stroje a náro nosti výrobku), danými funkcemi, které stanoví norma ISO a také jednotliví výrobci ídicích systém. 1.2.2 Technologické Stanovují technologii obráb ní z hlediska ezných podmínek jsou to zejména otá ky nebo ezná rychlost, posuv a hloubka t ísky.
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 12 1.2.3 Pomocné Jsou to informace, povely pro stroj pro ur ité pomocné funkce (nap. zapnutí erpadla chladicí kapaliny, sm r otá ek v etene atd.). [1,2] Obr. 1. CNC stroj s vyklon ným v etenem
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 13 2 SOU ADNICOVÝ SYSTÉM STROJE Výrobní stroje používají kartézský systém sou adnic.definice je dána normou SN ISO Terminologie os a pohybu.systém je pravoto ivý, pravoúhlý s osami X,Y,Z, otá ivé pohyby, jejichž osy jsou rovnob žné s osami X,Y,Z, se ozna ují jako A,B,C-obrázek 2. Platí,že osa Z je rovnob žná s osou pracovního v etene, p i emž kladný smysl probíhá od obrobku k nástroji.hodnoty se vyskytují i v záporném poli sou adnic. Kartézský systém sou adnic je nutný pro ízení stroje, nástroj se v n m pohybuje podle zadaných p íkaz z ídicího panelu CNC stroje nebo dle p íkaz uvedených ve spušt ném CNC programu.je nutný pro m ení nástroj.podle pot eby lze sou adnicový systém posunovat a otá et. V p ípad m ení nástroj (zjiš ování korekcí) je umíst n v bod vým ny nástroj nebo na špi ce nástroj. Obr.2. Definování kartézských sou adnic - pravoto ivá soustava[2] Programátor se z kartézským sou adnicovým systémem nej ast ji setkává p i tvorb program. Po átek sou adnic kartézského systému programáto i vkládají do nejvýhodn jšího místa na obrobku, který se nazývá nulový bod obrobku. Nulový bod obrobku je výhodné umístit do takového místa, aby se co nejvíce zjednodušilo vy ítání jednotlivých geometrických bod na obrobku.konstruktér m že napomoci technologovi-programátorovi, když bude respektovat zásady technologi nosti nap. kótováním z jednoho místa, což je od (m -
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 14 icí) základny tak, aby byly kóty p ehledné. Tím uleh í práci p i programování a sníží se možnost vzniku chyb p i výpo tu sou adnic z kót na výkrese. 2.1 Nulové a další vztažné body na CNC strojích ídící systém CNC stroje po zapnutí stroje aktivuje sou adnicový systém ve vlastním stroji. Sou adnicový systém má sv j po átek - nulový bod, který musí být p esn stanoven. Podle použití mají nulové body své názvy. 2.1.1 M - Nulový bod stroje Je stanoven výrobcem. Je výchozím bodem pro všechny další sou adnicové systémy a vztažné body na stroji. U soustruh je nulový bod stroje M umíst n v ose rotace obrobku v míst ela v etene. U frézky, v míst krajní polohy stolu frézky v obou osách - obvykle z pohledu obsluhy je to vlevo, vp edu. 2.1.2 W- Nulový bod obrobku Nastaví ho programátor pomocí dané funkce G v pot ebném míst obrobku. 2.1.3 R - Referen ní bod stroje Je stanoven výrobcem a realizován koncovými spína i. Vzdálenosti nulového bodu stroje M a referen ního bodu stroje R jsou výrobcem p esn odm eny v sou adnicové soustav stroje a vloženy do pam ti os, jako strojní konstanty. 2.1.4 P - Bod špi ky nástroje (soustruh) Je nutný pro stanovení délkové korekce a následn rádiusové korekce nástroje (tj. polom - ru zaoblení špi ky nástroje). Je to bod, jehož pohyb se teoreticky programuje (pokud se použijí rádiusové korekce). 2.1.5 F -Vztažný bod suportu nebo v etene (pro vložení nástroje) Bod vým ny nástroje na revolverové hlav u soustruhu, u frézky je umíst n na ele v etene a v ose její rotace. K bodu F se vztahuje délková korekce nástroje.
