CNC Alatne Masine_Prvi Dio _ 2011

UNIVERZITET U SARAJEVU MAŠINSKI FAKULTET SARAJEVO

CNC ALATNE MAŠINE

Autor: Doc. dr. Ahmet Čekić, dipl.maš.ing.

. CNC ALATNE MAŠINE

i

S A D R Ţ A J:

Strana

1. UVOD ...................................................................................................................... 1

2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE CNC ALATNIH MAŠINA .............................. 7

2.1. Osnovne definicije: NC, CNC, CIM, CAQ, CAD, CAM,

CAD/CAM, CAP, PPC ..................................................................................

8

2.2. Razlika između konvencionalnih (klasičnih) i CNC alatnih mašina .............. 10

2.3. Karakteristike i vrste CNC alatnih mašina ..................................................... 12

2.4. Komponente CNC alatnih mašina .................................................................. 14

2.4.1. Noseća struktura mašine .................................................................. 14

2.4.1.1. Statičko opterećenje alatne mašine ..................................... 14

2.4.1.2. Dinamičko opterećenje alatne mašine ............................... 15

2.4.1.3. Termičko opterećenje alatne mašine ................................... 15

2.4.2. Vođice .............................................................................................. 16

2.4.2.1. Vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem .................... 16

2.4.2.2. Linearni leţajevi sa kuglicama i valjcima ........................... 17

2.4.2.3. Ostale vođice ....................................................................... 18

2.4.3. Pogoni za glavno kretanje alatnih mašina ........................................ 21

2.4.4. Pogoni za pomoćno kretanje alatnih mašina .................................... 25

2.4.5. Upravljanje i regulacija pogonskih sistema ..................................... 27

2.4.5.1. Direktno numeričko upravljanje (DNC) ............................. 27

2.4.5.2. Sistemi adaptivnog upravljanja ........................................... 29

2.4.6. Mjerni sistemi glavnih pogona ......................................................... 32

2.4.6.1. Enkoderi .............................................................................. 33

2.4.6.2. Mjerne glave za CNC alatne mašine .................................. 34

2.4.7. Nadzor i dijagnostika CNC alatnih mašina i obradnih sistema ....... 35

2.4.8. Uvjeti za konkurentniji način proizvodnje ....................................... 37

2.4.8.1. Uređaji za prednamještanje reznih alata ............................. 37

2.4.8.2. Automatska izmjena reznih alata ........................................ 40

2.4.8.3. Automatska izmjena obradaka ............................................ 41

2.4.9. Upravljačka jedinica CNC alatne mašine ........................................ 42

2.4.10. Ostali vaţniji sklopovi CNC alatnih mašina .................................... 43

3. KONCEPCIJSKE VARIJANTE CNC ALATNIH MAŠINA ................................. 44

3.1. Višeoperacijske CNC alatne mašine ............................................................... 44

3.2. CNC strugovi .................................................................................................. 45

3.2.1. Osnovna podjela strugova .................................................................... 45

3.2.2. Horizontalni CNC strugovi ................................................................... 45

3.2.3. Više suportni strugovi .......................................................................... 47

3.2.4. Viševreteni strugovi ............................................................................. 47

3.2.5. Strugovi sa suprotnim vretenom .......................................................... 47

3.2.6. Stezanje reznih alata na CNC strugovima ............................................ 48

3.2.7. Stezanje obradaka na CNCstrugovima ................................................. 49

CNC ALATNE MAŠINE Uvod.

1

1. U V O D

Razvijeno svjetsko tržište danas se suočava s brzim i neprestanim promjenama zbog mnogih

faktora, (slika 1.1) koje se ogledaju u dinamici velike ponude novih i raznovrsnih proizvoda,

njihovom brzom zastarijevanju, visokim zahtjevima kupaca za kvalitetom i pristupačnim

cijenama. U takvim uslovima globalne tržišne konkurencije imperativ je brzo, jeftino i kvalitetno

izraditi proizvod.

Slika 1.1. Proizvodno okruženje u 21 stoleću

Prema tome, sa aspekta ekonomičnosti postupaka, glavni ciljevi svih obrada su povećanje

dimenzionalne preciznosti i površinske cjelovitosti kvaliteta

proizvoda uz istovremeno povećanje brzine uklanjanja

materijala (strugotine), kao i smanjenje vremena rada po

jedinici proizvoda, smanjenje trošenja alata i utroška pogonske

energije. Ovi faktori su uvijek bili važni i ostaju veoma bitni za

sadašnju konkurentnu industriju kao i za automatsku

proizvodnju. Naime, definišući osnovne ciljeve obrada tj.

povećanje proizvodnosti i kvaliteta proizvoda te smanjenje

proizvodnih troškova, a kroz njih i sredstva za njihovo

ostvarivanje, može se uspostaviti međusobni neprekidni lanac

spiralnog razvoja: proizvoda - tehnologija - alatnih mašina

(slika 1.2).

Slika 1.2. Spirala razvoja proizvoda-tehnologije-alatne mašine u metalo prerđivačkoj industriji

Najkarakterističnija dva primjera istorijske korelacije između proizvoda, tehnologija i alatnih

mašina je razvoj automobilske i avio industrije. Naime, u toku razvoja automobilske industrije

nastao je čitav niz alatnih mašina. Tako je za završnu obradu brušenjem koljenastih vratila 1903.

godine napravljena brusilica za vanjsko brušenje, koja je vrijeme obrade svela sa 5 časova na 15

minuta. Obrada cilindara motora, koja se izvodila proširivanjem, razvrtanjem i glačanjem,

zamijenjena je unutrašnjim brušenjem (1905. godine) i mogla se ostvariti paralelnost od 0,006

mm. 1922. godine je razvijena mašina za brušenje bez šiljaka, koja je također uticala na značajno


2

smanjenje vremena obrade sitnih dijelova u masovnoj proizvodnji. Za proizvodnju karoserija

automobila razvile su se mašine za valjanje lima, tehnologija za obradu dubokim izvlačenjem,

prosijecanjem i probijanjem, te mašine za te obrade. Razvoj avionske industrije, a time i sve

složenijih dijelova, doveli su do pojave numeričkih upravljanih alatnih mašina (1950. godina).

Od tada numerički upravljane alatne mašine tj. sistemi imaju dominantan uticaj u industriji. U

tabeli 1.1. je dat hronološki pregled razvoja upravljačkih sistema alatnih mašina.

Tabela 1.1. Pregled razvoja upravljačkih sistema alatnih mašina

1808. god. Joseph M. Jacquard koristi metalnu traku za upravljanje tkalačkim strojevima

1990. god. Pojava automatskih strugova

1949-52. god John Perason i M.I.T. (Massatussets Institut of Technology). izrada prvog elektronskog

upravljanja alatnom mašinom

1954. god. Serijska proizvodnja NC alatnih mašina

1959. god. M.I.T je objavio razvitak prvog jezika za programiranje NC mašina (Jezik je nazvan

APT - Automaticaly Programmed Tools)

1960.god. Direktno numeričko upravljanje (eng. Direct Numerical Control – DNC) i pojava robota

1968. god. U kompaniji Kearney & Trecker izrađen je prvi obradni centar

1968. god. D.N.T. Williamson razvio je i prikazao prvi fleksibilni obradni sistem MOLINS 24.

1970. god. FMC, FMS, GT, NC, CNC, DNC, AC

1972. god. Prvi CNC sistemi

1980. god. Pojava CAD/CAM sistema. Razviaju se CAD/CAM sistemi za operativni sistem Unix i

za PC računare. Razvoj i primjena industrijskih robota

1984. god. Prva mašina sa grafičkim prikazom obrade na ekranu

1986/87 god. Stvoreni uslovi za povezivanje mašina – koncept CIM,

1990. god. Pojava upravljačkih računara zasnovanih na otvorenoj arhitekturi (PC Windows/NT

based “Open Modular Architecture Control (OMAC)” systems). Razvoj koncepta

proizvodnje: Lean, JIT, (

2000. god. Unmanned manufacturing FOF (Factory of the Future), tvornice budućnosti

Osnove numeričkog upravljanja postavio je 1947. godine John Parsons (1913-2007). Upotrebom

bušene trake upravljao je pozicijom alata pri izradi lopatica helikopterskog propelera. Dvije

godine poslije, američka vojska sklopila je ugovor sa institutom MIT (Massachustes Institute of

Technology in Cambrige, MA, USA) za razvoj programibilne glodalice. Glodalica, Cincinati

Hydrotel predstavljena je 1952. godine, imala je elektromehaničko upravljanje i koristila je

bušenu traku (slika 1.3.).

Iste godine počinje se

koristiti naziv numeričko

upravljanje (NC).

Tadašnja upravljačka

jedinica bila je veća od

same mašine. U odnosu

na konvencionalne

mašine značajna

promjena je bila

uvođenje zasebnih

istosmjernih motora za

pogon glavnog vretena i

suporta.

Slika 1.3. Prva NC mašina


3

MIT je 1959. godine razvio prvi jezik za programiranje NC mašina, koji se zvao APT

(Automatic Programmed Tools).

U civilnoj industriji, primjena numeričkog upravljanja započinje šezdesetih godina dvadesetog

vijeka, upotrebom direktnog numeričkog upravljanja DNC (Direct Numercal Control). Ovim je

omogućeno direktno slanje programa iz DNC računara u UR CNC mašine. 1970. godine

skraćenica DNC dobija novo značenje, odnosno razvojem mikroprocesora počinje era CNC-a

(Computer Numerical Control), čime počinje primjena LAN-lokalnih mreža (Local Area

Network). Osamdesete godine dvadesetog vijeka u historiskom razvoju numeričkog upravljanja

obiljažene su razvojem i upotrebom CAD/CAM sistema.

Danas se unos programa u memoriju upravljačke jedinice najčešće vrši pomoću RS232 porta,

dok najnovije upravljačke jedinice imaju USB port, čime je omogućen veoma brz prijenos

podataka. Posljedica toga je efikasnija i ekonomičnija proizvodnja, naročito komplikovanih

mašinskih elemenata, što je i bio cilj razvoja numeričkog upravljanja.

Numerički upravljane alatne mašine za obradu skidanjem strugotine (obradu rezanjem) su u

prvom periodu proizvodene za pojedine operacije (struganja, bušenja, glodanja, itd.), da bi se u

narednom periodu razvili sistemi sa koncipiranom manipulacijom materijala (sirovine). Za

izradu dijelova automobila ili poljoprivrednih mašina sa većim brojem operacija, projektuju se

sistemi, kod kojih je izvršena koncentracija operacija a koji su međusobno povezani transportnim

sredstvima (transfer linije). Naredna faza razvoja koncepta alatnih mašina je koncentracija

različitih vrsta obrade, kao što su: bušenje, glodanje, struganje, izrada navoja, itd. kao i

automatsko rukovanje kompleksom alata. Ovo su tzv. funkcionalne mašine ili obradni centri.

Njihova karakteristika je visoka tehnološka fleksibilnost sa visokim stepenom automatizacije

primjenom numeričkog i računarskog upravljanja. Razvojem ovakvih alatnih mašina formiraju

se fleksibilni obradni - tehnološki sistemi (eng. Flexible Manufacturimg System) sa računarskim

upravljanjem da bi se sistem proširio na integralni proizvodni sistem. Danas imamo sve veću

primjenu industrijskih robota koji predstavljaju elemenat povezivanja alatnih mašina a izvršavaju

funkciju manipulacije materijalom, alatom i obrađenim komadima.

