SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I … · Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Poslijediplomski specijalistički studij Zagreb, 12.2009

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZNAČAJKE PETOOSNIH OBRADA

ZAVRŠNI RAD

SAŠA FRANIĆ

ZAGREB, 2010.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZNAČAJKE PETOOSNIH OBRADA

ZAVRŠNI RAD

Mentor:Prof.dr.sc. Toma Udiljak Student: Saša Franić

ZAGREB, 2010.

PODACI ZA BIBLIOGRAFSKU KARTICU:

UDK: 621.91

Ključne riječi: Petoosna obrada, Numeričko upravljanje, Strojna obrada, CNC, NC, Alatni

strojevi

Znanstveno područje: Tehničke znanosti

Znanstveno polje: Strojarstvo

Institucija u kojoj je rad izrađen: Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje

Mentor rada: Prof.dr.sc. Toma Udiljak

Broj stranica: 120

Broj slika: 106

Broj tablica: 6

Broj korištenih bibliografskih jedinica: 33

Datum obrane:

Povjerenstvo:

Prof.dr.sc. Miljenko Math – predsjednik povjerenstva,

redoviti profesor, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

Prof.dr.sc. Toma Udiljak – voditelj završnog rada,

redoviti profesor, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

Prof.dr.sc. Dražen Bajić – član povjerenstva,

redoviti profesor, Fakultet elektrotehnike strojarstva i brodogradnje , Split

Institucija u kojoj je rad pohranjen: Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Poslijediplomski specijalistički studij Zagreb, 12.2009. Pristupnik: Saša Franić Zadatak: Značajke petoosne obrade Opis: Obrada odvajanjem je jedna od najrasprostranjenijih proizvodnih tehnologija u industriji. Postoji niz postupaka obrade odvajanjem, pri čemu je glodanje najfleksibilniji i jedan od najčešće korištenih postupaka. Zahvaljujući komparativnim prednostima, najveći porast primjene ima petoosno glodanje. Potrebe za petoosnim obradama poticane su globalizacijom i sve većom konkurencijom, što pred proizvođače postavlja zadatak pronalaženja rješenja za kvalitetniju, jeftiniju i bržu proizvodnju. Petoosne obrade izvode se na strojevima različitih konfiguracija pri čemu svaka ima specifične kinematičke i dinamičke značajke koje je čine pogodnom za određenu skupinu obradaka. Najvažnije prednosti petoosnih u odnosu na troosne obrade očituju se u većoj produktivnosti, većoj točnosti, boljoj kvaliteti obrađene površine, manjem škartu i doradama, manjem broju reznih alata, manjem broju naprava za stezanje te manjoj potrošnji prostora, energije i ljudskih resursa. Ključni elementi za uspješnu primjenu petoosnih obrada su pravilna kombinacija alatnog stroja, reznog alata, programske podrške, projektiranja procesa i pripremljenosti osoblja.

U radu treba dati integralni prikaz značajki petoosnih obrada:

razvitak i područja primjene 5-osne obrade; obrade odvajanjem kod kojih se primjenjuje 5-osna obrada; odnos alata i obratka kod 5-osnih obrada; prednosti 5-osne u odnosu na 3-osnu obradu; konfiguracije 5-osnih alatnih strojeva; generiranje putanje alata; provjera kolizije i simulacija NC-programa; CL datoteka kod 5-osnih obrada i postprocesiranje.

Zadatak zadan: Zadatak predan:

Mentor: Predsjednik odbora za Voditelj područja:

poslijediplomske studije:

Prof.dr.sc. Toma Udiljak Prof.dr.sc. Tomislav Filetin Prof. dr.sc. Miljenko Math

SADRŽAJ

PREDGOVOR .......................................................................................................................................... I

SAŽETAK .............................................................................................................................................. III

SUMMARY ........................................................................................................................................... IV

POPIS OZNAKA .................................................................................................................................... VI

POPIS SLIKA ....................................................................................................................................... VIII

POPIS TABLICA .................................................................................................................................... XII

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

2. PETOOSNE OBRADE ..................................................................................................................... 7

2.1. PRETPOSTAVKE ZA RAZVOJ NUMERIČKOG UPRAVLJANJA ............................................................................. 7

2.2. RAZINE NUMERIČKOG UPRAVLJANJA ...................................................................................................... 9

2.3. RAZVITAK PETOOSNIH STROJEVA ......................................................................................................... 14

3. NAJČEŠĆI PRIMJERI PRIMJENE PETOOSNE OBRADE ..................................................................... 16

3.1. PETOOSNE OBRADE U INDUSTRIJI KALUPA I ALATA .................................................................................. 17

3.2. OBRADA DRŽAČA REZNIH ALATA PETOOSNOM OBRADOM ........................................................................ 20

3.3. PETOOSNA OBRADA U INDUSTRIJI PRERADE POLIMERA I OBRADE DRVETA .................................................... 21

3.4. PETOOSNA OBRADA PROPELERA ......................................................................................................... 24

3.5. PETOOSNA OBRADA TURBINSKIH LOPATICA ........................................................................................... 25

3.6. SUVREMENI POSTUPCI OBRADE ODVAJANJEM S PRIMJENOM PETOOSNE OBRADE .......................................... 27

4. KONCEPCIJE STROJEVA ZA PETOOSNU OBRADU .......................................................................... 37

4.1. KLASIFIKACIJA STROJEVA PREMA RASPOREDU OSI KOJIMA SE MOGU GIBATI ALAT I OBRADAK ........................... 38

4.2. KLASIFIKACIJA STROJEVA PREMA LOKACIJI ROTACIJSKIH OSI ....................................................................... 40

4.3. OSNOVNE METODE PETOOSNE OBRADE OVISNO O KONCEPCIJI STROJA ........................................................ 43

5. PROJEKTIRANJE TEHNOLOGIJE ZA PETOOSNE OBRADE ................................................................ 46

5.1. ZADAVANJE GEOMETRIJE GIBANJA ALATA .............................................................................................. 46

5.2. PARAMETRI PUTANJE GIBANJA ALATA U ZAHVATU .................................................................................. 50

5.3. STRATEGIJE NAGIBA ALATA TIJEKOM OBRADE ........................................................................................ 54

5.4. KOLIZIJA GIBAJUĆIH KOMPONENTI SA TRENUTNO NEAKTIVNIM POVRŠINAMA ............................................... 62

6. PROGRAMIRANJE PETOOSNE OBRADE ........................................................................................ 64

6.1. DATOTEKA PUTANJE GIBANJA ALATA .................................................................................................... 64

6.2. PROBLEM INVERZNE KINEMATIKE U PETOOSNOJ OBRADI .......................................................................... 67

6.3. POSTPROCESORI KOD PETOOSNE OBRADE ............................................................................................. 82

6.4. TRENDOVI KOD PROGRAMIRANJA PETOOSNIH OBRADA ............................................................................ 83

7. RAČUNALNA SIMULACIJA POSTAVLJENE OBRADE ....................................................................... 95

7.1. KONSTRUIRANJE VIRTUALNOG STROJA ................................................................................................. 96

7.2. SIMULACIJA OBRADE ........................................................................................................................ 97

8. USPOREDBA TROOSNE I PETOOSNE OBRADE............................................................................... 99

8.1. USPOREDBA MOGUĆNOSTI TROOSNE I PETOOSNE OBRADE ....................................................................... 99

8.2. OPIS PRIMJERA TROOSNE I PETOOSNE OBRADE .................................................................................... 102

8.3. OPERACIJE OBRADE KOJE SE IZVODE JEDNAKO KOD TROOSNE I PETOOSNE OBRADE ...................................... 103

8.4. OBRADA ZAKRIVLJENIH POVRŠINA TROOSNOM OBRADOM ...................................................................... 105

8.5. OBRADA ZAKRIVLJENIH POVRŠINA PETOOSNOM OBRADOM .................................................................... 108

8.6. USPOREDBA DOKUMENTACIJE OBRADE .............................................................................................. 112

9. ZAKLJUČAK ............................................................................................................................... 115

LITERATURA ...................................................................................................................................... 117

ŽIVOTOPIS ......................................................................................................................................... 120

CURRICULUM VITAE .......................................................................................................................... 121

Značajke petoosnih obrada Predgovor

i

PREDGOVOR

Suvremeno tržište zahtijeva sve kompleksnije izrađene komponente, što za sobom

povlači i kompleksnije strojeve na kojima se ti izratci obrađuju. Dodatni zahtjevi se postavljaju

na što ekonomičniju i što fleksibilniju proizvodnju te konstantnu borbu s konkurencijom. Kao

dio odgovora na te zahtjeve danas se na tržištu nalaze strojevi sa mogućnošću gibanja alata

tijekom obrade po pet osi, koje mogu biti translacijske i rotacijske. Dva su osnovna razloga zbog

kojih su se standardne koncepcije strojeva trenutno zadržale na pet osi. Prvi je taj što se obratku

tijekom obrade može dovesti alat u zahvat sa svih strana i u bilo kojoj orijentaciji, što omogućuje

potpunu obradu u samo jednom stezanju. Drugi razlog je taj što višeosna upravljačka računala

strojeva podatke i dalje tretiraju jednako kao i petoosna upravljačka računala. Tako, iako danas

postoje koncepcije strojeva sa mnogo više osi od pet, oni se i nadalje programiraju metodama

programiranja petoosnih obrada, samo što im upravljačka računala upravljaju u određenom

trenutku sa različitim osima na načine koji se razlikuju u ovisnosti od koncepcija i proizvođača

stroja. Ovaj problem prvenstveno leži u CAD/CAM (Eng. CAD, Computer Aided Design,

Konstruiranje podržano računalom; CAM, Computer Aided Manufacturing, Proizvodnja

podržana računalom) sustavima, koji još s dosta poteškoća tretiraju podatke obrade za višeosne

strojeve, a za programiranje obrada višeosnih strojeva upotreba CAD/CAM sustava je trenutno

jedini način efikasnog programiranja.

Sama činjenica da petoosnu obradu nije moguće programirati ručno, dovoljno govori o

njenoj kompleksnosti. Iako programeri CAD/CAM sustava ulažu mnogo napora kako bi

programiranje petoosne obrade što bolje prilagodili korisniku, i dalje je za uspješnu

implementaciju programiranja potrebno poznavati temeljne parametre takve obrade. Kako je

petoosna obrada relativno novo područje, glavni problem za korisnike predstavlja pronalaženje

podobne literature, koja bi im približila osnove petoosne obrade. Stoga se u ovom

specijalističkom radu pokušavaju objediniti osnove za sve petoosne obrade, bez obzira na

korištene strojeve i računalne programe. Pod pojmom osnove spada poznavanje načina rada

strojeva i računalnih programa “ispod poklopca”, koje bi svaki tehnolog trebao poznavati kako bi

mogao učinkovito postaviti parametre obrade. U ovome radu sadržane su opće spoznaje vezane

uz petoosne obrade, no međutim, ukoliko se želi dublje ući u ovu tematiku, potrebno je dodatno

Značajke petoosnih obrada Predgovor

ii

proučiti literaturu vezanu za konkretni stroj, korišteni CAD/CAM sustav te područje primjene,

kao i literaturu koja obrađuje specifične karakteristike petoosne obrade.