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 15 2.1.6 E - Bod nastavení nástroje Bod na držáku nástroje, který se p i upnutí ztotožní s bodem E (E nutný pro zjišt ní korekcí nástroje na p ístroji mimo stroj).[6] Obr. 3. Nulové body stroje p i soustružení[2]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 16 3 RU NÍ TVORBA PROGRAM P i ru ním programování se v sou asnosti p evážn používá kód ISO v popsaném absolutním programování. Znalost p ír stkového programování byla nutná pro stroje NC ízené d rnou páskou. Ru ní programování se také používá v systémech, které nahrazují kód ISO.Ty mají za úkol zp ehlednit, zjednodušit a zejména zrychlit tvorbu programu. Za dodavatele lze jmenovat firmy Heidenhain, Mazak s jazykem Mazatrol a další. V programech se používají mnemotechnické zkratky zachovává se ádková struktura. asto lze p i tvorb programu kombinovat tento specifický programovací jazyk s programováním v kódu ISO. 3.1 Zp soby programovaní Programování na stroji se provádí výjime n v p ípadech relativn jednoduchých program. Programuje se pokud možno v p ekrytém ase (kdy stroj pracuje), a to provádí v tšinou kvalifikovaný pracovník obsluhující stroj. Využít asu lze též obsluhou více stroj, což záleží na organizaci práce a charakteru výroby na daném pracovišti. Obecn platí, že dobrý technolog - programátor si ov í vytvo ený program na stroji p i výrob první sou ásti. Jde zejména o pr b žné získávání zkušeností oblastí tvorby programu, zadaných ezných podmínek, znalostí stroj a nástroj. Produktivn jší rychlejší pro vytvo ení CNC programu jsou CAD/CAM systémy.[2] Obr. 4. HEIDENHAIN - ru ní programování
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 17 3.1.1 Absolutní programování Zadávané hodnoty jsou vztaženy k po átku sou adné soustavy obrobku. Obr. 5. Absolutní programován[11]í V p ípad zadávání absolutních rozm r je vždy zapot ebí zadávat hodnoty absolutních sou adnic koncového bodu v aktivním sou adném systému (aktuální pozice se neuvažuje). 3.1.1.1 Programování v absolutních sou adnicích - soustruh Obr. 6. Absolutní programování soustuh[2]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 18 3.1.1.1.1 ešený p íklad pro soustruh buf 16 CNC Tabulka 1. Absolutní programování program[2]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 19 3.1.2 P ír stkové (inkrementální) programování Zadávané hodnoty jsou vztažené k momentální pozici. Obr. 7. P ír stkové programování[11] V p ípad inkrementálního zadávání je vždy nutno zadat hodnotu diference mezi momentální polohou a koncovým bodem, p i emž je nutno uvažovat také sm r. 3.1.2.1 Programování v inkrementální sou adnicích frézka Obr. 8. P ír stkové programování model[2]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 20 3.1.2.1.1 ešení p íkladu s použitím softwaru MTS. Tabulka 2. P ír stkové programování program[2]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 21 4 PROGRAMOVÁNÍ CNC STROJ POMOCÍ CAD/CAM SYSTEM V CAD/CAM systémech se pomocí postprocesoru p eloží vytvo ený program pro ídicí systém daného stroje. Z tohoto d vodu již p estává být aktuální programování polární parametrické vzhledem ke své náro nosti. Programování pomocí softwar CAD/CAM je programování, na rozdíl od ru n psaných blok do