Prema tome, razvoj numeričkog upravljanja je imao za posljedicu razvoj alatnih mašina

slijedećim redoslijedom: NC alatne mašine, CNC alatne mašine, obradni centri, fleksibilne

obradne ćelije te na kraju fleksibilni obradni sistemi. Naime, za uspješno poslovanje na sve

zahtjevnijem globalnom tržištu, potrebno je zadovoljiti zahtjeve kupaca, rješavajući njihove

potrebe i probleme. Zahtjeve je moguče rješavati ponudom novih proizvoda i inovacijama

postojećih. Bez savremenih CNC alatnih mašina i alata, bez primjene novih tehnologija, itd. nije

moguće zadovoljiti te zahtjeve i biti konkurentan. U svim segmentima konkretne proizvodnje,

obradni sistemi imaju ključnu ulogu, te je neophodno pratiti trendove i usvajati nova rješenja. U

području obradnih sistema za postupke obrade odvajanjem čestica prisutni su sljedeći trendovi:

1. PROCESI OBRADE :

1.1. Modeliranje i simulacija procesa obrade,

1.2. Visokobrzinske obrade,

1.3. Mikro i nano tehnologije obrade,

1.4. Nekonvencionalne tehnologije (obrada laserom, vodenim mlazom, itd.),

1.5. Tehnologije brze izrade prototipa,

1.6. Tvrde obrade,

1.7. „Suhe“ obrade, itd.

2. ALATNE MAŠINE I ELEMENTI :

2.1. Višeosne CNC alatne mašine,

2.2. Modularna gradnja,


4

2.3. Visokoproduktivne alatne mašin,

2.4. Alatne mašine sa paralelnim kinematskim strukturama (HEXAPOD-i),

2.5. Linearni pogoni,

2.6. Motor-vretena,

2,7. Klizno vodeći sistemi (zavojno vreteno sa kuglicama i navrtkom),

2.8. Integriranje više postupaka obrade na jednoj mašini, itd.

3. UPRAVLJANJE ALATNIM MAŠINAMA :

3.1. Upravljačke jedinice za visokobrzinske obrade,

3.2. Razvoj korisničkog SW,

3.3. Umrežavanje upravljačkih računara,

3.4. HW i SW za monitoring i dijagnostiku procesa i mašina, itd.

4. PROJEKTOVANJE PROCESA OBRADE :

4.1. Primjena CAD/CAM sistema i CAE,

4.2. CAPP sistemi,

4.3. Razvoj specifične programske podrške (postprocesori, baze podataka, posebni

programski moduli prilagođeni specifičnim zahtjevima korisnika),

4.4. Optimizacija procesa,

4.5. SW za planiranje i praćenje proizvodnje,

4.6. Primjena STEP standarda, itd.

5. REZNI ALATI I PRIHVATI :

5.1. Alatni materijali i geometrije,

5.2. Presvlake i tehnologije presvlačenja,

5.3. Prihvati alata, posebno sa stanovišta primjene visoko brzinskih obrada,

5.4. Prihvat obradaka,

5.5. Prednamještanje alata,

5.6. Strategije zamjene alata i obradaka, itd.

Zaključak je, da pred današnje specijalizirane proizvodne firme za obradu matala odvajanjem

čestica postavljaju se visoki zahtjevi za samu obradu, a neki od njih su: optimalni kvalitet

obrade, niski troškovi proizvodnje, poštivanje rokova isporuke, racionalno upravljanjem

materijalom i informacijskim tokovima u proizvodnom sistemu, itd. Sve to je nezamislivo bez

novih pristupa u postupcima obrade kao što je CNC tehnologija (CNC alatne mašine,

projektovanje procesa obrade, itd.). Savremeni obradni sistemi, pored kontinuiranih zahtjeva ka

većem stepenu automatizacije i fleksibilnosti, sve više trebaju ispunjavati zahtjeve integracije i

inteligencije, odnosno pokazati sposobnost autonomnosti. U upravljačkom segmentu, stalno se

traga za novim rješenjima koje će odgovoriti na pitanje kako omogućiti proizvodnim sistemima

da se prilagode brzim promjenama u okolini. Pri tome se najčešće spominju:

a) Intelligent Manufacturing Systema – Inteligentni proizvodni sistemi,

b) Genetic Manufacturing System – Genetski proizvodni sistemi,

c) Biological Manufacturing System – Biološki proizvodni sistemi,

d) Virtual Manufacturing System – Virtualni proizvodni sistemi,

e) Reconfigurable Manufacturing Systems – Rekonfigurabilni proizvodni sistemi, itd.

Proizvodne firme će se stalno susretati sa čestim i nepredvidivim tržišnim promjenama, kao što

su: uvođenje novih proizvoda, promjene količine i kombinacije proizvoda, nove komponente za

postojeće proizvode, nove tehnologije, itd. Zato firme moraju koristiti proizvodne sisteme koji će

u potpunosti moći odgovoriti navedenim zahtjevima. O značaju obradnih sistema za industrijsku

razvijenost pokazuje prikaz o potrošnji obradnih mašina u periodu 2001 – 2007 godine, slika 1.4.


5

Slika 1.4. Proizvodnja obradnih mašina u nekim zemljama

Posebno, pronalazak novih materijala za rezne alate sa kojima se mogu realizovati sve veće i

veće brzine rezanja, dovela su do razvoja novih konstrukcionih rješenja alatnih mašina u cjelini,

kao i njihovih elemenata, uređaja i mehanizama. Ovdje se prije svega misli na glavna vretena,

pogonske mehanizme i mehanizme pomoćnih kretanja (snaga, obrtni momenti i brojevi obrtaja).

Prema tome, razvoj novih (kvalitetnijih) materijala za rezne alate je stvorio nov i cjelovit pristup

u dizajniranju alatnih mašina i obradnih sistema. Najznačajniji zahtjevi u dizajniranju novih

alatnih mašina su:

povećanje snage i broja obrtanja glavnog vretena (primjena novih reznih alata a time i

implementacija visokobrzinske obrade),

kontrola temperature glavnog vretena,

automatska kompenzacija istrošenja alata (unos korekcije za alate, nadzor nad istrošenjem i

lomom alata, itd),

automatski transport i izmjena alata, obradaka i pribora,

automatsko stezanje obratka u radnom prostoru mašine,

optimiranje režima obrade,

simulacija tehnološkog procesa,

kontrola glavnog, te pomoćnog kretanja numerički upravljanih osa pomoću računarske

obrade podataka, itd.

čišćenje i odvod odvojenih čestica (pranje, sušenje i hlađenje obradaka, itd),

preventivno održavanje uz dijagnosticiranje i signalizaciju s jasnim tekstom opisa smetnji,

itd.

Velika očekivanja u daljem napretku proizvodnog inženjerstva usmjerena su prvenstveno prema

visokobrzinskim tehnologijama (struganje, glodanje, bušenje, brušenje, struganje-glodanje) koje

su u posljednjih desetak godina postale ključne tehnologije obrade odvajanjem čestica i značajno

su potisnule tehnologije konvencionalnih obrada. Uporedo sa razvojem alatnih mašina tekao je i

razvoj automatizacije (upotreba elektronike) a time i racionalnijih metoda proizvodnje kao i

primjena novih tehnologija.

Na osnovu ovog kratkog pregleda može se zaključiti da su se desile i da se dešavaju vrlo

značajne promjene u konstrukciji alatnih mašina što dovodi do stalnog poboljšanja njihovih

eksploatacionih i proizvodnih karakteristika.

Zapravo, porast produktivnosti ostvarivao se i ostvaruje:

pronalaskom novih mašina za nove operacije ili nove tehnologije,

koncepcijsko konstruktivnim razvojem postojećih mašina i

prevođenjem izrade dijelova ili proizvoda iz jedne u drugu tehnologiju.

Za analizu koncepcijsko – konstruktivnog razvoja alatnih mašina polazi se od:

koncepta alatne mašine,

konstrukcije sklopova,


6

sistema materijala,

energetskog sistema i

sistema upravljanja.

Može se zaključiti da je koncept alatne mašine višedimenzionalni problem, posebno ako se

alatna mašina posmatra u zavisnosti od njene fleksibilnosti.

dr.sci Ahmet Čekić CNC ALATNE MAŠINE

7

2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE CNC ALATNIH MAŠINA

Za uspješno poslovanje na sve zahtjevnijem globalnom tržištu, potrebno je zadovoljiti

zahtjeve kupaca, rješavajući njihove potrebe i probleme. Zahtjeve je moguče rješavati

ponudom novih proizvoda i inovacijama postojećih. Bez savremenih metoda, alatnih mašina i

alata, bez primjene novih tehnologija, nije moguće zadovoljiti te zahtjeve i biti konkurentan.

U svim segmentima konkretne proizvodnje, obradni sistemi imaju ključnu ulogu te je

neophodno pratiti trendove i usvajati nove tehnologije i rješenja u ovom području. Na slici 2.1

su prikazani osnovni zahtjevi savremene proizvodnje.

Slika 2.1. Osnovni zahtjevi savremene proizvodnje

Rješavanje sve većih zahtjeve tržišta kao i automatizacija maloserijske i serijske proizvodnje

se uspešno izvodi primjenom CNC alatnih mašina. Njihova primjena dovodi do:

povećanja proizvodnosti,

povećanja tačnosti obrade,

povećanja vremenskog stepena iskorišćenja mašine, itd.

Osnovne prednosti CNC alatnih mašina u odnosu na dvije skupine konvencionalnih mašina:

1. Prema konvencionalnim neautomatizovanim univerzalnim mašinama

znatno veća proizvodnost,

Osnovni

zahtjevi

savremene

proizvodnje


8

veći udio mašinskog vremena tm u vremenu operacije,

visoka tačnost (stalnost parametara i precizno vođenje alata).

2. Prema automatskim konvencionalnim mašinama:

nepotrebna izrada fiksnih skupih nosioca programa (šabloni, itd.),

velika fleksibilnost tj. brza promjena programa uz širi spektar uz povećane

mogućnosti mašine (ako npr. su veće količine ili imamo česte izmjene oblika i

dimenzija proizvoda, itd.).

Primjenom CNC alatnih mašina prisutni su i sljedeći nedostaci:

obavezno planiranje rada (TP) do u detalje bez obzira na količinu,

veliki investicijski troškovi i veća cijena radnog sata,

veći zahtjevi prema osoblju u pripremi i održavanju, itd.

Međutim, prednosti su izraženije – zato je stalan i sve brži razvoj i zastupljenost CNC alatnih

mašina u metaloprerađivačkoj industriji a naročito zbog:

a) povećanje proizvodnosti

b) povećanje kvaliteta proizvoda i

c) smanjenje proizvodnih troškova.

2.1. Osnovne definicije: NC, CNC, CIM, CAQ, CAD, CAM, CAD/CAM,

CAP, PPC

a) NC – sistemi (mašina+upravljačka jedinica sa dijelom za obradu podataka i upravljačkim

krugovima - ožičenja).

Uvođenjem NC upravljanja omogućena je racionalna proizvodnja dijelova i u

pojedinačnoj i maloserijskoj proizvodnji (85%) što nije bilo moguće kod

konvencionalnog načina upravljanja.

Princip rada NC sistema:

Podaci preko nositelja informacija u obliku signala ulaze u dekoder, gdje se vrši

dekodiranje informacija koje se zatim šalju preko “memorije” u interpolator. Tu se

informacija predstavlja u vidu putanje alata. Preko povratne veze mjerni sistem obavlja

identifikaciju položaja alata i zajedno sa zadanim veličinama u interpolatoru vrši se

usporedba položaja i šalje signal za korekciju (ako je potrebna). Cijeli ovaj proces se

odvija po programskim blokovima (jedan po jedan) i brzina izvođenja programa ovisi

isključivo o brzini čitača informacija.

b) CNC – sistemi (mašina+upravljačka jedinica na bazi računara tj. NC+ računar = CNC.

Razvojem softvera i hardvera današnji CNC sistemi upravljanja predstavlja visok stepen

automatizacije proizvodnih funkcija (programiranje na mašini, upravljanje alatima,

materijalom, mjerenja, složene interpolacije, dijagnosticiranje stanja mašine, video upute

za održavanje sistema, grafička simulacija, itd.). Uticaj računara na NC programiranje


9

A.M. dovela je do značajnog smanjenja vremena posebno kod višeosnog programiranja

konstrukcijskih zahtjevnih djelova (složene geometrije).

c) CIM - računarom podržana proizvodnja (Computer Integrated Manufacturing).