Značajke petoosnih obrada Sažetak

iii

SAŽETAK

Za uspješno postavljanje parametara potrebnih za petoosnu obradu, potrebno je poznavati

osnove rada računalnih programa i obradnih strojeva, te nadalje njihovo međusobno sučelje. Kod

računalnih programa potrebno je poznavati načine na koje se pomoću programa može projektirati

obrada kao i mogućnosti koje program pruža za prevođenje rezultata u podatke razumljive

obradnom stroju. Za zadani stroj potrebno je poznavati njegove kinematičke karakteristike, te

njegovu koncepciju, kako bi se mogao postaviti plan obrade komponente. Sučelje računalnih

programa i alatnih strojeva dolazi do izražaja pri prilagođavanju pojedinog računalnog programa

za programiranje obrade na određenom obradnom stroju.

U prvom, uvodnom poglavlju prikazuju se potrebe u proizvodnji koje su dovele do

nastanka petoosnih obrada. Nadalje ukratko se opisuje položaj petoosne obrade u današnjoj

industriji te utjecaji koje ona ima na industriju i njen općeniti položaj na tržištu. Drugo poglavlje

obrađuje povijest i uzroke koji su kronološki doveli do stanja petoosnih obrada kakvo je danas.

Prikazuju se tehnologije koje su se koristile u začetcima automatizacije i čimbenici koji su

poticali njen daljnji razvoj. Treće poglavlje oslikava trenutno stanje. Prikazana su područja

primjene petoosnih obrada i njene mogućnosti u industriji. Četvrto poglavlje donosi tehničke

osnove strojeva za petoosnu obradu i njihove mogućnosti sa tehničkog aspekta. Peto poglavlje

pokriva tematiku koju je potrebno poznavati kada se programira petoosna obrada. Poglavlje

opisuje mogućnosti programiranja i način na koji CAD/CAM sustavi mogu “shvatiti”

postavljenu obradu. Nadalje se opisuju bitni parametri vezani za gibanje alata tijekom obrade.

Šesto poglavlje opisuje način prijenosa podataka iz CAD/CAM sustava u obradni stroj, uz

potpoglavlje o inverznoj kinematici gdje se obrađuje tehnička podloga programiranja obradnih

strojeva. Opisane su i neke mogućnosti programiranja koje bi trebale zaživjeti u budućnosti.

Sedmo poglavlje daje uvid u simulaciju obrade, kao i važnost simulacije u petoosnoj obradi.

Osmo poglavlje prikazuje usporedbu troosne i petoosne obrade. U poglavlju se izlažu prednosti

koje petoosna obrada pruža nad troosnom obradom, što se nadalje u poglavlju prikazuje na

primjeru kako bi se dobio jasniji uvid. Deveto poglavlje u kratkim crtama sažima opravdanost

ulaganja u petoosne strojeve sa točke gledišta alatnice. Dodatno se prikazuju mogućnosti koje bi

se mogle očekivati od petoosnih strojeva i petoosnih obrada u budućnosti.

Značajke petoosnih obrada Summary

iv

SUMMARY

To successfully set process parameters for five-axis machining, the basic knowledge of

computer programs and machine tools, and also of their interface, is essential. With computer

programs, it is important to know the ways in which machining can be programmed and which

program can translate the data from program results to the data that machines require for

machining. Considering machine tools, it is important to know their kinematic characteristics and

conceptions in order to design a proper machining strategy. The interface of computer programs

and machines is important when a specific computer program has to be related to a specific

machine.

Production needs which have led to the emergence of five-axis machining are dealt with

in the first, introductory chapter. Furthermore, the position of five-axis machining in the modern

industry and on the market is briefly outlined and its effects on the industry are shown. The

second chapter elaborates the history of five-axis machining and deals with the causes which

have chronologically led to the situation in five-axis machining that we have today. Technologies

which were used at the very beginning of automation are shown here together with factors which

stimulate the further development of machining. The third chapter shows the current situation in

five-axis machining, including the fields of application and its potential use in industry. The

fourth chapter introduces general technical topics related to machine tools used in machining and

their capabilities from the technical aspect. The fifth chapter covers the topics which should be

considered when programming five-axis machining. The chapter describes programming

capabilities and the methods which CAD/CAM systems use to “comprehend” the designed

machining process. Furthermore, important parameters connected with tool motion during

machining are described. The sixth chapter describes the data transfer from CAD/CAM systems

to a machine tool. The subchapter of inverse kinematics covers the basics of programming for

machine tools. Possible applications of programming in the future are also described. The

seventh chapter gives an introduction to machine simulation and points out the importance of

simulation in five-axis machining. The eighth chapter gives a comparison between the three- and

five-axis machining. The advantages of five-axis machining over three-axis machining are stated

and illustrated with an example. The ninth chapter briefly summarizes the reasons why the

investments in five-axis machine tools are profitable from a machine shop point of view.

Značajke petoosnih obrada Summary

v

Additionally, the chapter discusses what could be expected from five-axis machine tools and

five-axis machining in the near future.

Značajke petoosnih obrada Popis oznaka

vi

POPIS OZNAKA

CAD – Computer Aided Design

CAM – Computer Aided Manufacturing

NC – Numerical Control

CNC – Computer Numerical Control

APT – Automatically Programmed Tools

DNC – Direct Numerical Control

DNC – Distributed Numerical Control

OMAC – Open Modular Architecture Control

CAPP – Computer Aided Proces Planning

HSM – High Speed Machining

EDM – Electrical Discharge Machining

CBN – Cubic Boron Nitride

MQL – Minimum Quantity Lubrication

FMS – Flexible Manufacturing System

RMS – Reconfigurable Manufacturing System

RMT – Reconfigurable Machine Tool

RIM – Reconfigurable Inspection Machine

ISO – International Organization for Standardization

CL – Cutter Location

SHIP – sredstvo za hlađenje, ispiranje i podmazivanje

STL – Stereolitography (način spremanja podataka nastao od navedene riječi)

MIT – Massachusetts Institute of Technology

X, Y i Z – translacijske osi

A i B – rotacijske osi

T – translacija

R – rotacija

n – normala na obrađivanu površinu

κ – kut oštrice alata[o]

βf – kut nagiba alata paralelno sa smjerom obrade [o]

Značajke petoosnih obrada Popis oznaka

vii

βn – kut nagiba alata okomito na smjer prolaza [o]

κc – kut oštrice alata u zahvatu [o]

κa – kut ulazne oštrice alata u zahvatu [o]

κe – kut izlazne oštrice alata u zahvatu [o]

φc – rotacijski kut oštrice alata u zahvatu [o]

φa – rotacijski kut izlazne oštrice alata u zahvatu [o]

φc – rotacijski kut ulazne oštrice alata u zahvatu [o]

K – odabrana točka na oštrici alata u zahvatu

F – rezna površina alata u zahvatu [mm2]

A- površina poprečnog presjeka odvojene čestice [mm2]

u – jedinični vektor

f – posmak [mm]

f – vektor smjera posmičnog gibanja

D – oznaka matrice s kutovima zakreta alata

ap – dubina rezanja [mm]

vc – brzina rezanja [m/min]

h – debljina odvojene čestice [mm]

θ – kut zakreta glavnog vretena [o]

P – vektor pomaka

α, β i γ – kutovi između normale na obrađivanu površinu i koordinatnih osi [o]

Značajke petoosnih obrada Popis slika

viii

POPIS SLIKA

Slika 1: Sučelje alatnog stroja, alata i obratka te ostalih čimbenika koji sudjeluju u procesu obrade [1] ..................... 1

Slika 2: Kvalitativni prikaz svojstava reznih alata [1] ..................................................................................................... 2

Slika 3: Trendovi u suvremenoj proizvodnji [1] .............................................................................................................. 3

Slika 4: Neka obilježja suvremene proizvodnje [1] ......................................................................................................... 4

Slika 5: Potrošnja obradnih strojeva u svijetu u periodu 2001. ‐ 2009. [1] .................................................................... 5

Slika 6: Jedan od prvih strojeva s oblikom numeričkog upravljanja [1] ......................................................................... 8

Slika 7: Fleksibilni obradni sustav za izradu velikih komponenti [6] ............................................................................ 11

Slika 8: Sustav RMS sa svojom podkompomentom naziva Rekonfigurabilni obradni stroj ili RMT (Eng.

Reconfigurable Machin Tool) [13] ............................................................................................................................... 13

Slika 9: Primjer obrade kalupa za trup broda [1] ......................................................................................................... 16

Slika 10: Različite razine postupaka izrade kalupa [14] ............................................................................................... 18

Slika 11: Obrada jezgre kalupa [7, 6] ........................................................................................................................... 19

Slika 12: Obrada matrice kalupa [7, 6] ........................................................................................................................ 20

Slika 13: Obrada koničnih alata [7, 6] .......................................................................................................................... 20

Slika 14: Primjer glodala za obradu drveta [7] ............................................................................................................ 21

Slika 15: Skidanje srha s polimernih tvorevina [7, 6] ................................................................................................... 22

Slika 16: Obrada drvenih modela [7, 6] ....................................................................................................................... 23

Slika 17: Završna obrada dijelova namještaja [7, 6] .................................................................................................... 23

Slika 18: Gruba obrada propelera [7] .......................................................................................................................... 24

Slika 19: Završna obrada lopatica propelera [7] .......................................................................................................... 25

Slika 20: Gruba obrada turbinske lopatice [7] ............................................................................................................. 25

Slika 21: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s zaobljenim vrhom [7] ......................................... 26

Slika 22: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s vrhom zaobljenih rubova [7] ............................. 27

Slika 23: Uporaba visokobrzinske obrade za obradu kalupa od otvrdnutog materijala [4] ......................................... 28

Slika 24: Obrada dijelova visoke tvrdoće tokarenjem [1] ............................................................................................ 29

Slika 25: Udio troškova u proizvodnji s primjenom SHIP‐a; Mercedes Benz, Stuttgart, [1] ......................................... 30

Slika 26: Shema gubitaka SHIP‐a u procesu obrade [1] ............................................................................................... 31