blok programu, automatizované. CAD/CAM (projektování pomocí po íta e/výroba pomocí po íta e). Termín ozna ující použití po íta p i projektování a výrob produkt. Metoda CAD/CAM spo ívá v tom, že výrobek, jako nap. ást stroje, se navrhne v CAD programu nebo pomocí objemového modelování a kone ný tvar se p eloží do soustavy instrukcí, jež lze p enést jako vzor do zpravidla íslicov ízených obráb cích stroj, které podle ní p íslušný výrobek vyrobí. Trojrozm rná po íta ová grafika tvo í základ zobrazování CAD, virtuální reality, CAD/CAM systému, medicínských vizualiza ních systém, filmových a televizních trik po íta ových her, simula ních a v deckých aplikací (molekulární modelování). Názorná vizualizace komplikovaných prostorových systém je pomocí trojrozm rné interaktivní grafiky daleko lépe pochopitelná a vst ebatelná, než složitý systém dvourozm rných ez a pohled. CAD (Computer-aided design). Termín ozna ující programy (a pracovní stanice) používané p i navrhování nástrojových, architektonických a v deckých model od jednoduchých nástroj až po složité celky, nap. letadla. r zné aplikace CAD vytvá í dvou a t írozm rné objekty, p i emž výsledkem mohou být kostry objekt složené z ar (wire frame), náro n jší modely se stínovanými ástmi nebo skute né zobrazení objekt. N které programy taktéž umož ují rotaci objekt nebo zm nu jejich velikosti, poskytují pohled zevnit, vytvá í seznamy materiál pot ebných ke konstrukci a provád jí jiné p íbuzné funkce. CAM (Computer-aided manufacturing). Aplikace po íta v automatizaci výroby, technologické p ípravy výroby a kontroly výrobk. Uplat uje se jak p i kusové výrob, tak i p i výrob hromadné za použití robot a automatizovaných linek. Následuje automatizované vyhotovení programu CNC v modulu CAM, který se zapisuje v blocích v kódu ISO, jako p i ru ním programování se specifiky daného ídicího systému. Program se archivuje a posléze p enáší na ur ený stroj. Program do stroje je nahrán v kódu ISO a lze ho z tohoto pohledu v ídicím systému stroje íst a p ípadn opravovat.[1,2,8]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 22 4.1 CAM systémy p i práci v 3D moduly Náro né programy tvarových ploch forem, zápustek, p ípadn dalších ve 3D nelze vyhotovit ru ním programováním, je nutné použít CAD/CAM 3D systém, který zvládá dané požadavky. 3D tvary se zhotovují v systému CAD pomocí ploch nebo t les (solid ). Již v tšina t chto systém umož uje volbu mezi nimi dle výhodnosti pro danou konstruktérskou práci. Takto zhotovené modely následn p ejímají a zpracovávají moduly CAM. Pro rychlé, výkonné stroje, pro technologii HSC, jsou konstruovány nové ídicí systémy. Z programu se generuje obecná k ivka, která umož uje plynulý a tím i rychlý pohyb nástroje po programované ploše. Dané ešení zkracuje NC program a as výroby. Každý CAD/CAM systém musí obsahovat modul CAD (i ve zjednodušené podob ), který umož uje p evzetí výkres z cizích systém CAD, aby mohly být opraveny p ípadné chyby na výkresech a odstran ny nepot ebné elementy (detaily, pohledy, kóty, razítka). asto je efektivn jší a rychlejší p ekreslit p evzatý výkres v modulu CAD, než na n m odstra ovat chyby.[2,6] Obr. 9. Plocha obrobku vyrobena pomocí CAD/CAM systému ( p es 45 tisíc ádk ) 4.2 Vysp lé systémy CAD/CAM CAD/CAM systémy nabízejí vytvá ení r zných strategií p i obráb ní, tyto snižují výrobní asy, zaru ují kvalitu plochy a využívají možností moderních nástroj. Zde jsou uvedeny