CIM predstavlja zajedničko informacijsko-tehničko djelovanje svih faktora proizvodnje,

koji koriste zajedničku bazu znanja. Obuhvata zadatke razvoja, projektovanja,

konstrukcije, planiranja, obrade do ispitivanja i isporuke. CIM nije metoda

racionalizacije niti proizvod koji se može kupiti i instalirati, već je to način razmišljanja i

rada koji, u usporedbi s drugim proizvodnim subjektima, može dati šansu za dugoročniji

ekonomski uspjeh.

d) CAQ - računarom podržano upravljanje (osiguranje) kvalitetom (Computer Aided

Quality). Osnovni cilj osiguravanja kvalitete je preglednost i kompletnost, te dorečenost

tehničko-tehnološke dokumentacije, koja prati proizvod od narudžbe do eksploatacije, tj.

u svim fazama vijeka proizvoda, te poticaj za napredovanje u organizaciji i primjeni

sredstava za kontinuirano upravljanje kvalitetom, kako bi proizvod uvijek bio na

potrebnom nivou kvaliteta.

e) CAD - računarom podržano projektovanje (Computer Aided Design)

Računarom podržano projektovanje zajednički je naziv za sve organizacijske aktivnosti

pri konstruisanju i razvoju proizvoda, uz izravnu i posrednu pomoć računara, kao što su:

funkcionalno, estetsko, ergonomsko i montažno oblikovanje proizvoda,

završno dimenzionisanje,

izrada tehničke dokumentacije,

tehničke analize i proračuni,

simulacija,

provjeravanje tehnologičnosti proizvoda,

Oblikovanje proizvoda je postupak određivanja geometrijskog i vizualnog izgleda na

osnovi predviđenih slijedećih zahtjeva:

funkcionalnih

mehaničkih

estetskih

ergonomskih

montažnih

tehnoloških.

f) CAD/CAM - računarom podržana proizvodnja (Computer Aided Manufacturing).

Posebno je interesantna direktna veza CAD/CAM sistema, prema kojoj se dimenzije

projektovanog dijela, potrebne za obradu, izuzimaju iz CAD sistema i na temelju njih u

CAM sistemu se može izraditi datoteka putanje alata koja se postprocesorom prevodi u

numerički program za određenu upravljačku jedinicu.


10

g) CAP - računarom podržano planiranje (Computer Aided Planing)

Područje pripreme rada nalazi se između konstrukcije i izrade, a dijeli se na planiranje

rada i upravljanje. U granicama planiranja rada provode se sve aktivnosti koje se obično

jednom pojavljuju i koje osiguravaju proizvodnju. Upravljanje radom obuhvata sve

aktivnosti, potrebne za planiranje rada i odvijanje procesa.

h) PPC - planiranje i upravljanje proizvodnjom (Production Planning and Control).

Planiranje i upravljanje proizvodnjom primarno je područje EOP-a sadašnjice. Ovaj

posao radi se već desetljećima, tako da danas ima dosta programskih paketa koji

različitim postupcima uspješno rješavaju ovu problematiku, pripremajući firmu za

provođenje osiguravanja kvaliteta i uvođenje CIM-a.

2.2. Razlika između konvencionalnih (klasičnih) i CNC alatnih mašina

Kad govorimo o obradi predmeta pomoću konvencionalnih i CNC alatnih mašina mogu se

postaviti određena pitanja. Je li CNC obrada bolja i ako jeste, zašto? Ima li sličnosti među tim

obradama? Upoređujući ova dva načina obrade može se zaključiti da je osnovni pristup pri

projektovanju tehnologije gotovo jednak:

• Analiza crteža i ostale dokumentacije,

• Izbor operacija obrade,

• Određivanje baznih površina i izbor načina stezanja,

• Odabir odgovarajućih alata,

• Proračun optimalnog režima obrade,

• Izrada programa i testiranje (za CNC alatne mašine),

• Izrada predmeta.

Razlika je u predzadnjoj aktivnosti koje na konvencionalnim mašinama nema. Međutim, pri

samoj obradi pojavljuju se bitne razlike. Operater na konvencionalnoj mašini pomoću jedne ili

obje ruke obavlja uključivanje/isključivanje posmaka, rashladnog sredstva, itd. tj. obavlja

vođenje alata. Za to su potrebni znanje i određene vještine. O stepenu vještina zavisit će i

kvalitet i vrijeme izrade. Problem nastaje kad je potrebno izraditi više potpuno istih predmeta.

Po prirodi čovjek ne može ponoviti sve postupke na jednak način, što kao rezultat daje razlike

u dimenzijama predmeta i kvalitetu obrađene površine.

Kod CNC alatnih mašina mikroprocesor vodi alat uvijek na jednak način čime se postiže da je

svaki izradak u serijskoj proizvodnji isti. Iz ovog se može zaključiti da su CNC alatne mašine

uvijek superijornije nad klasičnim mašinama. Međutim ako je potrebno izraditi samo jedan

jednostavan predmet ipak konvencionalne mašine imaju prednost (ekonomičnost

proizvodnje). Ove prednosti CNC alatnih mašina, dobijene su ugradnjom specifičnih

komponenti kao što su: klizno–vodeći sistemi CNC mašina (vođice i sistemi za prenos

kretanja), zavojno vreteno sa navrtkom, itd.

Izrada i konstrukcija CNC alatnih mašina se u mnogome razlikuje od izrade i konstrukcije

konvencionalnih alatnih mašina kako u osnovi mašinskog sistema tako i u osnovi upravljanja.


11

Ova razlika proizilazi iz potrebe za boljim performansama alatnih mašina, te se u tom cilju

navodi nekoliko karakteristika CNC alatnih mašina:

a) Veći stepen iskorištenja – veće brzine obrtaja i brzine pomoćnih kretanja, veće ugrađene

snage motora, itd. (omogućena upotreba savremenuh reznih alata).

b) Viša tačnost – uslovljeni viši zahtevi kod konstrukcije strukture u pogledu krutosti,

prigušenja eliminisanju toplotnih deformacija i habanja.

c) Upravljanje svim funkcijama mašine je daljinsko. Svi prenosnici glavnog i pomoćnog

kretanja su posebno konstruisani, i obično nezavisno upravljani, a povezani električnim

i elektronskim putem.

d) Izmenjivači alata, nosači alata su automatizovani a funkcije izmjene alata uključene u

dio numeričkog upravljanja.

e) Mjerni sistem je dio cjelokupnog sistema i najčešće u zatvorenom kolu sa ostalim

djelovima numeričkog upravljanja.

f) Vretena CNC mašina, glavna i pomoćna, izvedena su sa višim stepenom tačnosti, većih

su dimenzija a uležištenju se posvećuje posebna pažnja u pogledu krutosti, prigušenja

oscilacija i toplotnih deformacija, itd.

Pored navedenih razlika, treba imati u vidu i suštinske. Konvencionalna mašina je orjentisana

za direktnu obradu materijala, a kod numerički upravljane alatne mašine prvo se obrađuju

informacije, a zatim odgovarajuće jedinice, na osnovu obrađenih informacija, vrše kretanja

koja služe za neposrednu obradu materijala pripremka. Osnovne razlike između

konvencionalnih i CNC alatnih mašina (slika 2.2) su:

a) Pogon mašine – kod konvencionalnih mašina najčešće radi se o skupnom pogonu tj.

jedan motor pogoni i glavno vreteno i ostala kretanja radnog stola, dok kod CNC

mašina postoji jedan glavni motor za pogon glavnog vretena a kretanje po osama

ostvaruju posebni istosmjerni motori.

b) Upravljanje mašine – izvodi se kod konvencionalnih mašina ručno ili mašinski preko

ručica za upravljanje dok CNC alatne mašine imaju upravljačku jedinicu (tastatura i

ekran) i rade automatski preko programa.

c) Mjerni sistem mašine – sastoji se od skale sa nonijusom (konvencionalne mašine) ili

preciznijeg linearnog sistema mjerenja (CNC alatne mašine).

d) Pomak radnog stola – ostvaruje se trapeznim navojem (konvencionalne mašine) ili

kugličnim navojnim vretenom (CNC mašina).


12

Slika 2.2. Razlika između konvencionalnih (a) i CNC alatnih mašina (b)

2.3. Karakteristike i vrste CNC alatnih mašina

Izrada i konstrukcija CNC alatnih mašina se u mnogome razlikuje od izrade i konstrukcije

konvencionalnih alatnih mašina kako u osnovi mašinskog sistema tako i u osnovi upravljanja.

Ova razlika proizilazi iz potrebe za boljim perfomansama alatnih mašina, te se u tom cilju

navode najvažnije karakteristike CNC alatnih mašina:

• Veći stepen iskorištenja,

• Viša tačnost,

• Upravljanje svim funkcijama mašine je daljinsko,

• Izmjena alata je automatska,

• Mjerni sistem je dio cjelokupnog sistema,

• Vretena CNC alatnih mašina (glavna i pomoćna) su izvedena sa višim stepenom tačnosti,

• Obilno podmazivanje i hlađenje alata,

• Korištenje najkvalitetnijih reznih alata, itd.

Na slici 2.3. je prikazana struktura CNC alatne mašine. Današnji standard kod CNC alatnih

mašina je softver na bazi Windows sistema, grafika i simulacija (3D) u boji što omogućava

brzo programiranje i editiranje programa na licu mjesta ili prijenos podataka sa računara na

upravljačku jedinicu mašine.


13

Slika 2.3. Struktura CNC alatne mašin

CNC alatne mašine za obradu skidanjem strugotine su brojne i različite. Najzastupljenije, u

metaloprerađivačkoj industriji prema vrsti tehnoloških operacija su:

• Glodalice i obradni centri,

• Strugovi i strugarski centri,

• Bušilice

Brusilice.

Danas se sve više proizvode tzv. višeoperacijske numerički upravljane alatne mašine. Postoje

slijedeće vrste prema obliku obratka, koji se na njima mogu obrađivati:

obradne centre - za obradu prizmatičnih obradaka: glodanjem, bušenjem, struganjem i

brušenjem,

strugarske centre - za obradu osnosimetričnih obradaka: struganjem, bušenjem,

glodanjem i brušenjem i

brusne centre - za brušenje složenih brusnih površina.

Najznačajniji trendovi razvoja savremenih sistema alatnih mašina su:

viskobrzinski pogoni glavnih vretena,

aplikacija linernih motora ili paralelne kinematike,

rastuće upotrebe tehnologije regulacije, simulacije i upravljanja,

mrežne informacije i komumnikacija, itd.

Kako instaliranje novih tehnologija traži odgovarajuće mašine uz maksimalnu fleksibilnost i

modularnu gradnju. Proizvode se slijedeće vrste:

Alatne mašine s visokobrzinskim radnim vretenima

Alatne mašine s linearnim i “torqe” motornimposmičnim pogonima

Alatne mašine na bazi paralelnih kinematičkih struktura


14

Pogoni modernih alatnih mašina sve češće se baziraju na direktnim pogonima integriranim u

strukturu mašine. Na slici 2.4. je data struktura jedne modularne obradne ćelije

Slika 2.4. Struktura jedne modularna obradna ćelija (projekt HSTEC d.d.)

2.4. Komponente CNC alatnih mašina

Kvalitet i pouzdanost CNC alatnih mašina zavisi od različitih mašinskih elemenata i

podsistema mašine. Pojedini važniji dijelovi CNC alatnih mašina su:

a) noseća struktura mašne,

b) vođice,

c) pogoni za glavna i pomoćna kretanja,

d) vreteno i uležištenje vretena,

e) mjerni sistemi,

f) upravljačka jedinica i interfejs operatera,

g) senzori,

h) sistem za nadgledanje alata, itd.