Slika 27: Primjer obrade robotom [1] .......................................................................................................................... 33

Slika 28: Neke relacije između alatnih strojeva i robota [1] ........................................................................................ 34

Slika 29: Prikaz relacija veličina na različitim razinama ............................................................................................... 35

Slika 30: Opća podjela mikro obrada ........................................................................................................................... 36

Slika 31: Koncepcija stroja XYZA'B' iz grupe 3/2' [8] .................................................................................................... 38

Slika 32: Koncepcija stroja XBYAZ iz grupe 2/3' [8] ...................................................................................................... 39


ix

Slika 33: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na obradnom stolu [8] .................................................................... 40

Slika 34: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na glavnom vretenu [8] ................................................................... 41

Slika 35: Koncepcija stroja sa rotacijskim osima na glavnom vretenu i na stolu [8] .................................................... 42

Slika 36: Obradak prikladan za obradu primjenom strategije pozicioniranja alata [6] ............................................... 44

Slika 37: Primjer simultane petoosne obrade [6] ......................................................................................................... 45

Slika 38: Kutovi obrade u XY ravnini, te u odnosu na Z‐os kod paralelne obrade [10] ................................................. 47

Slika 39: Putanje okomite na vodeću krivulju [10] ....................................................................................................... 47

Slika 40: Oblik putanja između krivulja [10] ................................................................................................................ 48

Slika 41: Putanje paralelne s krivuljom [10] ................................................................................................................. 48

Slika 42: Oblik putanja između zadanih površina [10] ................................................................................................. 49

Slika 43: Putanje paralelne sa zadanom površinom [10] ............................................................................................. 49

Slika 44: Obrada bočnom stranom alata [10] .............................................................................................................. 50

Slika 45: Način na koji se računalnom programu zadaju tolerancije na putanju alata [10] ........................................ 51

Slika 46: Utjecaj razmaka između prolaza na kvalitetu obrađene površine [10] ......................................................... 51

Slika 47: Cik ‐cak, jednosmjerna i spiralna metoda obrade [10] .................................................................................. 52

Slika 48: Točka obrade na centru i na polumjeru zaobljenja vrha alata [10] .............................................................. 53

Slika 49: Točke dodira alata i obrađivane površine s karakterističnim parametrima [10] .......................................... 53

Slika 50: Nagibi alata tijekom obrade [12] .................................................................................................................. 54

Slika 51: Karakteristični kutovi koji se pojavljuju prilikom nagiba alata [12] .............................................................. 55

Slika 52: Geometrija alata sa polukuglastim vrhom[12] ............................................................................................. 56

Slika 53: Rubne linije na obrađivanoj površini [12] ...................................................................................................... 57

Slika 54: Obrada bez nagiba alata [10] ....................................................................................................................... 59

Slika 55: Nagib alata relativno na smjer obrade primjenom cik‐cak strategije [10] .................................................... 59

Slika 56: Nagib alata za zadanu vrijednost kuta [10] .................................................................................................. 60

Slika 57: Nagib kroz točku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10] ........................................... 60

Slika 58: Nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10] ........................................... 61

Slika 59: Nagib kroz točku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u negativnom smjeru [10] .... 61

Slika 60: Lokalna kolizija alata i obrađivane površine[9] ............................................................................................. 62

Slika 61: Globalna kolizija držača alata i neaktivne površine[9] .................................................................................. 63

Slika 62: Općeniti sadržaj CL datoteke [1] .................................................................................................................... 65

Slika 63: Primjer sadržaja CL sloga [1] ......................................................................................................................... 67

Slika 64: Koordinatni sustavi alata, stroja i točke na obratku ..................................................................................... 69

Slika 65: Dobivanje matrice transformacija translacijama i rotacijama ...................................................................... 70

Slika 66: Zakretanje koordinatnih osi za kutove θ1 i θ2 .............................................................................................. 72

Slika 67: Programirani kod za dobivanje matrice transformacija u računalnom programu Matlab ........................... 74


x

Slika 68: Unos ulaznih varijabli u računalni program Matlab ...................................................................................... 75

Slika 69: Ispis rezultata iz računalnog programa Matlab ............................................................................................ 76

Slika 70: Stol stroja Deckel Macho 50 eVolution [11] .................................................................................................. 77

Slika 71 :Izvedba stroja kod kojeg se dvije rotacijske osi sijeku pod kutom od 450 [11] .............................................. 78

Slika 72: Pozicije B i C osi prilikom prolaska alata kroz točku singularnosti [11] ......................................................... 81

Slika 73: Shema rada postprocesora [14] .................................................................................................................... 83

Slika 74: Prednosti koje donosi programiranje obrade STEP‐NC sustavima [14] ......................................................... 84

Slika 75: Model slanja podataka upotrebom STEP‐NC načina programiranja [14] ..................................................... 85

Slika 76: STEP‐NC sučelje na CNC stroju koje prikazuje geometriju dijela, vrijednosti tolerancija i preporučene

parametre obrade [32] ................................................................................................................................................ 86

Slika 77: Shema razmjene AP 238 podataka [14] ........................................................................................................ 88

Slika 78: Primjer prikaza značajki na dijelu za obradu [14] ......................................................................................... 89

Slika 79: Primjer oznaka geometrijskih karakteristika [14] ......................................................................................... 89

Slika 80: Primjer putanja alata [14] ............................................................................................................................. 91

Slika 81: Shema povezanosti računalnih tehnologija CAPP, CAD i CAM [14] ............................................................... 93

Slika 82: Opća arhitektura rada CAPP sustava [14] ..................................................................................................... 94

Slika 83: Sučelje za upravljanje simulacijom u računalnom programu SolidCAM [12] ................................................ 95

Slika 84: Model virtualnog stroja u računalnom programu (primjer u SolidCAM‐u) [12] ............................................ 97

Slika 85: Simulacija obrade u računalnom programu SolidCAM [12] .......................................................................... 98

Slika 86: Položaj alata tijekom obrade troosnim strojem [9] ....................................................................................... 99

Slika 87: Položaj alata tijekom obrade petoosnim strojem [9] .................................................................................. 100

Slika 88: Prednost petoosne obrade nad troosnom kod konturnog glodanja‐veća krutosti alata [9] ....................... 101

Slika 89: Dimenzije i oblik sirovca i obratka u primjeru obrade ................................................................................. 102

Slika 90: Definirane i programirane obrade prikazane u sučelju SolidCAM‐a............................................................ 103

Slika 91: Definirani koordinatni sustav, sirovac i izradak ........................................................................................... 104

Slika 92: Čeono glodanje obratka .............................................................................................................................. 104

Slika 93: Konturno glodanje obratka ......................................................................................................................... 105

Slika 94: Odabir glodala u SolidCAM‐u ...................................................................................................................... 106

Slika 95: Zadavanje tehnologije obrade u SolidCAM‐u za troosni mod ..................................................................... 106

Slika 96: Obrada zakrivljenih površina na troosnom stroju ....................................................................................... 107

Slika 97: Izgled površine izratka nakon troosne obrade ............................................................................................ 107

Slika 98: Zadavanje geometrije obrade u SolidCAM‐u za petoosni mod ................................................................... 108

Slika 99: Zadana krivulja‐uzorak za kretanje alata tijekom obrade ........................................................................... 109

Slika 100: Označene površine koje je potrebno obraditi ............................................................................................ 109

Slika 101: Izbor alata za petoosnu obradu................................................................................................................. 110


xi

Slika 102: Generirane putanje alata za petoosnu obradu ......................................................................................... 110

Slika 103: Prolaz alata preko zakrivljenih površina primjenom petoosne obrade ..................................................... 111

Slika 104: Izgled površine izratka nakon petoosne obrade ........................................................................................ 111

Slika 105: Početak ispisa NC‐koda troosne i petoosne obrade iz primjera ................................................................ 112

Značajke petoosnih obrada Popis tablica

xii

POPIS TABLICA

Tablica 1: Mogući sadržaj u riječi broj dva CL datoteke [1] ......................................................................................... 65

Tablica 2: Format i sadržaj CL sloga tipa 1000 [1] ....................................................................................................... 66




Tablica 6: Podaci postupka obrade i konačne brzine operacija obrade ..................................................................... 113

Značajke petoosnih obrada Uvod

1

1. UVOD

S napretkom tehnologije tijekom prošlog stoljeća pojavila se potreba za izracima sve

složenijih površina. Takve složene površine nepravilnih geometrija najviše se zahtijevaju u

zrakoplovnoj i automobilskoj industriji, industriji turbina i propelera, te u industriji alata i

kalupa. U početku su se takvi izraci uspješno izrađivali na troosnim strojevima korištenjem alata

sa oblim vrhom. Međutim kako su zahtjevi rasli, a troosni strojevi sve teže udovoljavali traženim

zahtjevima, u proizvodnju su se postepeno počeli uvoditi i višeosni strojevi i to posebno oni sa

pet simultanih osi ili petoosni strojevi. Takvi strojevi u većini slučajeva uz tri translacijske osi,

posjeduju još dvije rotacijske osi. Ovim koncepcijama strojeva alati su se tijekom obrade mogli u

jednom stezanju privesti svim obrađivanim površinama pod bilo kojom orijentacijom. Važno je

napomenuti da uvođenje petoosnih strojeva ne bi predstavljalo veliki iskorak da u isto vrijeme

njihovo programiranje nije popraćeno jednako brzim razvojem CAD/CAM sustava. Tako je

ručno pisanje koda za NC (Eng. Numerical Control, Numeričko upravljanje) strojeve

zamijenjeno programiranjem obrade u grafičkom okruženju na računalu uz znatne vremenske

uštede.

Slika 1: Sučelje alatnog stroja, alata i obratka te ostalih čimbenika koji sudjeluju u procesu obrade [1]


2

Međutim ubrzani razvoj petoosne obrade potrebno je sagledati iz perspektive

cjelokupnog razvoja suvremene proizvodnje, Slika 1. Proizvodni proces karakteriziraju osnovni

elementi: alatni stroj, alat i obradak, te svi dodatni elementi. Kod svih tih komponenti postoje

stalne tendencije povećanja produktivnosti i ekonomičnosti. Te tendencije su najviše očituju kod:

uvođenja novih materijala;

uvođenja novih tehnologija.

Zbog stalnih zahtjeva za povećanjem kvalitete proizvoda danas su prisutne tendencije

stalnog uvođenja novih materijala, kako materijala obradaka, odnosno proizvoda, tako i

materijala alata za obradu. Kod obradaka je stalno prisutna tendencija uvođenja novih materijala

sa sve boljim mehaničkim i drugim eksploatacijskim svojstvima. Tu posebno prednjače

kompozitni materijali, te titan i njegove legure. Uvođenje novih materijala obradaka postavlja

nove zahtjeve i za alatne strojeve, alate i upravljanje obradnim procesima.