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 23 strategie frézování. Tyto systémy také umož ují pracovat s již vytvo enými dráhami nástroje, tyto upravovat, spojovat, a poskytují další možnosti. Vývoj nových nástroj zasáhl do CNC obráb ní - také výrobci software na toto reagovali vytvá ením nových cykl, které urychlují práci programátora, zaru ují kvalitu práce p i snížení asu výroby a slu ují opera ní úseky v jeden celek, v jeden nástroj. 4.2.1 Frézováni projekcí Používá se pro vyšší kvalitu povrchu na složitých tvarech modelu. Obr. 13. Forma automobilový pr mysl[7]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 24 4.2.1.1 Rovinou Tím m žeme na tyto plochy promítat individuální rast. (z plochy, kterou definujeme a m - žeme naklán t,,oza ujeme r zná zákoutí apod.) Obr. 11. Trajektorie nástroje[2] 4.2.1.2 P ímkou Obrábíme dráhami - p ímka, kruh, spirála, což je výhodné pro obráb ní dutin. (ozá ení p ímkou -,,trubicí zá ivky'') Obr. 12. Trajektorie nástroje 4.2.1.3 Bodem Dráhy vznikají projekcí kruhu, spirály, radiály.(,,ozá ení žárovkou - bodem.) Obr. 13. Trajektorie nástroje
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 25 4.2.2 Dokon ení rastrem Lze provád t rovnob žn s osami pod zvoleným úhlem a k ížem. Použití závisí na sklonu ploch v i dráze nástroje (má vliv na drsnost plochy). Obecn je rastrování použitelné pro plochy s mírným sklonem, až vodorovn.dokon ení lze provád t v konstantních Z výškách. Má smysl od ur ité strmosti až po kolmé st ny. Obr. 14. Trajektorie nástroje 4.2.3 Zbytkové obráb ní Toto obráb ní odstra uje zbytky materiálu, které z staly neobrobeny po p edchozím nástroji. Podmínkou je použití menšího nástroje - neobrábíme vše. 4.2.3.1 obráb ní roh dráhu a sm r nástroje lze volit Obr. 15. Trajektorie nástroje
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 26 5 KONTROLA SPRÁVNOSTI PROGRAMU Je výhodné, když programy, zejména ty náro né, vytvá í programátor mimo stroj na vhodném PC, které disponuje p íslušným softwarem ídicího systému, v n mž je doporu eno program i softwarov odsimulovat - odladit.. Programy lze nahrávat do stroje pomocí p e- nosného po íta e, disketové jednotky nebo sít. Pod pojmem test CNC programu se rozumí testování napsaného programu, kdy se nesimulují pohyby. Test upozorní na geometrické nesrovnalosti, neproveditelné programové kroky a p ípadn na narušení pracovního prostoru. 5.1 Simulace Simulace obráb ní je sou ástí práce programátora, a to v etn testu upozorní na chybný blok v programu. Každý software ru ního a automatizovaného (CAD/CAM systémy) programování umož uje provést simulaci obráb ní. Simulací nelze odstranit všechny možné chyby v CNC programu,záleží na použitém ídicím systému, p ípadn na použitém simula ním programu. Simulace snižují pravd podobnost havárie stroje s obrobkem, snižují možné procento zmetk, poškození nebo zni ení nástroje, p ípadn poškození stroje. Umož ují možnost kontroly dráhy pohybu nástroje, rozm r obrobku, kontrolu strategie obráb ní..nelze simulovat upínání obrobku a ezné podmínky. Nastavené ezné