2.4.1. Noseća struktura mašine

Svi motori, prijenosni i drugi funkcionalni dijelovi alatne mašine, povezani međusobom,

čvrsto su vezani za noseću strukturu mašine. Tako da je noseća struktura mašine izložena

statičkim i dinamičkim silama, pa je zbog toga veoma važno da se noseća struktura mašine ne

deformiše ili ne osciluje, preko dozvoljene granice, kada je izložena djejstvu sila koje su

prisutni pri obradi. Sve komponente mašine moraju da ostanu u tačnom relativnom položaju

da bi zadržale geometrijsku tačnost, bez obzira na intenzitet i pravac djejstva sila. Na

konfiguraciju noseće strukture mašine takođe utiču način proizvodnje, montaže i rukovanja

alatnom mašinom. U daljem djelu teksta biće reči o osnovnim faktorima koji utiču na izradu

noseće strukture alatne mašine.

2.4.1.1. Statičko opterećenje alatne mašine

Statičko opterećenje, kod alatne mašine, potiče od težine kliznih djelova, obratka i sila koja se

javljaju prilikom rezanja. Da bi se deformacija strukture tokom statičkog opterećenja kretala u


15

dozvoljenim okvirima, noseća struktura treba da ima adekvatnu krutost i odgovarajuću

konfiguraciju strukture. Generalno gledano postoje dvije osnovne konfiguracije alatnih

mašina, kao što je prikazano na slici 2.5.

Slika 2.5. Najčešće korištene konfiguracije CNC ačlatnih mašina

2.4.1.2. Dinamičko opterećenje

Dinamičko opterćenje je termin koji se koristi za sile koje se neprekidno mijenjaju i pri tom

djeluju na noseću strukturu alatne mašine tokom njenog rada. Ove sile dovode do vibracija

cijelog mašinskog sistema. Vibracije mogu da potiču od:

a) neizbalansiranih rotirajućih elemenata,

b) nedozvoljenog uparivanja zupčanika,

c) nepravilno izvedenog uležištenja,

d) promjena u intenzitetu sile rezanja tokom obrade (npr. glodanje), itd.

Uticaj ovih vibracija na performanse mašine se smanjuje:

a) povećanjem krutosti strukture mašine i

b) poboljšanjem prigušnih svojstava.

2.4.1.3 Termičko opterećenje

Kod alatnih mašina postoji veći broj lokalnih toplotnih izvora koji povećavaju toplotni

gradijent unutar mašine. Neki od toplotnih izvora su:

a) električni motor,

b) trenje u mehaničkom pogonu i prenosnicima,

c) proces obrade,

d) temperatura okoline, itd.

Ovi toplotni izvori prouzrokuju lokalne deformacije, što za posljedicu ima značajno

pogoršanje performansi mašine. Da bi smanjili termičko opterećenje treba se generalno

pridržavati sledećih pravila:

a) pogon (motor i prenosnik) treba montirati na spoljnom dijelu mašine,

b) adekvatnim podmazivanjem otkloniti temperaturu nastalu usled trenja u ležajevima i

vođicama,

c) adekvatnim sredstvom za hlađenje i sistemom za otklanjanje strugotine otkloniti

temperaturu nastalu tokom obrade,

d) strukturu mašine izraditi u termo-simetričnom dizajnu, itd.


16

2.4.2. VOĐICE

Vođice se, kod alatnih mašina, koriste za:

a) upravljanje pravcem i smjerom kretanja suporta ili radnog stola za koja je alat ili

obradak pričvršćen,

b) apsorbciju svih statičkih i dinamičkih sila.

Oblik i veličina obratka zavisi od tačnosti pri kretanju te od geometrijske i kinematske

tačnosti vođica. Geometrijski odnos klizača (pokretnog dijela) i vođice (stacionarnog dijela)

sa osnovom mašine određuje geometrijsku tačnost mašine. Kinematska tačnost zavisi od

odstupanja od pravosti, ravnosti i paralelnosti vođica. Ova odstupanja dovode do mnoštva

pratećih grešaka kao što su greške u koraku, putanji, ili obrtaju što je teško izmjeriti i ispraviti.

Također, tokom dužeg rada mašine može doći do habanja vođica što smanjuje tačnost

vodećeg kretanja rezultujući tako grešku u kretanju i pozicioniranju.

Tokom obrade obradka, vrijednost translacionog kretanja (veličina pomjeranja) može biti

najmanje 20 mm/min, dok tokom operacija kretanja bez obrade kao što je na primjer

pozicioniranje (veličina pomjeranja) i do 50 m/min. Tokom izrade vođica treba obraditi

pažnju na sledeće:

tvrdoću,

sposobnost prigušenja,

geometrijsku i kinematsku tačnost,

brzinu klizanja,

karakteristike i otpornost trenja,

mogućnost podešavanja zazora,

zaštitu od strugotine, itd.

Ovi faktori variraju u zavisnosti od primjene vođica i prema tome izbor vođica i njihove

geometrije može biti od kritične važnosti u pojedinim slučajevima. Relativni položjaj

pogonskog mehanizma u odnosu na vodeće strane klizača je veoma važan. U idealnom

slučaju pogonski mehanizam bi trebalo da bude postavljen tako da otpor trenju i sila trenja u

vodećem sistemu budu konstantni.

Postoje dva tipa vođica

a) vođice sa trenjem, oblika: cilindrične, V-vođice (prizmatične vođice), ravne i vođice u

obliku lastinog repa (primjena kod konvencionalnih alatnih mašina,

b) vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem (LM) (primjena kod CNC alatnih

mašina)

2.4.2.1. Vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem

Ove vođice se koriste kod CNC alatnih mašina da bi :

a) smanjile habanje,

b) obezbjedile mirno kretanje,

c) smanjile trenje,

d) smanjile generisanje toplote


17

Antifrikcione vođice se također koriste da bi se prevazišao relativno visok koeficijent trenja

kod kontakta metal--metal. One koriste kotrljajuće elemente između pokretnih i nepokretnih

dijelova mašine i u odnosu na vođice sa trenjem obezbeđuju slijedeće prednosti:

a) mali otpor trenju,

b) jednostavnost montaže,

c) komercijalno se isporučuju u stanju spremnom za ugradnju,

d) sposobnost nošenja velikih opterećenja,

e) mogućnost predopterećenja sa većim silama, itd.

U poređenju sa vođicama sa trenjem glavni nedostatak ovih vođica je njihova mala

sposobnost prigušenja. Proizvođači mašina alatki koriste više konstrukcionih opcija za vođice

sa antifrikcionim linearnim kretanjem i to: recirkulacionom posteljicom, linearne ležajeve sa

kuglicama i valjcima kao recirkulacione vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem,

recirkulacione valjkaste ležajeve i poprečne valjkaste ležajeve. Iako rotirajući elementi

ležajeva imaju slabije karakteristike prigušenja od vođica sa trenjem zbog veće brzine traverse

vođice sa antifrikcionim linearnim kretanjem, se više koriste.

Recirkulaciona posteljica

Na slici 2.6. prikazana je konstrukcija sa recirkulacionom posteljicom. Proizvođači na tržištu

nude zaptivene i nezaptivene vođice, što je prikazano na slici 2.7. Najtačnija tolerancija

vratila za neke aplikacije iznosi 0.005 mm.

Slika 2.6. Detalj unutrašnje konstrukcije recirkulacione posteljice

Slika 2.7. Zatvoreni i otvoreni tipovi recirkulacione posteljice

2.4.2.2. Linearni ležajevi sa kuglicama i valjcima

Veliki broj CNC alatnih mašina uglavnom koriste valjke da bi obezbjedili kretanje

kotrljanjem. Valjci se kotrljaju preko vođica koje su izrađene na odlivku mašine. One veoma

efikasno obezbjeđuju mirno i lako kretanje, ali zahtevaju tačnost forme pri izradi na odlivku.

Površine koje su u kontaktu sa valjcima treba da budu kaljene.

Da bi smanjili problem izrade i tačnosti forme, na postolju mašine mogu da budu pričvršćene

okaljene čelične šine sa specijalizovanim oblikom za vođenje, a duž šina se pokreće po par

specijalnih blokova sa recirkulacionim kuglicama. Kuglice obezbeđuju kretanje kotrljanjem i


18

sve dok kontaktna forma šina odgovara formi kuglica postojaće kontakt po liniji između

kuglica i šina. Ovim postupkom je smanjen koeficijent trenja. Ove vođice zahtevaju izuzetno

preciznu izradu.

Različite forme linearnih vođica su prikazane na slici 2.8, dok je primjena i metode

montiranja ovih vođica objašnjena na slici 2.9.

Slika 2.8. Različite forme linearnih vođica

Korišćenje jedne šine Krišćenje dve šine pri čemu se LM blok kreće

Krišćenje dve šine pri čemu se LM šina kreće Korišćenje dve šine jedne naspram druge

Slika 2.9. Primjena i metode montiranja linearnih ležajeva

2.4.2.3. Ostale vođice

Pored konvencijalnih tipova vođica u upotrebi su kod CNC alatnih mašina i sledeći tipovi

vođica

a) hidrostatičke

b) aerostatičke vođice

Kod hidrostatičkih vođica površina klizača je odvojena od vođice veoma tankim filmom

fluida pod pritiskom većim od 300 bara. Uljni film se pri kretanju održava uz pomoć spoljnjeg

hidrauličnog agregata koji stvara odgovarajući pritisak. Pozitivan zazor između vođica je

kontrolisan i mali je, ili ne postoji u stacionarnom stanju kada mašina ili agregat ne rade, a

stvara se smo pod dejstvom pritiska ulja. Habanje trenjem su u potpunosti eliminisani. Uz

pomoć ovih vođica dobija se visok stepen dinamičke krutosti i prigušenja pa obje ove

karakteristike doprinose dobrim sposobnostima obrade. Upotreba ovih vođica ograničena je

visokom cijenom izrade i teškoćama pri sastavljanju.


19

Kod aerostatičkih vođica klizač je podignut na „jastuku“ koji se formira komprimovanjem

vazduha, čime se u potpunosti razdvajaju klizač i površina vođica. Osnovno ograničenje ovih

vođica je njihova slaba krutost što ograničava njihovo korištenje samo na pozicionu upotrebu

(mašina za koordinatno mjerenje).

Izbor vođica za pojedinu upotrebu u osnovi zavisi od zahtjeva nosivosti, prigušenja i brzine

traverse. Stoga se, zbog ispravnog i komecijalno opravdanog izbora vođica, navodi nekoliko

karakteristika koje vođenje treba da ispuni. Upoređivanje je vršeno za dvije vrste vođenja:

klizno i korljajno što se vidi iz tabele 2.1.

Tabela 2.1. Uporedne karakteristike vođenja

Osobine Klizno vođenje Kotrljajno vođenje

Prigušenje vibracija Dobro Loše

Tačnost vođenja Dobro Srednje

Opseg broja obrtaja Širok Srednji

Troškovi održavanja Veliki Srednji

Mogućnost hlađenja Velika Srednja

Pogonska sigurnost Slaba Visoka

Algoritam za izbor odgovarajućeg tipa linearnog ležaja sa kuglicama dat je u daljem tekstu.

Ovaj algoritma je dao jedan od velikih proizvođača linearnih ležajeva THK.


20


21

2.4.3. Pogoni za glavno kretanje alatnih mašina

Na slici 2.10. je data podjela elektro i hidrauličnih motora za ostvarivanje glavog kretanja

alatnih mašina.

Slika 2.10. Vrste motora za glavno kretanje alatnih mašinaa

Prednosti primjene elektromotra za glavno kretanje su: veći životni vijek, veći stepen

iskorištenja, smanjena proizvodnja toplote a prednosti primjene hidrauličnih motora su:

mogućnost brzog ubrzanja i niže efektivne težine.

Prednosti istosmjernih elektromotora su:

relativno dobra dinamika rada

konstantan rad,

nizak nivo buke,

širok opseg štelovanja broja obrtaja,

jednostavno upravljanje, itd,

Sinhroni motori se u odnosu na istosmjerne motore odlikuju sa višom dinamičnošću i mogu se

sa njima postići visoki brojevi obrataja. A osnovne karakteristike asihronih motora su:

održavanje velikih brojeva obrtaja i pod opterećenjem,

niska cijena,

jednostavna i kruta konstrukcija

izvedbeno zamišljen kao standardni glavni pogon, itd.