Rezni alati imaju vrlo intenzivan razvoj zbog stalne izloženosti zahtjevima za sve većim

brzinama obrade, boljom kvalitetom obrađene površine, nižim cijenama, manjem trošenju i sl.

Slika 2.

Slika 2: Kvalitativni prikaz svojstava reznih alata [1]


3

Najveći dio reznih alata čine alati od „tvrdog metala“ s različitom veličinom zrna karbida i

različitim brojem i vrstom prevlaka. Sve više se koriste i „super tvrdi materijali kao kubični

borov nitrid ( Eng. CBN, Cubic Boron Nitride), jer su oni preduvjet za učinkovite obrade

otvrdnutih i kompozitnih materijala. Minijaturizacija dijelova i razvoj mikroobrada imaju svoje

specifičnosti kako u pogledu reznih alata, tako i u pogledu svih ostalih komponenti i modula

obradnih sustava.

Danas na području proizvodnje postoje različite obradne tehnologije koje su najčešće

povezane s karakterističnim granama industrije, gdje su u mnogim slučajevima i međusobno

povezane. Uz konvencionalne i standardne CNC (Eng. Computer Numerical Control, Računalno

numeričko upravljanje) obrade najviše su zastupljene: visokobrzinske obrade, tvrde obrade, suhe

obrade, mikro-obrade, obrade vodenim mlazom, obrade upotrebom robota, elektroerozije itd.

Svaka od tih obrada posjeduje određene specifičnosti koje se reflektiraju na cijeli sustav.

Sadašnji trendovi idu ka tome da se ne izrađuju više velike serije proizvoda nego one

manjih količina, ali uz konačnu cijenu proizvoda gotovo kao kod velikih serija. Takvi trendovi

zahtijevaju izrazito veliku fleksibilnost u proizvodnji. Da bi tvrtka u današnje vrijeme u tome

uspjela, potrebno je da prati trendove na svim aspektima suvremene proizvodnje, od kojih je

višeosno upravljanje samo jedan dio puta ka uspjehu. Koji su to sve trendovi najbolje se uočava

sa Slika 3:

Slika 3: Trendovi u suvremenoj proizvodnji [1]


4

Iz prikaza je očito da su pritisci za konkurentnost i fleksibilnost proizvodnje veliki a osnovni

zahtjevi koji vode do tih trendova u današnje vrijeme su [1]:

zahtjevi za većom produktivnošću;

zahtjevi za kraćim vremenom obrade;

zahtjevi za većim iskorištenjem alatnih strojeva;

zahtjevi za stalnim povećanjem kvalitete obrade;

zahtjevi za očuvanje okoliša;

novi teže obradivi materijali obratka.

Zahtjevi tržišta spram onoga od prije nekoliko desetljeća su se također značajno

promijenili u posljednje vrijeme. Osnovna obilježja suvremenog tržišta su [1]:

skraćenje vijeka trajanja proizvoda na tržištu;

smanjenje veličine serije proizvoda;

povećanje broja varijanti proizvoda;

povećanje utjecaja i želja kupaca na oblik i karakteristike proizvoda;

česte promjene želja kupaca;

utjecaj konkurencije;

jeftiniji i kvalitetniji proizvodi.

Slika 4: Neka obilježja suvremene proizvodnje [1]


5

Svi navedeni trendovi i zahtjevi odrazili su se i na zahtjeve za obradnim strojevima i

obradnim sustavima, koji moraju na sve zahtjeve ponuditi primjerene odgovore kako bi

kompanija ostala konkurentna. Tako se danas kao obilježja suvremenih proizvodnih sustava

ističu:

veliku fleksibilnost i mogućnost brze reakcije na zahtjeve tržišta;

visok stupanj iskorištenja radnog vremena;

smanjenje proizvodnih troškova (rentabilnost);

održavanje kvalitete proizvoda uz minimalni otpad;

autonoman rad.

Međutim uz sve navedene napore potrebno je još uvažiti aspekt globalizacije koja može

dovesti do nepredvidivih kretanja, Slika 5. Tako primjerice danas zemlje s jeftinom radnom

snagom uspijevaju kroz strana ulaganja pribaviti najnovije tehnologije koje inicijalno nisu same

morale proizvoditi, te uz jeftini rad dati nisku cijenu konačnog proizvoda, što ih drži izrazito

konkurentnima.

Slika 5: Potrošnja obradnih strojeva u svijetu u periodu 2001. - 2009. [1]


6

U godini 2009. [1] dvadeset i osam najrazvijenijih zemalja svijeta proizvelo je obradnih

strojeva u vrijednosti 55,2 milijarde dolara (međutim to je za 30% manje u odnosu na 2008.

godine, što je uzrokovano ekonomskom krizom). U toj proizvodnji pet azijskih zemalja: Japan,

Kina, Indija, Tajvan i Južna Koreja drže skoro 50%.

U potrošnji obradnih strojeva, Slika 5, većina zemalja osim Kine držala je konstantnu

razinu tijekom zadnjeg desetljeća, dok su 2009. godine zabilježile znatan pad. S druge strane

Kina je tijekom desetljeća bilježila konstantan porast potrošnje obradnih strojeva, a to je ostvarila

čak i u 2009. godini.

Značajke petoosnih obrada Petoosne obrade

7

2. PETOOSNE OBRADE

2.1. Pretpostavke za razvoj numeričkog upravljanja

Automatizacija alatnih strojeva započela je oko 1800 godine uvođenjem bregastih vratila

koja su pokretala alatni stroj. U početku su to većinom bili strojevi ugrađeni u glazbene kutije ili

ku- ku satove. Između 1820 i 1830 Thomas Blanchard je konstruirao kopirnu tokarilicu za

proizvodnju dijelova nekih oružja, a Christopher M. Spencer je 1870 napravio tokarilicu s

okretnom glavom. Svoj vrhunac alatni strojevi bazirani na bregastim vratilima dosežu za vrijeme

Prvog svjetskog rata. Međutim sve takve izvedbe bile su daleko od numeričkog upravljanja, jer

nisu mogle biti apstraktno programirane. To znači da nije postojala direktna veza između oblika

obrađivanog obratka i koraka obrade potrebnih za njegovu izradu. Bregasta vratila su radila na

bazi kodiranih informacija, ali te informacije su se morale ručno unositi sa inženjerskih nacrta

različitim tehnologijama. Tijekom razvoja takvih strojeva bilo je potencijala za spajanje

pojedinačnih obrada u neke oblike automatiziranog upravljanja. Međutim stvarna automatizacija

nastupila ja mnogo desetljeća poslije.

Primjena hidraulike na strojevima sa bregastim vratilima rezultirala je pojavom

automatizacije kroz dodatne naprave koji su imale probnu iglu koja bi prelazila preko zadanog

predloška. Primjer ovog stroja je bio Pratt i Whitneyev stroj zvan Keller. Ovaj stroj je mogao

kopirati predloške duge nekoliko metara. Sljedeći pristup prezentirala je kompanija General

Motors (GM) pedesetih godina dvadesetog stoljeća pod nazivom „snimi i ponovi“ (Eng. Record

and Playback). Ovim načinom su se snimale putanje alata kojima je pri obradi nekog dijela

upravljao iskusan operater. Snimljeni podaci su se spremali i po potrebi ponovo koristili.

Kronološki povijesni tijek razvoja strojeva mogao bi se postaviti kako slijedi:

1650. Nizozemska - sustavi za automatsko zvonjenje zvonima;

1700. Engleska ‐ upotreba bušene kartice za upravljanje strojevima za pletenje;

1800. Jacquard razvio stroj za pletenje i tkanje upravljan bušenom vrpcom;

1800. Charles Babbage konstruirao prvo digitalno računalo (nije bilo nikada izvedeno);

1863. M. Fourneaux patentirao prvi automatski pijanino;

1870. Eli Whitney uvodi proizvodnju zamjenljivih dijelova (upotreba steznih naprava);

1940. uvode se hidraulika, pneumatika i elektrika za automatsko upravljanje strojem;


8

1945. Mauchly i Eckert razvijaju prvi digitalni elektronički kompjutor ENIAC;

1948. inicijativa za razvoj numerički upravljanih alatnih strojeva, zadatak MIT‐a;

1952. MIT‐ numerički upravljana glodalica-bušilica (Hydrotool);

1948.- 1952. US Air Force (Zrakoplovstvo SAD-a) je pokrenulo projekt razvitka alatnog

stroja koji je bio sposoban obrađivati složene dijelove (osigurati zamjenjivost dijelova) za

zrakoplovnu industriju sa uskim tolerancijama na obrađenu površinu. Projekt je rađen na

MIT (Massachusets Instiute of Technology) pod vodstvom Johna Parsonsa;

1957. prva svjetska instalacija numerički upravljanog alatnog stroja;

1959. razvoj automatskog programiranja i programskog jezika APT (Eng. Automatic

Programmed tools).

Slika 6: Jedan od prvih strojeva s oblikom numeričkog upravljanja [1]


9

2.2. Razine numeričkog upravljanja

Povijest numeričkog upravljanja počinje na MIT-u 1949. godine kada je za potrebu

obrade komponenti vojnih helikoptera uvedeno glodanje prema podacima s bušene vrpce. Vrpca

se sastojala od sedam redova, od kojih su prva tri sadržavala podatke za upravljanje s osi stroja, a

ostala četiri reda podatke i različite dodatne informacije za upravljanje procesima [33]. Već

1953. godine uz bušene vrpce pojavljuju se podaci na magnetnim vrpcama.