podmínky v programu (otá ky, posuv, hloubka t ísky) p i pohybu nástroje na obrazovce. Slouží k ov ení správnosti vytvo eného programu pohybem nástroje p i obráb ní. Pracovní pohyb i rychloposuv m že být zrychlen i zpomalen, nebo provád n v režimu B.B tak, aby m l programátor (nebo pracovník obsluhy, operátor) možnost sledovat dráhu nástroje. V p ípad nalezené chyby se program opravuje. Simulace program je možné provád t mimo stroj na PC s daným soft-barem (p i tvorb programu)a také p ímo na CNC stroji. Slouží k vykreslení dráhy nástroje na obrazovce, pro p ípadné jejich úpravy, vyhodnocení, zda je zvolen správný zp sob obráb ní (strategie). V p ípad, že software poskytuje pohled ve 2D - zobrazuje se výrobek jako na technickém výkresu v nárysu, p dorysu a bokorysu. Ve 3D - zobrazuje se výrobek v axonometrickém pohledu prostorov, což umož uje obrobek natá et nebo v n m provád t ezy, pop ípad provád t i m ení.[2,11]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 27 Obr. 16. Simulace pomocí programu Sinumerik ShopTurn[11] Obr. 17. Simulace pomocí programu itnc 530[5]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 28 6 CNC OBRÁB CÍ STROJE Schéma (obrázek ) ukazuje t íd ní obráb cích stroj, p vodn jednoprofesních - t íd - ných dle technologie obráb ní (obrázek nevystihuje všechny technologie a jejich kombinaci). Existuje velmi málo sou ástek, které jsou vyrobeny pouze jednou technologiínap. na soustruženém h ídeli je pot eba vyfrézovat drážku. Ekonomika provozu vede k integraci n kolika zp sob technologie obráb ní do jednoho obráb cího stroje (centra). D vody jsou ve snížení (odstran ní) vedlejších as, nap. upínání na dalším stroji, a také v odstran ní ekacích as na další operaci, také se zvyšuje p esnost výroby. Další integrace technologií do stroje vede až k univerzálním obráb cím centr m. Obr. 18.Obráb cí centra univerzální[2]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 29 6.1 Rozd lení podle os Pro hodnocení konstruk ní vysp losti stroje (obráb cího centra) se používá jako jeden z ukazatel po et os sou adnicového systému, které mohou být p i obráb ní sou asn v innosti. Pro t í- a p tiosé obráb ní je zde uveden p íklad obráb cího centra na bázi frézky. Totéž lze obdobn aplikovat na centrum na bázi soustruhu. 6.1.1 Jednoosé obráb ní (1 D) Jeden pohyb - po jedné ose. P íkladem:jednoú elový stroj - vrtání díry. 6.1.2 Dvouosé obráb ní (2D) ízení dvou os najednou - b žná frézka X,Y soustruh X, Z. U frézky p i najetí na hloubku t ísky (osa Z) a následném obráb ní (v osách X,Y) se hovo í jako o obráb ní ve 2.5 D. 6.1.3 T íosé obráb ní (3D) ízení t í os X,Y,Z sou asn - t íosá frézka. Frézování rozmanitých prostorových i tvar, nástroj je kolmo na osy X,Y (Kulová fréza, pokud obrábí rovinu X,Y, odebíral t ísku nevýhodn st edem nástroje s eznou rychlostí blízkou 0, též ve st edu je nevýhodný pr nik více ost í a ezné úhly) 6.1.4 P tiosé obráb ní (5D) ízení p ti os najednou p i obráb ní - p i posuvech v osách X,Y,Z m že být ešeno: Oto - ným stolem (C osa) a jeho naklopením (osy A nebo B). P ídavným za ízením na stole (kolébka),ve kterém lze obrobkem otá et(c),umíst ním ve sm ru os X nebo Y a jejím natá e- ním (A nebo B osa). Výkyvem frézovací hlavy ve dvou osách X,Y (A,B).