Ipak, pogoni modernih alatnih mašina sve češće se baziraju na direktnim pogonima

integriranim u strukturu mašine – motorvretena, slika 2.11. Osovina motorvretena je ujedno i

glavno vreteno alatne mašine u kojoj je integrirana vučna poluga sistema za prihvat alata,

slika 2.12.

Zahtjev za postizanjem visokih brzina obrade dovodi do niza projektnih rješenja vretena

mašina za obrade velikim brzinama. Tako da pogone viskobrzinskih vretena možemo svrstati

u dvije osnovne grupe:

a) vretena sa integriranim motorom tj. HS MOTORVRETENA i

b) visokobrzinski motori za pogon viskobrzinskih komponenata HS MOTORI


22

a) b)

Slika 2.11. Prikaz HSK sistema stezanja alat

Stalno je prisutna težnja za projektovanjem alatnih mašina sa sve većim brojem obrtaja reznog

alata ili radnog predmeta. Tu postoji niz ograničavajućih faktora koji definiraju mogućnosti

realnog porasta brzine obrtaja, te niz poremećaja sistema: mašina-alat-obradak, o kojima treba

voditi računa pri projektovanju sistema za glavno kretanje. Za potrebe visokobrzinske obrade

u posljednjih nekoliko godina najčešće se koriste glavna vretena sa integriranim motorom tzv.

motorvretena. Oni su toliko sada razvijeni, da sve više istiskuju konvencionalne pogonske

motore. Ovi motori nemaju klizne kontakte, pa osim ležajeva nema drugih dijelova koji su

izloženi mehaničkom trošenju. Nedostatak im je što integrirani motor stvara dodatnu toplotu u

vretenu. Već u samom razvoju motorvretena potrebno je definisati sve moguće opcije

(funkcije) za izbor projektnog riješenja te analizirati sve funkcije ograničenja i moguće

poremećaje sistema i procesa (slika 2.12.).

Slika 2.12. Funkcije pri razvoju visokobrzinskog motorvretena


23

U tabeli 2.2. su date varijante parcijalnih funkcija:

Tabela 2.2. Varijante mogućih rješenja parcijalnih funkcija

Naime, glavni zahtjevi motorvretena su visoka tačnost u radu, velik broj obrtaja, veća snaga,

visoka krutost, niska pogonska temperatura te visoka pouzdanost. Neki od ovih zahtjeva su u

suprotnosti jedni s drugima. Iz ovog razloga ne mogu svi biti istovremeno ispunjeni. Stoga je

važno da se kod razvoja motorvretena zahtjevi tačno razmatraju i vrednuju s obzirom na

potrebe i pogonske uslove. Uzimajući u obzir zahtjeve i karakteristike koje treba imati

obradni sistem, pri izboru visokobrzinskog motorvretena potrebno je između ostalog riješiti

slijedeće:

a) Izbor i predopterećenja ležajeva

Zavisno o zahtjevima, za visokobrzinska vretena alatnih mašina koriste se različiti tipovi

ležajeva: kotrljajući, hidrodinamički, hidrostatički, aerostatički i elektromagnetski ležajevi. Za

velike brzine primjenjene u savremenoj tehnologiji, danas se najčešće koriste visokoprecizni

kuglični ležajevi s kosim dodirom i sa keramičkim kuglicama. Naime, keramički ležaji u

metalnom kućištu (hibridni ležaji) se odlikuju manjom masom i većom krutošću. Za

visokobrzinsko glavno vreteno je bitna obodna brzina ležaja prednjeg uležištenja, koja može

iznositi i do 200 m/s. Prema najnovijim saznanjima sa kugličnim hibridnim ležajevima i sa

ugaonim kontaktom uz sistem minimalnog podmazivanja ubrizgavanjem ulja i zraka, moguće

je postići brzine opisane DN brojem i do 3 . 10

6 mm/min.

Sljedeći problem koji je potrebno definisati je predopterećenje (prednaprezanje) ležajeva.

Predopterećenje ležajeva postiže se na tri načina: ugradbenim tolerancijama, oprugama i

hidraulički. Ono se vrši nakon ugradnje, i služi za usklađivanje djelovanja aksijalnog

opterećenja na jedan ležaj prema aksijalnom opterećenju suprotnog smjera na drugi ležaj. Ovo

je važan faktor u postizanju veće krutosti ležajeva, a time i veće krutosti cijelog obradnog

sistema. Pri definisanju veličine predopterećenja potrebno je uzeti u razmatranje i porast radne

temperature. Veličina prednaprezanja je jako važna, jer se u slučaju slabog prednaprezanja ne

postiže dobra krutost vreteništa, a u slučaju prevelikog prednaprezanja ne može se postići


24

veliki broj obrtaja vretena. Zapravo, veličina predopterećenja treba biti tolika, da se pod

djelovanjem sila rezanja ne pojavi zračnost u ležajevima. Pojava zračnosti u uležištenju

glavnog vretena uzrokovala bi smanjenje krutosti i oscilacije, što bi smanjilo tačnost obrade,

povećalo trošenje rezne oštrice alata i pogoršalo hrapavost obrađene površine. Mnogobrojnim

eksperimentima je potvrđeno da krutost sistema raste sa inicijalnim predopterećenjem

prednjeg uležištenja uz prikladno hlađenje i podmazivanje.

b) Regulacija brzine obrtaja

Da bi se ostvarili optimalni režimi obrade tj. kontinuirana promjena brzine obrtaja uz što veći

obrtni moment za savladavanje sila rezanja a uz stalnu snagu, vrlo je važan sistem regulacije

broja obrtaja. Regulacijski uređaj sastoji se od programabilnog i regulacijskog modula.

Programabilni modul, odnosno mikroprocesor služi za regulaciju parametara kao što su:

vrijeme ubrzavanja,

snaga,

broj obrtaja,

granični broj obrtaja,

zaštita od predgrijavanja,

zaštita od predopterećenja.

U novije vrijeme, razvojem elektronike, se najviše koriste sistemi regulisanja učestalosti

obrtaja promjenom frekvencije i napona napajanja. Regulacijski modul vrši regulaciju

frekvencije i napona zbog održavanja povoljnih mehaničkih karakteristika visokobrzinskog

motorvretena. Digitalni signal iz regulacijskog uređaja šalje se u motor. Postoji još i povratna

veza iz motora u regulacijski uređaj koja šalje podatke o temperaturi, frekvenciji obrtaja i o

uglu zakretanja.

c) Uravnoteženje glavnog vretena i alata

Jedan od važnijih zahtjeva tj problema pri primjeni visokobrzinskih obrada je pitanje

uravnoteženja glavnog vretena i alata. Neuravnoteženost sistema može dovesti do velikog

trošenja alata, smanjenje tačnosti dimenzija i oblika, te lošije obrađene površine, pa čak u

ekstremnom slučaju i do zakazivanja vretena. Radi ublažavanja navedenih posljedica treba

uravnoteženjem poboljšati raspodjelu masa vretena i alata. Ostvarivanje ovog cilja je

ograničeno tehničkim i ekonomskim zahtjevima, pa je potrebno utvrditi visinu

neuravnoteženosti. Ovaj problem je velika prepreka kod industrijskog korištenja

visokobrzinske obrade. Tim više, što problemi vibracije radi zaostalih neuravnoteženosti

nastupaju tek u primjeni kod korisnika, a uzroci mogu biti kako vreteno, tako i sistem stezanja

alata.

Pri izboru pojedinih funkcija pogonskog sistama potrebno je voditi računa i o interakciji

pojedinih funkcija kao npr: pogonski motor–zagrijavanje–uležištenje-prihvat alata itd.

d) podmazivanje i hlađenje motor vretena

Iako je trenje u kotrljajaćim ležajevima relativno maleno, ležajevi se moraju podmazivati.

Najčešći sistem podmazivanja motorvretena je pomoću specijalnih agregata za ubrizgavanje

smjese ulje-zrak. Ulje se impulsno ubrizgava u veoma malim količinama sa komprimiranim

zrakom i tako se stvara uljna magla kojom se podmazuju ležajevi. Prednost ovog sistema

podmazivanja je da protok zraka pomaže odstranjivanju nečistoća sa vretena.


25

Pošto je motorvreteno glavni izvor toplote a rezni alat je u direktnom kontaktu sa vretenom

potrebno je intenzivno hlađenje, i temperatura motorvretena mora biti kontrolisana. Hlađenje

se može vršiti zrakom, uljem, ali najčešće se koristi hlađenje vodom.

2.4.4. Pogoni za pomoćno kretanje alatnih mašina

Kod alatnih mašina sljedeći pogoni posmičnih sistema se primjenjuju:

a) Hidraulički CNC pogoni

b) Sistemi sa servo motorima i

c) Sistemi sa linearnim motorima

Zapravo, da bi se mogao iskoristiti posebno potencijal visokobrzinske obrade potrebna su i

adekvatna rješenja sistema za pomoćna kretanja koja trebaju ostvariti:

visoke posmične brzine,

visoka ubrzanja,

visoke dinamičke tačnosti putanje alata.

Danas se kod savremenih obradnih sistema za visokobrzinske obrade koristi direktan pogon

pomoćnog kretanja koji je zasnovan na primjeni linearnih motora (slika 2.13.), koji, uvećava

brzinu i ubrzanje, povećava tačnost pozicioniranja i ponavljanja, povećava pouzdanost, (kod

ovih motora nema mehaničkih prijenosnih elemenata, osim vodilica, pa nema ni mehaničkog

trošenja) i znatno poboljšava odnos maksimalne sile i otpora trenja. Direktni pogon se

najčešće integrira u konstrukciju posmičnih osi, dok se za vođenje upotrebljavaju profilirane

vodilice. Današnji inovacijski skok mašina sa linearnim direktnim pogonom omogućuje

dosljednu primjenu visokobrzinske tehnologije glodanjem sa brzinama posmaka i do 150

m/min, a ubrzanja do 40 m/s2 i preciznost pozicioniranja od 1 μm. Kretanje se ostvaruje preko

nošenja magnetskim poljem tako da nema direktnog kontakta, između kliznih površina. U

vezi sa visokom rezolucijom mjernog sistema, linearni motorni pogon dozvoljava vrlo visoku

kvalitetu sinhronizacije koja se treba ostvariti. Devijacija brzine je ispod 1% u cijelom

području kretanja.

Slika 2.13. Linearni pogoni za posmična kretanja


26

Za posmična kretanja kod alatnih mašina se koriste Torque notori. Torque ili jednostavno

rečeno moment obrtaja; to je nova ciljna veličina inovativne gradnje modernih komponenata

alatnih mašina.

Linearni pogonski motori već su pokazali sve svoje prednosti u visokobrzinskim i

visokodinamičnim alatnim mašinama. Oni vode vrlo “uspježnu kampanju” protiv mehanički

pogonjenih komponenata alatnih mašina. Potporu im pružaju brzi i sposobni računarski

sistemi sa vrlo preciznim regulacijskim krugovima. “Torgue” motori nastali su namotanjem

linarnih motora na kružni vijenac. Na ovaj način dobiven je dinamičan sinhroni motor za

zahtjevna dinamička rotaciona kretanja.

Na bazi “Torque” pogona moguć je razvoj, projektovanje i izrada visokodinamičkih

komponenata alatnih mašina kao što su zakretni stolovi, rotacione glave, zakretači paleta

neslućene dinamike. Ovi pogoni bez zračnosti, bez trošenja zupčanika i pužnih prijenosa

omogućuju ponudu visokodinamičnih komponenata nove generacije, produženog vijeka

trajanja i niskog nivoa simetričnog zagrijavanja.

Komponente se izvode sa davačima koji osiguravaju upotrebu SIEMENS, INDRAMAT, itd.

regulatora i CNC upravljanja.


27

2.4.5. Upravljanje i regulacija pogonskih sistema

Na slici 2.14. su prikazani osnovni koncepti numerički upravljanih osa.

a)

b)

Slika 2.14. Numeričko upravljana osa_koncept

Na slici 2.15 je prikazana struktura konvencionalnog pristupa NC pogona sa jednom osom.