Međutim svo to vrijeme podaci za bušene i magnetne vrpce pisani su ručno. Godine

1956. John Runion konstruirao uređaj pod nazivom Whirlwind koji je podatke na vrpce upisivao

uz pomoć računala. Neki to uzimaju kao početak pojave CNC-a premda se „stvarni“ početak

CNC-a veže uz sedamdesete godine prošlog stoljeća. Kako je ovom metodom znatno skraćeno

vrijeme izrade programa za obradu, slijedio je strelovit napredak na ovome području, koji traje i

danas. Kronološki se povijest numeričkog upravljanja može prikazati kako slijedi:

1959. MIT je objavio razvitak prvog jezika za programiranje NC strojeva. Jezik je nazvan

APT;

1960. Direktno numeričko upravljanje – DNU (Eng. Direct Numerical Control – DNC)

Omogućeno je izravno slanje programa iz DNC računala u upravljačko računalo CNC

stroja (bušena vrpca nije nužna);

1968. u kompaniji Kearney & Trecker izrađen je prvi obradni centar;

1970-tih. pojava CNC alatnih strojeva, a odmah nakon toga Distribuiranog numeričkog

upravljanja – DNU (Distributed Numerical Control – DNC). Skraćenica DNC dobiva

novo značenje;

1980-tih. pojava CAD/CAM sustava. Javljaju se CAD/CAM sustavi za operativni sustav

Unix i za PC računala;

1990-te. veliki pad cijena u CNC tehnologiji;

1997. pojava upravljačkih računala zasnovanih na otvorenoj arhitekturi (PC Windows/

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

Danas su se na bazi NC upravljanja razvile različite razine i načini upravljanja za

poboljšanje produktivnosti i ekonomičnosti proizvodnje. Različite industrije zahtjevale su

različita usavršavanja ovih tehnologija u određenim granama, što je dovelo do stanja da danas


10

postoje neke potpuno specifične razine vezane uz NC upravljanje. Od specifičnih načina

upravljanja proizvodnjom potrebno je navesti:

direktno numeričko upravljanje ili DNC;

fleksibilni obradni sustavi ili FMS (Eng. Flexible Manufacturimg System);

rekonfigurabilni proizvodni sustavi ili RMS (Eng. Reconfigurable Manufacturing

System).

Direktno numeričko upravljanje – još nazivano i Distribuirano numeričko upravljanje je

izraz za upravljanje proizvodnjom pomoću IT mreža. Kako na pojedinim obradnim strojevima

dostupna memorija pojedinih upravljačkih računala nije dovoljno velika da sadrži izvođenje

cijeloga programa (primjer su obrade kompleksnih površina), podaci se u takvim slučajevima

pohranjuju na odvojeno stolno računalo i šalju direktno na izvođenje u stroj, blok po blok.

Ukoliko je takvo računalo spojeno sa više obradnih strojeva, ono može distribuirati podatke na

više mjesta u isto vrijeme, što se omogućava posebnim dodatnim računalnim programima. Sa

razvitkom PC računala proizvođačima DNC sustava su se otvorile dodatne mogućnosti za

podršku proizvodnje, osim same pohrane podataka. Tako se danas pod ovim terminom dodatno

nude usluge kao: nadgledanje obrade u stvarnom vremenu, grafička podrška, upravljanje alatima,

statističko praćenje rada strojeva i proizvodnje općenito i sl. Ovakvi programi pružaju

operaterima integrirani pregled svih informacija (tekstualnih i grafičkih) potrebnih za djelotvornu

obradu, dok menadžementu pružaju uvid u proces proizvodnje na svakom koraku. Vrlo često su

DNC sustavi u kompanijama povezani sa CAD/CAM i CAPP (Eng. Computer Aided Process

Planning) sustavima.

Fleksibilni obradni sustavi – su sustavi koji posjeduju određenu dozu fleksibilnosti koja

omogućava sustavu da reagira u slučaju zahtjeva za promjenom bilo ona predvidljiva ili

nepredvidljiva. Ta fleksibilnost se općenito dijeli na dvije kategorije, iako svaka od njih može

posjedovati još mnogo podkategorija:

fleksibilnost stroja;

usmjerena fleksibilnost.


11

Fleksibilnost stroja pokriva područje sposobnosti sustava da reagira na promjene kako bi

mogao proizvesti nove tipove proizvoda, te sposobnost promjene redoslijeda operacija koje se

izvršavaju nad dijelom. Usmjerena fleksibilnost se sastoji od sposobnosti korištenja većeg broja

strojeva korištenih za izradu dijela, kao i sposobnost sustava da apsorbira velike promjene kao u

primjerice količini proizvedenih dijelova ili u djelotvornosti proizvodnje.

Slika 7: Fleksibilni obradni sustav za izradu velikih komponenti [6]

Većina FMS sustava se sastoji od triju osnovnih podsustava. Sustav alatnih strojeva koji

su uvijek CNC strojevi, spojen je sustavom za manipulaciju obratcima kako bi se optimirao

protok dijelova, a sve je nadgledano i upravljano sustavom računalnog upravljanja.

Osnovne prednosti FMS-a su: brzina izrade, manja jedinična cijena, veća efikasnost,

bolja kvaliteta, povećana djelotvornost sustava, sposobnost povezivanja sa CAD/CAM

sustavima, itd. Osnovni nedostak je cijena postavljanja sustava.


12

FMS protok podataka sastoji se od dviju osnovnih tipova podataka u obliku velikih

datoteka i malih poruka. Ti podaci većinom pristižu sa različitih čvorova, uređaja ili

instrumenata. Veličina malih poruka kreće se u rasponu od nekoliko byte-ova do nekoliko stotina

byte-ova. Za razliku od poruka podaci izvršnog računalnog programa, te neki slični podaci

sastoje se od datoteka velikih dimenzija. Postoje i određena odstupanja u potrebnom vremenu za

odgovor komponenti u sustavu. Velike datoteke programa sa glavnog računala obično

zahtijevaju do šezdeset sekundi za učitavanje od strane pojedinog instrumenta ili stroja na

početku FMS operacije. Poruke sa instrumenata šalju se periodično u vremenu sa predodređenim

vremenskim odstupanjima. Ostali tipovi poruka koje prenose hitne obavijesti su posebno malih

veličina i moraju biti odaslane i primljene gotovo trenutno. Danas su kod FMS sustava

najizraženija istraživanja oko mrežnih protokola koji bi djelotvorno podržavali FMS

karakteristične podatke. To je prvenstveno stoga što postojeći IEEE standardni protokoli ne

zadovoljavaju u potpunosti komunikacijske zahtjeve u FMS okruženju.

Rekonfigurabilni (podesivi) proizvodni sustavi – Rekonfigurabilni proizvodni sustavi ili

skraćeno RMS u usporedbi s FMS imaju različite ciljeve. Osnovni cilj FMS-a je povećanje

različitosti proizvedenih dijelova. Osnovni cilj RMS-a je povećanje brzine odgovora na zahtjeve

tržišta. RMS je također fleksibilan ali u ograničenom opsegu. Njegova fleksibilnost je ograničena

samo na proizvodnju porodica izradaka. Osnovnu primjenu FMS je pronašao kod proizvodnje

malih serija proizvoda. Proizvodnja korištenjem RMS- a kreće se od malih do vrlo velikih serija

proizvoda, Slika 8.

RMS je prvotno dizajniran tako da može brzo promijeniti vlastitu strukturu, kao i vlastite

komponente hardvera i softvera, kako bi brzo postavio svoje proizvodne mogućnosti na

iznenadne promjene tržišta ili unutrašnjih sistemskih promjena. Idealni RMS posjeduje šest

osnovnih karakteristika:

modularnost;

integritet;

prilagodljivu fleksibilnost;

raspon djelovanja;

promjenjivost;

dijagnosticiranje.


13

Slika 8: Sustav RMS sa svojom podkompomentom naziva Rekonfigurabilni obradni stroj ili RMT (Eng. Reconfigurable Machin Tool) [13]

Modularnost predstavlja razdjeljivanje proizvodnih funkcija na različite operacijske

jedinice kako bi se njima moglo upravljati između različitih proizvodnih shema. Osnovni cilj

ovakvog načina rada je postizanje optimalne razine proizvodnje. U RMS većina komponenti je

tipično modularna (npr. strojevi, upravljačke osi, upravljačka računala...). Ukoliko se prilikom

rada pokaže potreba, te komponente mogu biti zamjenjene novima koje bolje odgovaraju

postavljenim zahtjevima.

Integritet predstavlja sposobnost brzog i preciznog integriranja različitih modula u

skupove mehaničkih, informacijskih ili upravljačkih sučelja. Integracijska pravila omogućuju

konstruktorima strojeva da povežu različite skupove komponenata stroja sa strojnim modulima i

tako omoguće integraciju proizvodnje. Kada se promatra sa razine sustava, različite module

predstavljaju strojevi, koji se integriraju pomoću sustava za transportiranje dijelova koji se

obrađuju, te tako tvore podešavajući sustav.

Prilagodljiva fleksibilnost omogućuje konstruiranje sustava za proizvodnju familije

dijelova, prije nego proizvodnju pojedinog dijela. Familija dijelova predstavlja npr. nekoliko

vrsta blokova motora ili nekoliko vrsta mikroprocesora. To znači da u kontekstu RMS-a, familija

dijelova predstavlja sve dijelove koji imaju slične geometrijske značajke, jednak stupanj

tolerancija, zahtijevaju iste operacije obrade ili su u jednakom redu koštanja.

Raspon djelovanja predstavlja sposobnost lake promjene proizvodnih kapaciteta sa

prenamjenama komponenti postojećeg proizvodnog sustava. Ova karakteristika na razini stroja

može predstavljati dodavanje pomoćnog vretena stroju kako bi mu se povećala produktivnost.


14

Promjenjivost je sposobnost promjene funkcionalnosti postojećeg sustava, strojeva i

upravljačkih računala kako bi se zadovoljili novi proizvodni zahtjevi. Primjer promjenjivosti

može biti promjena okretnog momenta vretena stroja, kada se pojavi potreba za obradom

materijala sa različitim obradnim karakteristikama od onih za koje je stroj do tada bio namjenjen.

Dijagnosticiranje je sposobnost automatskog uvida u trenutno stanje sustava i detekcije

mogućih zastoja, te pronalaska rješenja za njihovo otklanjanje. Dijagnosticiranje ima dva

aspekta. Prvi se odnosi na detekciju zastoja na pojedinom stroju tokom rada, dok se drugi odnosi

na detekciju izradaka s nezadovoljavajućom kvalitetom obrade. Drugi aspekt je od prilične

važnosti kod RMS sustava. Kako su proizvodni sustavi rekonfigurabilni, njihove postavke su

izložene učestalom mjenjanju, te je stoga važno da sustav ima sposobnost brze prilagodbe novom

načinu rada kako bi mogao proizvesti izratke zadovoljavajuće kvalitete. U tu svrhu se u RMS

sustave nadograđuju sustavi koji mjere kvalitetu izradaka kao npr. RIM (eng. Reconfigurable

Inspection Machine). Namjena ovih podsustava je da pomognu u brzom pronalasku uzroka loše

kvalitete izrađenih dijelova.