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 30 6.2 Rámy Nosné struktury - CNC stroje vyžadují podstatn zvýšenou tuhost, kterou p edevším zajišují tuhé rámy. Tradi ní litina již asto nesta í, bývají to sva ence, pln né polymerbetony, kovovými p nami apod. 6.2.1 Lože Kluzné vedení je postupn nahrazováno valivým, které má své známé výhody, ale také nevýhody, jako jsou nízké hodnoty tlumení ráz, citlivost na ne istoty, ešení mazání a další. Uvedené a související problémy postupn eší vývoj v této oblasti. S loži souvisí i jejich krytování chránící p ed ne istotami. 6.2.2 Lože u soustruh Je ešeno jako šikmé, se suporty za osou rotace pro tak zvané zaosové nástroje. Výhoda spo ívá nejen v tuhosti, ale také se usnadnil odvod t ísek a manipulace s obrobky. 6.3 Pohony V eteníky - b žné stroje dosahují otá ek 6000 až 8000 /min, ale také 10 000 až 12 000 ot/min. Elektrov etena a v etena s vlastním pohonem, dosahují až 20 000 ot/min. Vysoké otá ky jsou vyžadovány nejen pro brousicí operace, ale také pro vrtací a frézovací operace - postupn se uplat uje technologie HSC. V eteníky vyžadují nové ešení ložisek, jejich mazání a chlazení. Zde jsou nutností sníma e teploty a zatížení ložisek, sníma e chv ní atd. Hlavní pohon v etena stroje - musí zajistit plynulou zm nu otá ek p i zatížení stroje p i obráb ní, vysoké zrychlení a zpomalení. Pokud je stroj vybaven,,osou C, ta musí zajistit p esné polohování a pooto ení v etene o požadovaný úhel. 6.3.1 Pohony posuv Servomotory posuv a kuli kové šrouby pat í k nutnému vybavení stroje. Pohyb motoru p enášený pomocí kuli kového šroubu na suport s nástrojem (soustruh) nebo na stoly s obrobkem (frézky) dává stroji požadovanou p esnost do tisíciny milimetru. Servomotor je konstruk n dán po tem inkrement (impulz ) na otá ku motoru a m že být vybaven sní-
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 31 ma em zrychlení. Kuli kové šrouby zajiš ují rychlý a p esný pohyb bez v le s minimálním t ením. Šroub a matice s kuli kami jsou vzájemn p edepjaty, tím je odstran na nežádoucí v le. Takto je zaru en plynulý p esný pohyb na sou adnice, které programátor zadal programem do ídicího systému CNC stroje. Pro sou asn požadované rychlosti posuv dodávají výrobci do stroj kuli kové šrouby s vysokým stoupáním a šrouby vícechodé. 6.4 P íslušenství 6.4.1 Odvod t ísek Automatické odstra ování t ísek od stroje je nutné též z hlediska zdroje teploty - hrozí teplotní dilatace stroje a obrobku, což ovliv uje výslednou p esnost výroby. Konstrukté i navrhují p íslušné ásti stroj tak, aby se zamezilo hromad ní t ísek v obráb cím prostoru, lože jsou šikmá se skluzy, také se provádí odvád ní t ísek pomocí kapaliny. Transport t ísek ze stroje do t ískových dopravník se provádí pásovým nebo šnekovým dopravníkem. T ískovým dopravníkem, na kterém dochází k odlou ení ezné kapaliny od t ísek, jsou t ísky dopravovány do zásobník t ísek. Na konce dopravník jsou montovány drti e t ísek (z d vod snížení objemu t ísek). T ískový dopravník m že být hrablový, lánkový, pásový, magnetický. 6.4.2 Krytování stroje Pracovní prostor je uzav ený z hlediska hygieny a bezpe nosti práce. Stroj nelze spustit, pokud je otev ený kryt. Musí být vy ešeno lámání t ísek. 6.4.3 Upína e polotovar Jsou užívány p evážn hydraulické nebo pneumatické, vyzna ují se nízkými asy upnutí, upíná se nastavenou konstantní silou. Takto je na minimum omezeno ru ní upínání, které se vyzna uje vyvozením rozdílné síly na obrobek. To m že vést do krajností tj. k deformaci obrobku nebo k jeho uvoln ní p i obráb ní a tím k možné havárii. 6.4.4 Chlazení mazání nástroj Trend sm uje k omezení nebo úplné vylou ení kapaliny z obráb cího procesu z hlediska ekologie. Ú innost chlazení se zvyšuje tím, že se kapalina p ivádí do ezu st edem nástroje