Slika 2.15. Konvencionalni pristup NC pogona jedne ose

2.4.5.1. Direktno numeričko upravljanje (DNC)

.

Alatne mašine je moguće upravljati pojedinačno, grupno i kao dijelom integralnog

proizvodnog sistema. Potreba za istovremenim upravljanjem više mašina dovela je do razvoja

DNC sistema upravljanja. DNC mora zadovoljiti slijedeće funkcije:

a) osnovne funkcije (upravljanje NC programima tj. čitanje programa, spremanje u memoriju,

izvođenje i brisanje programa, itd.)

b) dodatne funkcije:

Upravljački

računar

Kontroler AC servo

pogona (regulacija brzine) AC servo

motor


28

editiranje NC programa,

unošenje NC programa,

spremanje i obrada proizvodnih podataka,

upravljanje tokom materijala,

upravljanje proizvodnjom, itd.

Prednosti DNC u odnosu na konvencionalno NC upravljanje su:

povećana produktivnost (brža obrada i dostupnost informacija, smanjenje papirologije,

itd.)

prjenos velikog broja podataka (veliki memorijski kapacitet),

stalni nadzor stanja: proizvodnje, mašine, alata, naprave, itd.

Načini povezivanje NC/CNC alatnih mašina pomoću DNC sistema upravljanja zavisi o

financijskim mogućnostima kao i zahtjevima koje stavljamo pred DNC sisteme. Postoje

sljedeće varijante povezivanja alatnih mašina:

a) Povezivanje do 8 mašina u slučaju malih (max.20m) udaljenosti između mašina i

računara uz minimalne instalacijske i hardverske

troškove putem serijske veze RS-232 (serijska kartica 8

portova), slika 2.16.

Slika 2.16. DNC sistem sa osam mašina

b) Povezivanje NC/CNC alatnih mašina. putem instalisane mreže pri čemu serijski

portovi (Comserver) omogućavaju

povezivanje mreže i mašina putem

RS-232 veze, slika 2.17.

Slika 2.17. Povezivanje NC(CNC alatnih mašina. putem instalisane mreže


29

c) Bežično povezivanja NC/CNC alatnih mašina, slika 2.18.

Slika 2.18. Bežično povezivanje CNC alatnih mašina

2.4.5.2. Sistemi adaptivnog upravljanja

Analizirajući obradni proces na temelju klasičnog NC upravljanja evidentna je neosjetljivost

obradnog sistema na poremećajne uticaje koje prate svaki proces obrade. Ovo proizlazi iz

koncepta NC sistema koje nema funkciju izmjene parametara ovisno o uvjetima obrade kao

vremenske funkcije, tj. unaprijed programom definisane vrijednosti parametara ostaju na

istom nivou neovisno o vremenu i poremećajnim karakteristikama obrade. Klasično NC nije

dopuštalo prilagođavanje (adaptiranje) trenutnim uvjetima obrade što je dovelo do stvaranja

adaptivnih sistema koji imaju funkciju povratne veze. Zapravo, ograničene mogućnosti

numeričkog upravljanja u smislu fleksibilnosti i optimizacije obradnog procesa dovele su do

razvoja novog koncepta upravljanja nazvanog ADAPTIVNO UPRAVLJANJE (AC).

Adaptivno upravljani proces za podlogu ima NC sistem proširen (senzori) dodatnim

modifikacijama koje omogućavaju varijaciju režima rezanja u toku obrade a u cilju postizanja

unaprijed definisanih kriterija ovisno o korištenom adaptivnom sistemu, slika 2.19.

Prema zadatku i načinu djelovanja, upravljani sistemi se mogu uvjetno podijeliti u dvije

grupe:

1) Tehnološki sistem

Adaptivno granično upravljanje (ACC – Adaptive Control Constraint)

Adaptivno optimalno upravljanje (ACO – Adaptive Contro Optimization)

2) Geometrijski sistem

Adaptivno geometrijsko upravljanje (ACG – Adaptive Control Geometry)

Adaptivno upravljani sistemi omogućuju registriranje veličine uticajnih faktora, čime se

osigurava mogućnost prilagođavanja elemenata režima obrade, npr. broj obrtaja, posmak,

dubina rezanja, itd., kompenzirajući djelovanje uticajnih parametara radi smanjenja

proizvodnih troškova ili povećanja kvaliteta obrade, itd.. Uticajni parametri mogu biti:


30

odstupanje čvrstoće obratka od predviđenog, razne pukotine u pripremku, promjena tvrdoće

alata, netačnost uglova alata, oscilacije mašine, itd. Izgradnja sistema AC je veoma složen

zadatak jer obuhvata veliki broj parametara i ograničenja (slika 2.20) za što su potrebni

pouzdani regulatori, senzori, itd. Krajnji cilj AC je postizanje viših tehnoekonomskih efekata i

postoje dva osnovna koncepta:

a) deterministički i

b) stohastički

Slika 2.19. Sistem adaptivnog upravljanja

Slika 2.20. Uticajni faktori na sistem adaptivnog upravljanja

a) Adaptivno granično upravljanje (ACC)

ACC ima zadatak da ostvari maksimalno moguće elemente režima rezanja i njihovo

održavanje, a da pri tome ne dođe do prekoračenja graničnih vrijednosti koje se odnose na

alatnu mašinu i proces rezanja. Proces upravljanja se sastoji u snimanju stvarnog stanja

procesa rezanja i automatskog mijenjanja upravljačkih veličina, sve dok se stvarna vrijednost

ne izjednači sa traženom vrijednošću. Praćenje stanja opterećenosti može biti izvedeno preko

CNC alatna

mašina i

proces


31

više mjernih veličina. Mjerene veličine mogu biti: sila rezanja, obrtni moment, snaga, itd.

Tražene granične veličine zadaje tehnolog, ovisno o mašini i obradnom procesu. Kao

upravljane veličine za regulisanje opterećenja mogu biti: posmak, dubina rezanja, broj obrtaja,

itd. Na slici 2.21. je prikazan osnovni koncept ovog sistema kod obrade struganjem.

Slika 2.21. Osnovni koncept ACC kod obrade struganjem

Za granično adaptivno upravljanje je bitno poznavanje ovisnosti između mjernih i

upravljačkih veličina, koja su najčešće komplicirana i često se ne mogu izraziti eksplicitnom

jednadžinom nego je potrebito provesti eksperimentalna istraživanja. Granično adaptivno

upravljanje može izvršiti slijedeće zadatke:

upravljanje procesom prema zadanoj graničnoj vrijednosti,

izvođenje praznog hoda brzim posmakom,

zaštita od preopterećenja,

automatska promjena dubine rezanja u toku obrade.

Prednost ovog načina adaptivnog upravljanja je u smanjenju troškova putem smanjenja

glavnog, pomoćnog i pripremnog vremena uz maksimalnu zaštitu mašine.

b) Adaptivno optimalno upravljanje (ACO)

ACO ima za cilj odvijanje procesa obrade u uvjetima koji odgovaraju optimalnoj radnoj tački

ili krivoj, određenoj prema ekonomskim i/ili tehničkim kriterijima. Kriteriji mogu biti:

minimalni troškovi obrade ili

maksimalna proizvodnost.

Zadatak optimalnog adaptivnog upravljanja se sastoji u izboru vrijednosti brzine rezanja,

posmaka, dubine rezanja s ciljem postizanja željenog optimuma za navedena ograničenja

(snaga,moment), tj. da se proces odvija u prostoru optimalnih rješenja, slika 2.22. Kako bi se

dobila samo realna rješenja potrebno je uvesti ograničenja vezana za:

Mašinu (krutost,snaga,moment)

Alat (vijek trajanja, VB)

Obradak (hrapavost, obradivost).


32

Slika 2.22. Primjer određivanja optimalnih upravljačkih veličina

d) Adaptivno geometrijsko upravljanje (ACG)

ACG ima za cilj ostvariti visoku tačnost dimenzija i oblika obratka. Sistem sa geometrijskim

adaptivnim upravljanjem ima jedan ili više mjernih sistema za mjerenje karakterističnih

veličina, koje direktno ili indirektno utiču na tačnost dimenzija i oblika. Preko regulacionog

uređaja se koriguje relativni položaj između obratka i alata ili se utiče na elemente režima

rezanja kako ne bi došlo do prekoračenja tolerancije dimenzija i oblika. Na slici 2.23. je

prikazan princip ACG pri mjerenju dimenzija u procesu rezanja.

Slika 2.23. Princip ACG pri mjerenju dimenzija u procesu rezanja

2.4.6. Mjerni sistemi glavnih pogona Na glavnom pogonu CNC alatnih mašina se mogu montirati jedan od sljedeća dva mjerna

sistema:

digitalni-direktni-apsolutni mjerni sistem (HEIDEIHMAN) i

digitalni-indirektni-inkrementalni mjerni sistem – (BALLUF).


33

Na slici 2.24 je prikazan princip montaže mjernih sistema za kontrolu obrtnog i pravolinijskog

kretanja alata odnosno obradka. Osnovna razlika kod primjene linearnih mjernih sistema i

rotacijskih mjernih sistema (enkodera) što linerani mjerni sistemi u povratnu petlju uključuju i

posmični pogon.

a) b)

Slika 2.24. Princip montaže mjernih sistema (enkodera)

2.4.6.1. ENKODERI

Enkoderi su mjerni pretvarači ugaonog ili linearnog pomjeraja. Mogu biti

a) inkrementalni enkoderi i

b) apsolutni enkoderi

Kod CNC alatnih mašina najčešće se koriste ugaoni enkoderi. Postoje slijedeće konstrukcione

izvedbe:

a) Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, šupljim vratilom i integriranom statorskom

spojnicom;

b) Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, za zasebne spojnice vratila;

c) Ugaoni enkoderi bez integralnog ležaja

Primjeri upotrebe ugaonih enkodera su:

radni stolovi alatnih mašina,

okretne (kružne-rotacione) glave alatnih mašina,

C-ose na nosačima alata,

mjerne mašine sa zupčanicima,

spektrometri,

teleskopi, itd.

a) Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, šupljim vratilom i integriranom statorskom

spojnicom

Karakteristike i prednosti su:

Kompaktna izvedba i vrlo mali prostor potreban za ugradnju,

pogodni i za dinamička opterećenja,

Šuplja vratila do 100 mm za provođenja vodova napajanja,

Jednostavna montaža

segmentna rješenja, itd.


34

b) Ugaoni enkoderi sa integralnim ležajem, za zasebne spojnice vratila

Namjena i osnovne karakteristike su:

pogodne za veće brojeve obrtaja glavnog vretena,

veće tolerancije ugradnje,

aksijalne tolerancije i do ±1mm, itd.

c) Ugaoni enkoderi bez integralnog ležaja

Namjena i osnovne karakteristike su:

veliki prečnici šupljeg vratila (do 10 m),

veliki broj obrtaja (do 20.000 min-1

),

bez dodatnog početnog obrtnog momenta na vratilu,

segmentna rješenja, itd

2.4.6.2. Mjerne glave za CNC alatne mašine

Za kvalitetniji rad i veću iskoristivost CNC alatnih mašina neophodna je i oprema za brzo i

precizno mjerenje dimenzija reznih alata (prednamještanje reznih alata van prostora alatne

mašine) kao i kontrolu izradaka. Potreba za brzim i preciznim mjerenjem alata i izradaka je

sve više prisutna u priovodnom mašinstvu zbog povećanja kvaliteata, konkurentnosti,

automatiziranje procesa obrade, itd. Princip rada mjernih glava može se objasniti u slijedeća

četiri koraka:

Mjerne glave koriste se za mjerenje komplikonane geometrije izradaka, kontrolu izradaka na

samoj mašini uz automatsko podešavaje odstupanja te mjerenje položaja i dimenzija reznih

alata kao i ofseta pripremaka. Tako da upotrebom mjernih glava smajujemo pripremno

vrijeme obrade kao skupe zastoje alatne mašine uz smanjenje škarta (zbog ručnog

podešavanja), itd. Na slici 2.25. je prikazana prednost upotrebe mjernih glava za podešavanja

i kontrolu uobičajne proizvodnje različitih mašinskih elemenata.

a) ručno podešavanje b) Podešavanje pomoću MJERNIH GLAVA

Slika 2.25. Prednost upotrebe mjernih glava

dr.sci. Ahmet Čekić CNC ALATNE MAŠINE

35

2.4.7. NADZOR I DIJAGNOSTIKA CNC ALATNIH MAŠINA

I OBRADNIH SISTEMA

Da bi alatna mašina ili obradni sistem mogao raditi funkcionalno (sa što manje zastoja) potrebno je

nadzirati:

a) proces,

b) alat i

c) mašinu ili obradni sistem,

Za dijagnosticiranje pogrešaka procesa potrebna je ugradnja različitih senzora i instrumenata:

senzori sile

senzori dodira

mjerači vibracija

mjerači jačine zvuka

razni elektronički instrumenti, itd.