2.3. Razvitak petoosnih strojeva

Povijest petoosne obrade počinje s potrebama zrakoplovne industrije pedesetih godina

dvadesetog stoljeća, a slične potrebe javile su se i kod izrade opreme za transport, konstrukcije,

kućne aplikacije itd. Bilo je potrebno obraditi zahtjevne i kompleksne površine koje su bile

zakrivljene i nagnute pod više različitih kutova. Takve zahtjevne i kompleksno zakrivljene

površine obrađivale su se na troosnim alatnim strojevima za glodanje, kompenzirajući nedostatak

dviju osi raznim specijalnim alatima, prihvatima obratka i obradom dijela s nekoliko strana da bi

se dobila zadovoljavajuća razina gotovosti. Raznim kompanijama tada je postalo jasno da je

neophodno uvesti simultanu petoosnu obradu u svoje poslovanje. To je bio preokret u razvoju

strojeva za glodanje s pet simultanih osi gibanja i pripadajućih upravljačkih računala. Povijest

petoosne obrade seže u 1958 g., kada je jedan od prvih projekta bio uspostavljen za U.S. Air

Force kompaniju, Cincinnati Milacron. Zatim Cincinnati Milling Machine Co. imali su ugovor o

petoosnoj vertikalnoj glodalici koja je trebala biti pogonjena sa tri tzv. „kontrolera“. Stroj je imao

pet osi gibanja (X, Y, Z, A i B). Jedan kontroler bio je zadužen za translacijsko gibanje triju osi

(X,Y,Z), dok je drugi bio zadužen za prvu rotacijsku os (A), a treći za drugu rotacijsku os (B).


15

Stroj je uključivao mehaničko računalo koje je pratilo dubinu glodala triju translacijskih osi (X,

Y, Z) i dva kuta nagiba rotacijskih osi (A i B). Bio je to zahtjevan zadatak. Cijeli projekt nazvan

je “Opium Mill". Takav naziv je implicirao na koncept koji nije bio u doticaju sa stvarnošću za

tadašnje vrijeme. Bez NC tehnologije koncept nije bio praktičan za upotrebu.

Četiri su glavne stavke, tj. tehnologije bile ključne za kvalitetnu primjenu petoosne

obrade, a to su kako slijedi:

alatni stroj;

upravljački hardver;

upravljački softver;

softver za programiranje obrade dotičnog dijela.

Danas je takvoj obradi neosporno pomogao ubrzani razvoj računala i prateće tehnologije, razvoj

elektronike koji je doprineo projektiranju kvalitetnih i veoma moćnih upravljačkih jedinica.

Danas se na tržištu također nudi veliki broj CAD programa koji su sve više povezani (integrirani)

s CAM programima, što krajnjem korisniku uvelike olakšava put od ideje pa do gotovog

obrađenog dijela.

Značajke petoosnih obrada Najčešći primjeri primjene petoosne obrade

16

3. NAJČEŠĆI PRIMJERI PRIMJENE PETOOSNE OBRADE

Primjena petoosne obrade donijela je značajne prednosti u proizvodnji. Međutim i dalje

se konstantnim poboljšanjima u konstrukciji strojeva stalno otklanjaju postojeći nedostaci. Kod

velikih površina sa velikim polumjerima zakrivljenosti (kao npr. izrada kalupa za trup broda),

vrijeme obrade može se smanjiti za 20‐30%, Slika 9.

Slika 9: Primjer obrade kalupa za trup broda [1]

To je posljedica činjenice da petoosna upravljačka računala putanje alata po površinskoj

geometriji predmeta računaju vrlo precizno koristeći matematičke funkcije, te se stoga i dobivaju

puno bolje obrađene površine nego kod sustava gdje se geometrijske forme računaju na principu

trokuta ili sličnih entiteta. Kada je u pitanju obrada, npr. strme površine jezgre kalupa za


17

injekcijsko prešanje, upravljačko računalo generira petoosnu putanju alata na konveksnoj

površini gdje koristi vanjski promjer glodala na kojem je brzina rezanja maksimalna. Posljedica

toga je reduciranje vremena obrade i kvalitetnije obrađena površina.

Kada se obrađuju dijelovi obradaka malih površina i velikih polumjera zakrivljenosti,

često se koriste glodala sa zaobljenim vrhom (Eng. Ball End). Kod petoosnih sustava glodalo

može biti nagnuto u odnosu na površinu obrade pod optimalnim kutom tako da se dobije

konstantan presjek odvojene čestice što rezultira povoljnim uvjetima obrade u kontaktnoj točki.

Na taj način dobije se bolja kvaliteta obrađene površine s time da se i vijek trajanja reznog alata

može značajno produžiti.

3.1. Petoosne obrade u industriji kalupa i alata

Jedna od najznačajnijih uloga obrade odvajanjem općenito je u industriji izrade kalupa.

Kalupi za izradu polimernih izradaka mogu imati vrlo složene površine što predstavlja izazov za

proizvođače kalupa. Izrada kalupa može se podijeliti na dva područja i to: izrade standardnih

elemenata kalupa (kalupne ploče, elementi za vođenje, elementi za centriranje, dijelovi uljevnih

sustava...) i izrade nestandardnih elemenata kalupa (žigovi, gnijezda, klizači...), s time da je

izrada standardnih elemenata kalupa velikoserijska i serijska proizvodnja, a izrada nestandardnih

elemenata pojedinačna proizvodnja. Kako se u većini slučajeva radi o skupom i dugotrajnom

procesu, proizvođači neprestano imaju potrebu tražiti rješenja koja bi smanjila takve gubitke. Na

slici [10] prikazani su postupci izrade kalupa i to tradicionalnim načinima i nekim poboljšanim

suvremenim metodama.

Postupak A sa slike [10] se sastoji od slijedećih koraka:

1. toplinski neobrađeni sirovac;

2. grubo glodanje;

3. poluzavršno glodanje;

4. toplinska obrada;

5. obrada elektroerozijom;

6. završno glodanje;

7. ručna obrada.


18

Postupak B se sastoji od identičnih koraka kao i postupak A, s razlikom što je kod postupka B

načinjeno poboljšanje eliminiranjem obrade elektroerozijom u cjelokupnoj izradi obratka.

Postupak C se sastoji od koraka:

1. toplinski obrađeni sirovac;

2. grubo glodanje;

3. poluzavršno glodanje;

4. završno glodanje;

5. ručna obrada.

Sa Slika 10 je vidljivo da se suvremenim metodama opisanima u postupku C uspijevaju

preskočiti dva koraka tradicionalnih metoda, tako što se odmah ide na obradu toplinski

obrađenog sirovca, a eliminirana je i obrada elektroerozijom. Ovim poboljšanjima ostvaruju se

uštede u vremenu izrade i troškovima od 30 do 50%. Najčešće korištene suvremene metode

obrade odvajanjem za izradu kalupa su visokobrzinske obrade, suhe obrade i tvrde obrade.

Primjena navedenih metoda u kombinaciji sa petoosnim obradama trenutno drži vrh u ovoj grani

industrije.

Slika 10: Različite razine postupaka izrade kalupa [14]


19

Obrada jezgri kalupa – Slika 11. Petoosna obrada kod strmih površina jezgri kalupa

pruža mnoge prednosti jer se u tom slučaju može projektirati obrada kod koje je kontaktna

geometrija između alata i obrađivane površine linija (a ne točka), što za posljedicu ima manju

hrapavost, a željenu površinu je moguće obraditi u manje prolaza i u kraćem vremenu. Maleni

polumjeri zakrivljenosti i strmine unutar kutova obratka mogu se definirati kao neobrađene

geometrije koja će se obraditi kasnije. Površine na kojima se kalup razdvaja mogu biti definirane

kao kontrolne površine unutar kojih se vrši obrada jezgre kalupa.

Slika 11: Obrada jezgre kalupa [7, 6]

Obrada matrice kalupa – Slika 12. Petoosno upravljanje je veoma pogodno za obradu

dubokih matrica kalupa. Snažan algoritam za automatsko nagibanje alata, koji brine o

izbjegavanju kolizije, ili pak o željenoj orijentaciji alata i držača alata, omogućava obradu

matrice kalupa sa standardnim glodalima malih promjera. Obrada se vrši bez neželjenih vibracija

koje se javljaju prilikom završnih obrada zbog većih brzina rezanja. Imajući u vidu tu strategiju,

petoosna obrada omogućava glodanje dijelova kalupa koji su se prije trebali obrađivati EDM

postupkom (Eng. Electrical Discharge Machining, obrada elektroerozijom). Na taj način

dramatično je skraćeno vrijeme izrade kalupa, kao što je i pojeftinjena cjelokupna proizvodnja.


20

Slika 12: Obrada matrice kalupa [7, 6]

3.2. Obrada držača reznih alata petoosnom obradom

Kada se obrađuju držači reznih alata za obradu metala, neophodno je izvršiti postupak

glodanja ležišta izmjenjivih pločica u simultanome petoosnom modu. U mnogim slučajevima je

potrebna obrada na nekoliko različitih dubina, ovisno o tipu alata. Kraće vrijeme obrade je

ključno, budući da se radi o veoma skupome postupku obrade. Skraćivanje vremena obrade je

moguće jedino postizanjem glatke putanje alata, koja je podržana u sustavu petoosnih

upravljačkih računala.

Slika 13: Obrada koničnih alata [7, 6]


21

Obrada koničnih alata – Slika 13. Osnovni preduvjet za uspješnu obradu koničnih alata

je djelotvorna kontrola kolizije na mjestima obrade zareza i oštrih prijelaza. Mogućnosti takve

kontrole danas se nalaze u petoosnim modulima provjere upravljačkih računala. Iako su već sada

razvijeni algoritmi za tu svrhu prilično djelotvorni, mnoga istraživanja se i dalje izvode u tom

smjeru.

Obrada glodala za obradu drveta – Slika 14. Dokazano je da dijametralno suprotno

nagnute rezne oštrice na alatima za obradu drveta dovode do boljih performansi obrade drveta.

Bez petoosne obrade takvu geometriju bi bilo veoma teško postići.

Slika 14: Primjer glodala za obradu drveta [7]

3.3. Petoosna obrada u industriji prerade polimera i obrade drveta

Skidanje srha s polimernih tvorevina – Slika 15. Nakon izrade polimernih tvorevina

vakuumskom tehnikom, tehnikom ojačavanja vlaknima ili nekom drugom tehnikom, polimerne

je tvorevine potrebno dalje doraditi na način da je potrebno obraditi provrte, načiniti brazde,

izvesti različite kanale i sl, i to sa različitih strana dijela. Današnji postprocesori osiguravaju

maksimalno djelotvorno upravljanje orijentacijom glavnog vretena. Kod dijelova većih


22

dimenzija obično se koriste strojevi „Gantry“ izvedbe kod kojih se obje rotacijske osi nalaze u

sklopu glavnog vretena. Stoga upravljačka računala takvih strojeva imaju posebne algoritme za

upravljanje odabirom orijentacije alata tijekom obrade. Dodatno, automatska detekcija kolizije

tijekom obrade između steznih naprava i alata je vrijedna značajka upravljačkih računala ovakvih

petoosnih strojeva.