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 32 pod tlakem, tím také odplavuje t ísku. Chlazení lze též provád t mlhou z chladicí kapaliny, používá se také siln ochlazený vzduch. Technologie obráb ní HSC nevyžaduje chlazení, chlazení by efekt této technologie potla ilo. 6.5 Kvalifikace obsluhy CNC stroj Požadovaná kvalifikace p edevším závisí na organizaci práce v podniku, typu výroby - tj. na po tu vyráb ných kus, opakovatelnosti a náro nosti výroby sou ástí. Vysoká sériovost a opakovatelnost vede k bezobslužné výrob, kdy pracovníci nap. na ranní sm n odebírají hotové výrobky (ze zásobník, palet) a p ipravují polotovary na všechny (t i) výrobní sm ny. Dozory nad prací stroje lze vyjád it jako údržbá ská innost k odstran ní možných poruch stroj i nástroj. Krátké výrobní asy; pokud není zavedena automatizace odebírání výrobk a výroba malých sérií, vedou k neustálé p ítomnosti obsluhy. Relativn dlouhé asy výroby lze využít pro vícestrojovou obsluhu. Uspo ádat pracovišt tak, aby pracovník nemusel daleko p echázet k dalšímu stroji a mohl i sluchem sledovat zbývající stroje.[1,2,5]
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 33 7 CNC STROJE, SOU ANOST A TRENDY VÝVOJE Stav vývoje v modernizaci, automatizaci, v nasazení CNC techniky ve výrobní sfé e ukazuje následující obrázek. Náro nost výroby a po et kus na osách grafu demonstruje, jak danému odpovídá nasazení výrobní techniky a druhu programování. Konven ní technika bude mít z ejm budoucí uplatn ní pouze v jednoduché kusové výrob a opravárenství. Obr.19.Podíl práce CNC strojích 7.1 Obráb cí centra Používání zásobník nástroj se stále zvyšujícími se po ty nástroj ( ádov stovek - magazín ) a nástroj p ipravených v rozto ených v etenech - vše pro rychlé použití a vým nu. K používání modulárních stavebnicových konstrukcí CNC stroj, které bývají uzp sobovány k použití v jakémkoliv technologickém systému. Jsou konstruována elektrov etena (v eteno stroje je osou rotoru motoru) s vysokým po tem otá ek, pro použití HSC technologie.je dán požadavek na vysoké rychlosti pracovních po-
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 34 suv a rychloposuv.zde dosahované rychlosti kuli kovými šrouby již asto nesta í a v sou asnosti nastupují lineární motory. Nastává problematika zrychlení a zpomalení posuv (dosahuje na n kterých strojích až 2 g), která se odráží v celkové konstrukci stroje i v jeho softwarovém vybavení. CNC centra speciální konstrukce a ur ení, mohou po provedeném obráb ní provád t netypické operace. CNC ízení je na vysoké úrovni, ale roste rozmanitost a r znorodost vzájemn nekompatibilních ídicích systém a techniky. Výrobci ídicích systém z d vod vzájemné konkurence neusilují o unifikaci a celosv tovou normalizaci. To zna n znep íjem uje práci programátor m, kte í musí asto znát n kolik ídicích systém stroj, které svými programy obsluhují a p ípadn používají postprocesory, které asto nejsou dokonalé. 7.1.1 Sou asná obráb cí centra Oproti konven nímu soustružení a frézování jsou u vysokorychlostního obráb ní posuvy i ezné rychlosti 5x až 10x vyšší. Hlavní asy se tím zkracují, kvalita výroby se zvyšuje, dokon ovací práce se minimalizují. Základním p edpokladem jsou tuhé stroje, odolné proti chv ní, se sníženou hmotností. Cílem je i minimalizace vedlejších as. Zde hraje velkou roli zrychlování, zpomalování posuv, rychloposuv proto jsou moderní (HCS) stroje vybavovány valivými vodícími plochami s rychlopojezdem do 120 m/min. Využívají se pohony s kuli kovými šrouby (nad tvercovými) nebo p ímé lineární pohony se zrychlením 1 g až 3g. T ísky z ocelí a neželezných kov je nutné spolehliv odstranit od obrobku a z pracovního prostoru. Jsou odvád ny z místa ezu bud' s minimálním množstvím ezné kapaliny, nebo sm rovaným proudem siln zchlazeného vzduchu - nahrazuje se d íve používané velké množství chladicí emulze. Další transport extrémn horkých t ísek je bezpodmíne n nutný, pon vadž zbyte n zat žují obrobek i stroj.je ešeno odfukováním tryskami do lože stroje, odkud se transportují p evážn dopravníkem u konven ního frézování se dosahuje b žn 15 000 ot/min a u vysokorychlostního 20 000 až 60 000 ot/min. U frézování ocelí jsou ekonomicky výhodné otá ky v rozmezí 30 000 až 40 000 ot/min. V etena s hybridními ložisky a valivými jednotkami z keramiky umož ují až 60 000 ot/min. Magneticky uložená v etena, která pracují bez t ení, mohou dosáhnout až 100 000 ot/min.