Na slici 2.26 su prikazani najvažniji parametri nadzora procesa odvajanjem čestica (strugotine), u

tabeli 2.1 sistemi nadzora reznog alata i na slici 2.27 jedan od načina nadzora procesa.

Slika 2.26. Nadzor procesa


36

Tabela 2.1. Sistemi nadzorareznog alata

SISTEM NADZORA REZNOG ALATA

Mjerenje za vrijeme glavnog vremena obrade

Mjerenje izvan glavnog vremena obrade

Vrsta smetnje Nadzor strujom motora

Kontrola izdržljivosti

Nadzor alata mjerenjem sile

Zakretno ticalo

Optičko mjerenje

Posebno optičko mjerenje

Istrošenje (normalno)

Privremeno istrošenje

Podrhtavanje

Naljepak

Potpuni lom

Pogrešan alat

Pogrešne izmjere (dužina, prećnika)

Pogrešni rezni podaci

Legenda: prikladan, uvjetno prikladan, dograđivan, uvjetno dograđivan

Slika 2.27. Nadzor procesa


37

2.4.8. UVJETI ZA KONKURENTNIJI NAČIN PROIZVODNJE

Veoma je važno pratiti stanje vlastitih kapaciteta proizvodnje s obzirom na njihovo iskorištenje,

kvalitet proizvoda te njihov uticaj i prikladnost na rastuće zahtjeve savremenog tržišta. Konkurentna

sposobnost i mogućnost ostvarivanja profita glavni je zadatak svake proizvodnje, koju treba

dinamički pratiti i prilagoĎavati zahtjevima potražnje. Zapravo, savremena tehnologija utiče na

razvoj alatnih mašina i obradnih sistema kroz implementaciju slijedećih komponenti:

kontrola temperature glavnog vretena,

automatska kompenzacija istrošenja alata,

unos korekcije za alate,

nadzor nad istrošenjem i lomom alata,

automatska izmjena alata, obradaka i pribora,

automatsko stezanje obratka u radnom prostoru mašine,

automatski transport alata, obradaka i pribora,

čišćenje i odvod odvojenih čestica,

pranje, sušenje i hlaĎenje obradaka,

optimiranje režima obrade,

simulacija tehnološkog procesa,

povećanje snage i učestalosti obrtaja glavnog vretena (novi rezni alati i visokobrzinska

obrada),

preventivno održavanje, samoodržavanje uz dijagnosticiranje i signalizaciju s jasnim

tekstom opisa smetnji,

kontrola glavnog, te pomoćnog kretanja numerički upravljanih osa pomoću računarske

obrade podataka, itd.

Rezultat razvoja alatnih mašina je implementacija i fleksibilnih obradnih sistema koji

predstavljaju grupu numerički upravljanih alatnih mašina (obradnih modula) ili obradnih centara, sa

ureĎajem za pranje, sušenje i hlaĎenje, mjernim ureĎajima, spremištem alata i obradaka (palete),

stanicom za ulaganje i odlaganje te upravljačkim sistemom, povezanih zajedničkim transportnim

sistemom obradaka.

Inače, priprema numerički upravljanih alatnih mašina i obradnih sistema sastoji se od projektovanja

tehnologije, programiranja, prednamještanje alata, izbora steznih i kontrolnih naprava, itd. kako bi

pomoćna vremena bila smanjena na najmanju moguću mjeru, te izbora alata i tehnologije rezanja

koja će značajno smanjiti glavno vrijeme obrade.

2.4.8.1. UREĐAJI ZA PREDNAMJEŠTANJE REZNIH ALATA

Prednamjestiti rezni alat znači unaprijed, tj. prije obrade izmjeriti odgovarajuće dimenzije oštrice

reznog alata ili namjestiti oštricu reznog alata na potrebne mjere, kako bi korišten u obradi na

alatnoj mašini osigurao uspješan i siguran rad, slika 2.28. UreĎaj za prednamještanje reznih alata je

jeftiniji od alatne mašine.

Osnovni držač reznog alata se sastoji od:

dijela za ulaganje, namještanje i stezanje reznog dijela alata,

dijela za kodiranje, koji nosi informacije o alatu, ili IC-chip u koji se unose podaci o reznom

alatu i parametrima prednamještanja,


38

prihvatnog dijela (SK, HSK, DIN, itd.) za ulaganje u glavno vreteno, ureĎaj za

prednamještanje ili spremišta alata,

dijela za stezanje i prijenos obrtnog momenta,

otvora za dovod SHIP-a na rezno mjesto, itd.

Slika 2.28. Kalibracija osnovnog držača alata

Novi ureĎaji za prednamještanje imaju mogućnost očitanja, printanja izmjerenih vrijednosti

parametara alata (prečnik, dužina, itd), te mogu imati direktnu vezu s upravljačkom jedinicom

alatne mašine, kojoj prenosi podatke o alatu i prednamještenim veličinama. UreĎaj za

prednamještanje može biti on-line, povezan s upravljačkom jedinicom CNC alatne mašine,

obradnog modula ili sistema, te poslužiti radi utvrĎivanja veličine istrošenja rezne oštrice alata, u

ciklusu automatske odluke o nastavku rada alata ili o njegovoj zamjeni.

UreĎaj za prednamještanje reznih alata je obično optički s ručnim ili automatskim upravljanjem.

Kod automatskog upravljanja u zaslonu su koordinatno ugraĎeni vodiči, koji reagiraju na sjenu

konture oštrice alata. UreĎaj za prednamještanje obično se nalazi u alatnici ili pokraj mašine, ovisno

o tome koliko mašina poslužuje jedan ureĎaj.

UreĎaji za prednamještanje reznih alata s obzirom na namjenu, mogu biti:

a) specijalni

b) univerzalni.

Specijalni ureĎaji za prednamještanje obično dolaze uz mašinu i dijele se na:

a) ureĎaje za prednamještanje alata za obradu otvora i glodanja (prednamještanje prečnika i

dužine) i

b) ureĎaji za prednamještanje alata za struganje (prednamještanje položaja oštrice ili oštrica alata

u ravni, s obzirom na držač reznog alata ili na položaj postavljenja).

Mjerenje na napravama i ureĎajima za prednamještanje (slika 2.29) može biti pomoću:

a) šablona za prednamještanje

b) mikrometra

c) komparatora

d) optike

e) elektronskih mjernih ureĎaja, itd.


39

Slika 2.29. Prednamještanje reznih alata

Kvalitetan rad CNC mašine, posebno obradnih centara i fleksibilnih obradnih sistema, zahtjeva

prednamještanje reznih alata van alatne mašine. To je bilo, a još uvijek i jest opravdano obzirom na

povećanje iskoristivosti alatne mašine, a i ekonomski, jer je cijena radnog sata na ureĎaju za

prednamještanje reznog alata znatno niža od cijene sata rada alatne mašine za koji se

prednamještanje obavlja.

Danas je moguće prednamještanje reznog alata izvršiti u radnom prostoru same alatne mašine, slika

2.30. Rezni alat uložen u glavno vreteno alatne mašine privodi se čvrstom mjernom ticalu kojim se

utvrĎuje referentna geometrija alata i prenosi u upravljačku jedinicu same mašine. TakoĎer, u

odreĎenim okolnostima je potrebno unutar obradnog prostora alatne mašine, pomoću mjernog

ticala, izmjeriti odreĎene karakteristične mjere obratka. Za mjerenje obratka, poziva se iz spremišta

alata mjerno ticalo (npr. Renishaw) i postavi se u glavno vreteno alatne mašine, i na taj način se

izvrši mjerenje odreĎenih polaznih baza obratka ili/i alata.

Slika 2.30. Prednamještanje reznih alata ili/i obradaka u radnom prostoru mašine


40

2.4.8.2. AUTOMATSKA IZMJENA REZNIH ALATA

CNC alatne mašine, obradni centri i fleksibilni obradni sistemi opremljeni su spremištem alata i

manipulatorom za automatsku izmjenu alata. Automatskom izmjenom alata postiže se:

koncentracija operacija, koje se mogu obaviti u jednom stezanju obratka,

skraćenje pomoćnog vremena obrade,

automatizovani rad alatne mašine,

fleksibilnost alatne mašine, itd.

Automatska izmjena alata odnosi se na izmjenu pojedinačnih reznih alata u glavnom vretenu alatne

mašine, slika . Osnovne pretpostavke za implementaciju automatske izmjene alata (razvoj

podsklopova i elemenata) na alatnoj mašini su:

adekvatni držači alata,

kodiranje alata,

prednamještanje alata,

adekvatni prihvat za polugu izmjenjivača alata,

adekvatno stezanje držača alata u glavno vreteno alatne mašine i u ureĎaju za

prednamještanje,

manipulator za izmjenu alata,

spremnik alata i pomoćno spremište alata,

automatsko stezanje držača alata u glavnom vretenu,

detekcija loma i istrošenja rezne oštrice alata,

numeričko upravljanje alatnom mašinom, itd.

Koliko se operacija obrade može obaviti na CNC alatnoj mašini ili obradnom centru ovisi o veličini

spremišta alata. Posebno, obradni centar može imati nekoliko

glavnih spremišta alata, kao i pomoćno spremište alata.

Pomoćno spremište alata sadrži alate za proširivanje broja

operacija ili duplikate alata, zbog automatske zamjene

korištenog ili istrošenog alata u glavnom spremištu alata. Do

zamjene alata u glavnom spremištu alata dolazi:

a) kada se želi povećati broj različitih operacija obrade,

pa se skine rezni alat koji je završio svoju funkciju i na

njegovo mjesto ubacuje novi rezni alat za slijedeće

operacije,

b) kada se istroši rezna oštrica nekog alata, pa ga treba

zamijeniti novim.

Slika 2.31. Automatska izmjena reznih alata


41

2.4.8.3. AUTOMATSKA IZMJENA OBRADAKA

Automatska izmjena obradaka, omogućuje skraćenje pomoćnog vremena i autonomnost procesa, tj.

rad bez operatera u višesmjenskom radu. Ovim se povećava iskorištenje CNC alatnih mašina.

Automatska izmjena obradaka izvodi se najčešće:

pomoću robota ili manipulatora za simetrično okrugle obratke,

pomoću paleta za prizmatične obratke,

automatskim voĎenjem šipkastog materijala kod CNC strugova.

U tabeli 2.2. su dati načini izmjene obradaka na CNC alatnim mašinama sa kriterijima primjene.

Tabela 2.2. Načini izmjene obradaka

Red.

br.

Način izmjene

obratka Primjer

Kriterij primjene:

1 Kretanje stola

- mali stolovi

- bez automatskog

povezivanja

2 Kretanje stuba

- veliki stolovi

- teški obratci

- bez automatskog

povezivanja

3 Izmjena palete

- za uklapanje u

automatski

transportni sistem

4 Paletno

skladište

- korištenje mašine u

više smjena

5 Izmjena obratka

robotom

- automatsko ulaganje

okruglih obradaka

- ograničenje obzirom

na jednake dijelove

6 Automatsko

voĎenje šipke

- dijelovi koji se

obraĎuju iz šipke

(struganje)


42

2.4.9. UPRAVLJAČKA JEDINICA CNC ALATNE MAŠINE

Upravljačka jedinica CNC alatne mašine (slika 2.32) sastoji se od monokromatskog ekrana

(monitora), alfanumeričke tastature, funkcijskih tipki, tipki za regulisanje posmaka, broja obrtaja,

programskih tipki za definisanje alata, mašinskih konstanti, itd.