Slika 15: Skidanje srha s polimernih tvorevina [7, 6]

Izrada šablona i obrada drvenih modela – Slika 16. Izrada drvenih kalupa velikih

dimenzija korištenjem petoosne obrade rezultira velikim smanjenjem vremena obrade u odnosu

na jednake modele koji se izrađuje primjenom troosne obrade. Uz činjenicu da je kod troosne

obrade potrebno razdijeliti obradak na nekoliko manjih dijelova kako bi se mogla postići obrada

u željenoj poziciji sa primjerenom orijentacijom alata, potrebno je povezano s tim postavljanje i

nekoliko nul‐točaka obrade. Ovdje je možda najveća prednost primjene petoosne obrade to da se

korištenjem ravnih glodala velikih promjera (Eng. Flat End Mill) postavljenih okomito na

obrađivanu površinu obrada vrši najvećom, odnosno cijelom površinom alata. Dodatne istaknute

značajke petoosne obrade u ovom slučaju su također bitne. Najpotrebnije je još spomenuti

značajku koja omogućuje korisniku da sam definira izgled i dimenzije sirovca (Eng. Stock

Surface Model), te uz željeni CAD model obratka (Eng. Target) dobije sklop prema kojem se

vrši obrada. Time se izbjegavaju nepotrebni hodovi (ne prazni, ali svakako beskorisni) skidanja

materijala koji je nepotreban, što može trajati veoma dugo kod dijelova velikih dimenzija (npr.

izrada kalupa trupa broda).


23

Slika 16: Obrada drvenih modela [7, 6]

Obrada dijelova namještaja – Slika 17. Upotreba petoosne obrade veoma je prisutna i u

industriji izrade namještaja. Današnji trendovi idu ka sve zahtjevnijim oblicima namještaja (npr.

dizajn) koji je lako postići uporabom petoosne obrade. Situacija je slična kao i kod izrade

drvenih modela, tj. Industrije prerade polimera. To su sve grane proizvodnje gdje se koriste

strojevi sličnih konfiguracija.

Slika 17: Završna obrada dijelova namještaja [7, 6]


24

3.4. Petoosna obrada propelera

Gruba obrada propelera – Slika 18. Obrada propelera je jedna od najkompleksnijih

zadaća za proces glodanja. Jedan od razloga za to je taj što vrlo mali prostor za zakretanje alata

mora biti kombiniran s visokim zahtjevima za kvalitetu obrađene površine. Dalje slijede

ekonomski zahtjevi za kratkim vremenom izrade u kombinaciji sa zahtjevima za glatkim

prolazima alata preko obratka s mnogo obradnih površina. Nadalje ukoliko se modeli sastoje od

tankih rebara, ta su rebra podložna oštećenjima uzrokovanim vibracijama.

Kod ovog procesa najbolji rezultati su postignuti metodom definicije pripremka na

gornjoj i donjoj površini rebara, uz upotrebu koničnih alata za obradu. Daljnja značajka ove

obrade je mogućnost dinamičkog podešavanja. Npr. ukoliko algoritam upravljačkog računala

prepozna da neko gibanje alata tijekom obrade može dovesti do loma alata (npr. duboko

poniranje u materijal) na zaslonu se operateru ispisuje upozorenje kako bi mogao bez prekida

rada izmjeniti neki od parametara obrade.

Slika 18: Gruba obrada propelera [7]

Završna obrada lopatica propelera – Slika 19. Kritični zahtjevi kod završne obrade

lopatica su precizno i glatko pomicanje alata, jer svaka druga kretnja vodi ostavljanju tragova na

obrađenoj površini ili njenom oštećenju. Kako bi se postigao ovakav način kretanja alata

petoosna upravljačka računala pružaju korisniku različite mogućnosti odabira putanja alata.


25

Slika 19: Završna obrada lopatica propelera [7]

3.5. Petoosna obrada turbinskih lopatica

Gruba obrada turbinskih lopatica – je klasičan zadatak za petoosne obrade, Slika 20.

Petoosna obrada u ovom slučaju kombinira upravljanje i programiranje putanja alata sa

zakrivljenim obradnim površinama. Za samu obradu se koriste velika čeona glodala uz simultano

petoosno upravljanje. Programiranje pravovaljanih putanja alata je presudno za smanjenje

vremena izrade. Stoga su postprocesori optimirani kako bi pružili podršku upravljačkim

računalima u lakom upravljanju putanjama alata.

Slika 20: Gruba obrada turbinske lopatice [7]


26

Završna obrada turbinskih lopatica – Za završnu obradu turbinskih lopatica postoje dvije

strategije obrade. Prva strategija obrade, prikazana na Slici 21 je strategija kod koje se završna

obrada obavlja glodalima sa zaobljenim vrhom (Eng. Ball End Mill) uz zakretanje alata za

predviđeni kut, kako bi se izbjegla kolizija i optimirali uvjeti rezanja na površini. U ovoj

strategiji koristi se spiralna putanja alata kako bi se izbjegli tragovi na površini uzrokovani

preklapanjem putanje (Eng. stepover).

Slika 21: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s zaobljenim vrhom [7]

Druga strategija obrade prikazana Slikom 22 je višepovršinska završna obrada

korištenjem glodala s vrhom kojem su zaobljeni rubovi (Eng. Bull Nose End Mill). Korištenjem

alata većeg promjera, te korištenjem petoosnih upravljačkih računala za detekciju i spriječavanje

kolizije metodom zakretanja alata, postiže se smanjenje vremena obrade u usporedbi sa

strategijom korištenja glodala se zaobljenim vrhom. Spiralna putanja alata se može koristiti i u

ovom slučaju.


27

Slika 22: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s vrhom zaobljenih rubova [7]

3.6. Suvremeni postupci obrade odvajanjem s primjenom petoosne obrade

Danas kada se petoosna i višeosna obrada na veliko ustalila u proizvodnji, njena primjena

kod obrade pojedinih komponenti zahtjeva određene značajke koje su specifične samo za to

područje primjene. Te specifičnosti su ovisne o čimbenicima kao što su obrađivani materijal,

tehnologija obrade, koncepcija strojeva i sl. Tako se neka područja višeosnih obrada mogu

izdvojiti sama za sebe, a najznačajnija su:

visokobrzinska obrada (Eng. HSM; High Speed Machining);

tvrda obrada (Eng. Hard Machining);

suha obrada (Eng. Dry Machining);

višeosna obrada primjenom robota;

mikro obrada.

Visokobrzinska obrada – Visokobrzinska obrada se zbog svojih karakteristika davno

izdvojila kao zasebno područje obrade odvajanjem čestica, Slika 23. Tako su se i kod


28

kombiniranja visokobrzinske sa petoosnom obradom pojavile određene specifičnosti. Osnovni

razlozi uvođenja visokobrzinske obrade u petoosnu obradu su potreba za velikom količinom

odvojenog materijala sa obratka kod određenih obrada, te obrada otvrdnutih materijala. Gotovo

svi proizvođači CAD/CAM sustava danas nude posebne programske module za programiranje

visokobrzinskih petoosnih obrada. Ona se primjenjuje većinom kod izrade kalupa, alata i

kompleksnih 3D komponenti.

Slika 23: Uporaba visokobrzinske obrade za obradu kalupa od otvrdnutog materijala [4]

Prilikom programiranja visokobrzinske obrade računalni programi aktiviraju algoritme

koji generiraju glatke putanje alata kako za putanje prilikom zahvata tako i za putanje dostavnog

kretanja alata. Na taj način se zadržava ravnomjerno kretanje alata, što je prijeko potrebni uvjet

za održavanje visokih vrijednosti posmaka i eliminacije praznog hoda alata. Osnovni način rada

ovih algoritama je da se kretanje alata u smjeru Z osi drži na minimalnoj vrijednosti što smanjuje

prazan hod i vrijeme obrade. Sve putanje alata gdje je to moguće generiraju se u obliku glatkih

lukova. Kao rezultat visokobrzinskog moda dobivaju se glatke putanje dodatno provjerene i za


29

slučaj kolizije alata i obratka. Time se dobiva i veća kvaliteta obrađene površine, uz manje

trošenje alata. Smanjeno trošenje alata je bitno jer izravno utječe na produljenje vijeka trajanja

alata, a kratki vijek trajanja alata je jedan od važnijih problema kod visokobrzinskih obrada.

Tvrda obrada – Danas se na određene komponente postavljaju sve veći zahtjevi za

njihove eksploatacijske karakteristike. Zbog toga je takve komponente prije upotrebe potrebno

toplinski obraditi, odnosno otvrdnuti. Kako nakon toplinske obrade u većini slučajeva slijedi još i

završna obrada komponente, to se za završnu obradu postavljaju dodatni zahtjevi kako bi se ona

mogla djelotvorno provesti, Slika 24.

Slika 24: Obrada dijelova visoke tvrdoće tokarenjem [1]

Do nedavno su se završne obrade otvrdnutih materijala vršile isključivo završnim

brušenjem, međutim suvremene tehnologije danas omogućuju završne obrade otvrdnutih

materijala upotrebom tokarenja, glodanja, bušenja i razvrtavanja. Karakteristična pojava koja se

javlja prilikom završne obrade otvrdnutih materijala je tzv. bijeli sloj koji nastaje pri površini

obrađivane komponente nakon prolaska alata. Bijeli sloj se sastoji od sitnih martezitnih zrnaca


30

visoke tvrdoće, što predstavlja dodatni izazov za tehnologije obrade i rezne materijale, jer

zaostali bijeli sloj u materijalu komponente može prouzročiti negativne posljedice tijekom

eksploatacije. Materijal reznog dijela alata za tvrde obrade je gotovo isključivo kubični borov

nitrid ili CBN (Eng. Cubic Boron Nitride), čija je tvrdoća odmah do dijamanta. Za sada je to

jedini materijal sposoban izvršavati tvrde obrade materijala na bazi željeza. Dijamantni alati se

koriste za tvrde obrade i obrade teško obradivih materijala koji nisu na bazi željeza, ali se ne

mogu koristiti za tvrdu obradu čelika jer nisu dovoljno postojani na visokim temperaturama koje

se prilikom takvih obrada razvijaju. Dodatna specifičnost postavlja se na geometriju alata za

tvrdu obradu, koja mora biti takva da u zahvatu prednji kut alata bude negativan, jer se tvrda

obrada u većini slučajeva provodi sa takvom orijentacijom prednjeg kuta. Kod takve orjentacije

je ujedno i natražna sila rezanja veća od glavne sile rezanja.