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 35 Obr. 20. Multifunk ní soustružnicko-frézovací centrum MULTICUT 500 S P i hodnocení obráb cího centra rozhodují z velké ásti i vedlejší asy (doba pojezd rychloposuvem, doba vým ny nástroj, doba vým ny obrobk v etn jejich paletizace - jejich upínání, p epínání, pooto ení a jiné). Objem úb ru t ísek, kvalita povrchových ploch a náklady na nástroje až po produktivitu celého systému. Stroje jsou vybavovány p evážn ízením Heidenhain, Ardon nebo Siemens. Takto vybavené stroje mají pln digitalizované ízení a požadavk m odpovídající program CNC. Stroje spl ují požadavky automatického provozu. Ve standardním provedení jsou vybaveny pro zapojení robot a manipula ního za ízení, dále jsou dodávány s automatickou vým nou nástroj. Mají dálkovou diagnostiku poruch a závad jak stroje, tak i nástroj (ulomení, otupení). Umož ují m it obrobek sondami na stroji. V sou asnosti vrcholí integrace strojních operací do jednoho stroje - centra. Jeden stroj HSC, vysoce produktivní s požadovanými integrovanými nejen obráb cími technologiemi, nahrazuje asto celou výrobní linku - dochází k úsporám asu, místa a náklad. To vše je p ipraveno pro bezobslužnou výrobu. 7.2 Výrobní technologie HSC Také ízení HSC má svá specifika. Vyžadují se zna né posunové rychlosti - blíží se k 1m/s. HSC zahrnuje vysokorychlostní obráb ní a také p íbuzné technologie, tzv. suché a tvrdé
UTB ve Zlín, Fakulta technologická 36 obráb ní. Tyto technologie mají spole ný základ ve zvyšování ezné rychlosti a teploty t ísky. Obecn stále platí - efektivní ezání kovu nastává tehdy, když si ezný materiál udrží v ezném prost edí výraznou p evahu tvrdosti oproti obráb nému materiálu. P i konven ním obráb ní nastává v rovin st ihu zpevn ní - ztvrdnutí t ísky oproti p vodnímu materiálu. V podmínkách HSC mimo ádn tvrdými a tepeln odolnými nástroji se teplota t ísky p iblíží tavné teplot obráb ného materiálu a p i ur ité ezné rychlosti dojde k náhlé zm n ady vlastností vznikající t ísky. T íska z ervená, i kalená ocelová t íska zm kne a sníží svou p ítla nou sílu na elo nástroje. Sníží se kontaktní zóny a p i vysokých rychlostech t íska nestihne p edat teplo. Minimalizuje se p enos tepla do nástroje, naprostá v tšina tepla odchází s t ískou. Nástroje mají vysokou kvalitu ezné hrany, d myslné povlakování, které vzdoruje obrazivosti, difúzním proces m, a navíc vytvá í tepelnou izolaci. R st teploty nástroje dosahuje maxima: 6000 C u hliníku 10 000 C pro bronz 13 000 C pro šedou litinu 15 000 C pro oceli Obr. 21. Teplota p i obráb ní[1]