Slika 2.32. Upravljačka jedinica (HAAS)

Pored ovog upravljačka jedinica posjeduje i dodatne cikluse (tabela 2.3) koji značajno

pojednostavljuju programiranje kao i upotrebu grafičke simulacije kod verifikacije programa

(moguće kolizije).

Tabela 2.3. Definisani ciklusi na CNC alatnim mašinama

Opis ciklusa Skica Opis ciklusa Skica

Ciklus za mjerenje

alata

Ciklus za predobradu i

završnu obradu

Ciklus za bušenje

Ciklus za navoje


43

2.4.10. OSTALI VAŽNIJI SKLOPOVI CNC ALATNIH MAŠINA

Važniji dijelovi CNC alatnih mašina (slika 2.33) na koje treba obratiti pažnju su i slijedeći:

a) Hidraulični agregat (ima funkcije stezanja i otpuštanja izratka, blokiranje jahača, pomaka

pinole, impulsno podmazivanje kliznih staza, itd.),

b) Transporter strugotine (služi za odvoĎenje strugotine iz zone obrade do kontejnera kao i

spremnik rashladne tekućine koja se preko magnetnog filtra ponovno uvodi u proces

obrade),

c) Elektro ormar (nalazi se najčešće iza mašine a u ormaru su smješteni: dijagnostika, releji,

elektrosklopovi, itd.).

Slika 2.33. Važniji dijelovi CNC alatnih mašina


44

3. KONCEPCIJSKE VARIJANTE CNC ALATNIH MAŠINA Vrste i varijante CNC alatnih mašina su brojne (glodalice i obradni centri, strugovi i strugarski

centri, bušilice, rezanje laserom, itd.). Najznačajniji pozitivni efekti primjene CNC alatnih mašina

su:

a) visok stepen fleksibilnosti (nezavisno od tipa proizvodnje),

b) mogućnost izrade dijelova vrlo složenog oblika.

c) visok stepen tačnosti i kvaliteta proizvoda

d) uticaj ljudskog faktora u proizvodnji sveden na minimum

e) zastoji u proizvodnji i škart svedeni na minimum

f) manji troškovi skladištenja

g) upotreba novih standardnih reznih alata

Najkarakterističnija podjela CNC alatnih mašina je prema broju numeričko upravljanih (NU) osa

(slika 3.1.). Dijele se na CNC alatne mašine sa:

a) Dvije ose

b) Tri ose

c) Četiri ose

d) Pet osa i

e) Šest osa.

3-osni obradni centar 4-osni obradni centar 5-osni obradni centar

Slika 3.1. Vrste CNC alatnih mašina prema broju NU osa

3.1. VIŠEOPERACIJSKE CNC ALATNE MAŠINE Višeoperacijske alatne mašine su visokoautomatizovane numerički upravljane alatne mašine na

kojima se u automatskom ciklusu rada, koji obuhvata izbor i izmjenu alata u zoni glavno vreteno -

spremnik alata, automatsko pozicioniranje obratka i alata, te stalna kontrola broja obrtaja, posmaka i

pomoćnih funkcija, obraĎuje obradak u jednom stezanju bez prekida automatskog rada nizom

različitih metoda obrade. Osnovne prednosti višeoperacijskih numerički upravljanih obradnih

mašina su povišena ekonomičnost i fleksibilnost, što se odražava kroz:

znatno smanjenje ciklusa proizvodnje,

znatno smanjenje pomoćnog vremena,

smanjenje glavnog vremena obrade, posebno primjenom visokobrzinskih obrada,

znatno smanjenje radne površine i broja operatera i

znatno povećanu tehnološku, kapacitivnu i prostornu prilagodljivost, itd.

Višeoperacijske numerički upravljane alatne mašine mogu se podijeliti prema obliku obratka, koji

se na njima mogu obraĎivati na:


45

obradne centre - za obradu prizmatičnih obradaka: glodanjem, bušenjem, struganjem i

brušenjem,

strugarske centre - za obradu osnosimetričnih obradaka: struganjem, bušenjem, glodanjem i

brušenjem

brusne centre - za brušenje složenih brusnih površina.

3.2. CNC STRUGOVI

Ovisno o načinu stezanja obradaka na strugovima se mogu obraĎivati rotacijski i dijelovi koji nisu

simetrični (koljenasto vratilo). Glavno kretanje (kružno) ostvaruje obradak stegnut u steznu glavu a

u slučajevima pogonjenih alata glavno kretanje je kružno kretanje reznog alata.

3.2.1. OSNOVNA PODJELA STRUGOVA

Do danas područje alatnih mašina. se intenzivno razvijalo u konstrukcijskom i upravljačkom dijelu

pa shodno tome postoje i različite podjele strugova. Osnovna podjela strugova je:

a) Prema položaju radnog vretena (konstrukcijski):

Horizontalni (horizontalno radno vreteno) i

Vertikalni strugovi (karusel strugovi) koji mogu biti izvedeni kao jednostubni ili

dvostubni

b) Prema načinu upravljanja

Klasični strugovi (univerzalni ili specijalni)

Kopirni strugovi

Poluautomatski

Automatski strugovi

Jednovreteni

Viševreteni

Ciklusni strugovi

NC/CNC strugovi (standardni, specijalni, itd.)

.

c) Prema prema broju numerički upravljanih (NU) osa:

Dvije ose

Tri ose

Četiri ose

Pet osa

Šest osa.

3.2.2. HORIZONTALNI CNC STRUGOVI

U metalopreraĎivačkoj industriji najširu primjenu imaju slijedeći CNC horizontalni strugovi (mogu

imati od dvije do šest numeričko upravljanih osa):

a) Strugovi sa tri ose imaju dodatnu osu koja se označava sa C. Dodatne mogučnosti su joj

poprečno glodanje, izrada žljebova.

b) Strug sa četiri ose ima potpuno drugačiji koncept od onog sa tri ose. Programiranje struga se

svodi zapravo na programiranje rada dva dvoosna struga istovremeno, gdje jedan obavlja

obradu vanjskih površina, a drugi obradu unutrašnjih površina.


46

c) Stugovi sa šest osa su specijalni strugovi sa dva magazina alata te sa setom od tri ose po

magazinu. Primjenjuju se za izradu vijaka i sl.

Osnovni elementi NC/CNC struga su prikazani na slici 3.2.

Slika 3.2. Osnovni elementi CNC struga

Standard ISO R841 definisao je pozitivne pravce za glavne ose X, Y i Z na osnovu pravila “desne

ruke” (slika 3.3). TakoĎer i rotacijske ose A, B, C (pozitivan smjer kazaljke na satu) su definisani

preko glavnih osa. Eventualna odstupanja od navedenog kao razlog mogu imati olakšanje kod

programiranja. Inače, bez znanja o postavkama osa na mašini nije moguće programirati istu

Kod CNC strugova Z – osa predstavlja osu radnog vretena dok smjer pozitivnog dijela X-ose zavisi

o smještaju nosača alata (sa prednje ili zadnje strane). (Y-osa - uglavnom kod glodalica predstavlja

pravac kretanja stola).

Slika 3.3. Pravilo „desne ruke“ za definisanje pozitivnih pravaca kretanja kod CNC akatnih mašina

Uvjet da bi strug postao strugarski obradni centar je i izvedba C – ose (dodatna opcija). Na ovaj

način je omogućeno da pored struganja se može izvesti: glodanje, bušenje složenih profila u 2D i

3D interpolaciji, itd. Mjerni ureĎaj C-ose je rotacioni inkrementalni mjerni davač.


47

3.2.3. VIŠE SUPORTNI STRUGOVI

Strugovi neovisno jednovreteni ili viševreteni mogu imati veći broj suporta (nosača alata):

uzdužnih, poprečnih, križnih, itd. (slika 3.4). Zahvaljujući NC upravljanju moguće je sinhronizirano

djelovanje suporta ovisno o zahtjevima obratka. Broj suporta i alata isključivo ovisi o veličini

radnog prostora i potrebama obrade.

Slika 3.4. Više suportni CNC strugovi

3.2.4. VIŠEVRETENI STRUGOVI

Prema broju vretena, strugovi se dijele na 2-3-4-5-6-8-ni strugovi (slika 3.5). Osnovna

karakteristika je da istovremeno može raditi više alata na svakom vretenu. Iz toga razloga veoma je

bitna podjela obrade na operacije i zahvate i to tako da od početnog do zadnjeg vretena je

automatizirana obrada usklaĎenih vremena (približno jednaka) na svim vretenima što dovodi do

uštede u pomoćnim vremenima. TakoĎer, ovisno o planu obrade moguće je istovremeno obraĎivati

i više istih ili više sličnih izradaka. Broj suporta (nosača alata) ovisi o broju vretena.

Slika 3.5. Više vreteni CNC strugovi

3.2.5. STRUGOVI SA SUPROTNIM VRETENOM

Na strugovima sa dva vretena (slika 3.6) ali suprotno postavljenim je moguća kompletna obrada

kratkih i šipkastih izradaka u dvije stezne glave bez posredovanja radnika.


48

Slika 3.6. CNC strugovi sa suprotnim vretenom

3.2.6. STEZANJE REZNIH ALATA NA CNC STRUGOVIMA

Prvi strugovi sa revolverskom glavom kao nosačem alata imale su zajedničko ime revolverski

strugovi. Revolverska glava za NC/CNC mašine je postala standard za fiksni smještaj alata za

obradu (6, 8, 12, itd. pozicija). S obzirom na osu rotacije revolverske glave u odnosu na osu rotacije

obratka razlikujemo tri osnovna tipa (slika 3.7.):

a) osa revolverske glave paralelne osi rotacije (manji prostor ali i opasnost od kolizije),

b) osa rotacije revolverske glave okomita na osu radnog komada (veći prostor, kolizija

izbjegnuta),

c) koso postavljena osa rotacije revolverske glave (kompromisno rješenje).

Slika 3.7. Vrste revolverskih glava kod CNC strugova

Radni prostor CNC strugova (slika 3.8) definiše se softverskim graničnicima koji su u funkciji

nakon što revolver glava (zakretanje u oba smjera) sa alatima ode u svoju referentnu tačku (R).

Standard za revolversku glavu tj. nosač alata je DIN 69880. Razmještaj alata mora biti takav da ne

doĎe do meĎusobne kolizije (alat-stezna glava, - obradak). Ovisno o tipu alata moguće je dovoĎenje

SHIP kroz alat (burgija) ili sa vanjske strane.


49

Slika 3.8. Radni prostor kod CNC struga i vrste držača alata ovisno o obradi

3.2.7. STEZANJE OBRADAKA NA CNC STRUGOVIMA

Sistem stezanja obradaka na CNC strugu zavisi od oblika i dimenzija obratka te traženog kvaliteta

izradka. Kod automatizirane obrade na strugovima se koriste dostavljači šipki (bar feeding) koji

imaju funkciju dopreme šipkastog ili profilnog materijala do stezne glave struga. Time je

omogućeno da jedan operater nadgleda cijeli proces. Za stezanje šipkastog materijala najkvalitetnije

rješenje je upotreba elastične stezne čahure koja omogućava brzo i kvalitetno stezanje (slika 3.9).

Za stezanje dugačkih komada na NC/CNC strugovima koriste se Linete i Konjići-Jahači, slika 3.10.

Slika 3.11. Sistem stezanja šipkastog materijala na CNC strugovima pomoću eleasične čahure

Slika 3.10. Sistem stezanja dugačkih komada na CNC strugovima

Documents

CNC Alatne Masine_Prvi Dio _ 2011