Suha obrada – U proizvodnoj industriji od nedavno su se pojavili sve veći zahtjevi za

smanjenjem primjene sredstva za hlađenje, ispiranje i podmazivanje (kratica SHIP) prilikom

obrade.

Razlozi za smanjenje su sljedeći, [1]:

visoka cijena nabave i zbrinjavanja SHIP-a, Slika 25;

štetnodjelovanje SHIP-a na zdravlje operatera na alatnim strojevima;

štetno djelovanje SHIP-a na okoliš.

Slika 25: Udio troškova u proizvodnji s primjenom SHIP-a; Mercedes Benz, Stuttgart, [1]


31

Visoka ukupna cijena primjene SHIP-a uz samu cijenu nabave očituje se kroz mnogo

dodatnih čimbenika. Značajni dodatni čimbenici iskazuju se kroz: štetno djelovanje SHIP-a na

alatni stroj, troškove čišćenja i zbrinjavanja, izgubljene sate rada kroz bolovanja operatera

kojima je uzrok SHIP, povećanje troškova održavanja, itd.

Zaštita okoliša postala je obaveza svih, tako da za proizvođače koji koriste SHIP, takav

način rada predstavlja značajne troškove, jer su vlade većine zemalja vrlo rigorozne u mjerama

zaštite okoliša. Troškovi zaštite okoliša i zbrinjavanja SHIP-a su značajni i naplaćuju se

unaprijed, [1].

Kod konvencionalne serijske i masovne proizvodnje (redovito u automobilskoj i sličnim

industrijama) koristile su se velike količine SHIP-a s ciljem povećanja produktivnosti i točnosti.

Nedugo zatim dokazana štetna djelovanja SHIP-a na čovjeka i okoliš pokrenula su zahtjeve za

smanjenjem upotrebe iste. Skoro suha obrada (MQL, Eng. Minimum Quantity Lubrication)

osigurava minimalno potrebne količine sredstva za podmazivanje u struji stlačenog zraka

(mješavina ulje/zrak), te tako količinu maziva svodi gotovo na nulu. Uspješna zamjena

uobičajene obrade koja koristi SHIP s MQL obradom pretpostavlja rješenje dva problema:

razvoj MQL opreme kojom je moguće osigurati uobičajene performanse obrade;

razvoj metoda i tehnika za evakuaciju odvojene čestice iz radnog prostora stroja.

Slika 26: Shema gubitaka SHIP-a u procesu obrade [1]


32

Prvi se problem rješava različitim izvedbama vretena za miješanje sredstva za

podmazivanje i stlačenog zraka kako bi se osiguralo djelotvorno podmazivanje tijekom obrade

uz minimalni utrošak tekućine za podmazivanje. Problem odvođenja odvojenih čestica rješava se

vakuumskim tehnikama ili jednostavnim izvedbama odvođenja čestice pomoću gravitacije.

Potrošnja sredstva za podmazivanje manja od 120 l/h smatra se relativno malom kod

konvencionalnih obrada. Kod MQL radi se o potrošnjama od 50 ml/h, te se može reći da je

uporabom MQL obrada potrošnja sredstva za podmazivanje na razini promila u odnosu na

konvencionalne obrade. Dodatno se u mnogim testovima pokazalo da MQL snizuje temperaturu

obrade i povećava vijek trajanja oštrice alata. U očekivanju da će sve operacije uz primjenu

sredstva za podmazivanje moći raditi s MQL tehnologijom potrebno je paziti na slijedeće:

sigurno snabdijevanje sredstvom za podmazivanje;

dovod sredstva za podmazivanje do mjesta rezanja;

izbor MQL s obzirom na ostale uvijete obrade.

MQL se može smatrati međukorakom ka potpuno suhoj obradi. Primjena mekih prevlaka alata

može se smatrati alternativom MQL obradi. Kod takvih alata već sada su stvoreni uvjeti za

potpuno suhu obradu čeličnih materijala, ljevova i sinteriranih materijala.

Višeosna obrada primjenom robota – CNC obradni strojevi su višenamjenski izvršitelji

precizne proizvodnje, koji predstavljaju sazrelu tehnologiju rasprostranjenu u različitim

industrijama. Međutim razvoj i primjena novih računalnih programa može omogućiti robotskim

uređajima da preuzmu značajan dio sadašnjeg CNC obradnog tržišta, Slika 27. Prema nekim

istraživanjima upotreba robota u proizvodnji u SAD-u bilježi konstantan rast od oko dvadeset

posto godišnje.

Tipična primjena robota u industriji uključuje različita zavarivanja, bojenja, glačanja,

sastavljanja komponenti, premještanja, paletiziranja, te različita ispitivanja proizvoda. Sve ove

radnje obilježava visoka pouzdanost, preciznost i brzina. Već sada su razvijena različita

upravlljačka računala za više-robotsko upravljanje, pokretljivost uređaja je u porastu, a izrađuju

se i roboti sa dvije „ruke“ postavljene na istom postolju. Na tom području su posebno značajna

ulaganja kompanija poput Honde i Toyote.


33

Slika 27: Primjer obrade robotom [1]

U dijelu proizvodnje gdje roboti počinju zamjenjivati CNC strojeve spadaju aktivnosti

poput:

kompleksna rezanja i odvajanja materijala;

brušenja;

izrada kalupa;

završna obrada površina;

bušenja i razvrtavanja.

U navedenim radnjama uporabom robota ostvaruju se uštede i određene prednosti u

područjima kao što su:

bolje iskorištenje energije;

bolje iskorištenje fizičkog rada;

dosljednija proizvodnja;


34

Slika 28: Neke relacije između alatnih strojeva i robota [1]

Osnovni problem robota kao alternative CNC strojevima je nedostatak standarda za

njihove programske jezike. Dok je NC-kod za CNC strojeve standard, roboti se programiraju

svaki zasebno, s obzirom na proizvođača. Međutim i na tom području su uložena velika

financijska i znanstvena ulaganja, te se uskoro očekuju programi na PC platformi koji će u

potpunosti biti u stanju prevoditi NC-kod namijenjen CNC strojevima za primjenu na robotskim

uređajima. Uz očekivane manje troškove uređaja i opreme, Slika 28, na taj bi način petoosni i

šestoosni roboti mogli izvoditi jednake zadaće kao i CNC strojevi, ali mnogo efikasnije, sa

kraćim trajanjem procesa, zbog bržeg protoka instrukcija i virtualno neograničene fleksibilnosti.

Potrebno je istaknuti da bi se navedeno odnosilo na zadatke gdje se traže manje tolerancije, jer su

zbog krutosti uređaja CNC strojevi na tom području još daleko uspješniji od robota.

Mikro obrada – Svakom obradnom procesu prethodi donošenje proračuna i odabir

tehnologije na osnovi parametara kao što su djelotvornost, utrošak energije, utjecaj na okoliš, kao

i ekonomske značajke. Sve navedene mjere su usporedno sa razvojem tehnologije vodile prema

proizvodnji sve manjih dijelova, što se posebno očitovalo u elektronici, optici, medicini,

biotehnologiji, auto i zrakoplovnoj industriji, tako da se danas može govoriti o zasebnim


35

granama tehnologije nazvanim mikro i nano obrade, koje uključuju obradne procese na razini

manjoj od jednog milimetra, Slika 29.

110 010210310410510610710810910

Slika 29: Prikaz relacija veličina na različitim razinama

Zahtjevi za smanjenjem dimenzija usporedno su se razvijali u različitim granama

industrije i to postupno, na način da su se konvencionalni načini obrade prilagođavali proizvodnji

sve manjih dijelova, uz nastajanje novih tehnologija temeljenih na različitim fizikalnim i

kemijskim procesima. Kao posljedica toga danas postoji širok spektar korištenih metoda mikro

obrade, bez potpuno utvrđenih međusobnih prednosti i nedostataka.

Dodatna razlika mikro obrade u odnosu na makro obradu je ta, što čimbenici kao što su

male razlike u istrošenosti reznog dijela alata, veličina i orijentacija zrna u materijalu, te ostali

parametri koji nemaju značajan utjecaj kod standardnih obrada, u mikro obradi postaju

dominantni u pogledu točnosti, kvalitete obrađene površine i cjelovitosti proizvoda.

Jedna od osnovnih podjela mikro obrade ako se u obzir uzme i već afirmirana tehnologija je na,

Slika 30:

mehaničku obradu;

elektro-fizikalnu i kemijsku obradu;

mikro oblikovanje materijala;

obradu energetskim zrakama;

litografiju;

obradu dodavanjem materijala.

Ovakav skup različitih tehnologija praćen je istraživačkim aktivnostima iz područja upravljanja,

mjeriteljstva, CAD/CAM sustavima, standardizacije, rukovanja materijalom itd. Potrebno je


36

napomenuti da se dimenzije gotovih proizvoda stalno smanjuju u ovisnosti o vremenskom toku,

a na današnjem stupnju učinkovito se obrađuju metalni, polimerni i keramički materijali i to 2D i

3D prototipovi u masovnoj proizvodnji.

Slika 30: Opća podjela mikro obrada

Značajke petoosnih obrada Koncepcije strojeva za petoosnu obradu

37

4. KONCEPCIJE STROJEVA ZA PETOOSNU OBRADU

Broj osi stroja normalno se odnosi na broj stupnjeva slobode gibanja ili broj mogućih

nezavisno upravljanih pomičnih dijelova stroja. ISO nomenklatura za osi preporučuje korištenje

desnog koordinatnog sustava s alatom postavljenim u smjeru Z osi.

Prilikom analize stroja sastavlja se njegov kinematički dijagram. Iz kinematičkog

dijagrama odmah se mogu razabrati dvije grupe osi: osi kojima se upravlja kretanjem obratka i

osi kojima se upravlja kretanjem alata. Pet stupnjeva slobode gibanja je minimum kojim je

moguće ostvariti maksimalnu fleksibilnost. To znači da alat i obradak u zahvatu mogu biti

orijentirani relativno jedan prema drugome pod bilo kojim kutom. Minimalni broj osi se također

može odrediti sa gledišta kinematike krutog tijela. Za orijentaciju dva kruta tijela u prostoru

relativno jednog prema drugome potrebno je za svako tijelo šest stupnjeva slobode, što je 12

stupnjeva slobode. Kako su rotacije i translacije koje ne mijenjaju relativan položaj tijela jednog

prema drugom dozvoljene, broj stupnjeva slobode se smanjuje na šest. Razdaljina između alata i

obratka označava se kao putanja alata, čime se eliminira još jedan stupanj slobode, što daje broj

od minimalnih pet stupnjeva slobode.

Koristeći translacijske (T) i rotacijske (R) osi, kod dosadašnjih konstrukcija petoosnih

strojeva korištene su sljedeće kombinacije osi:

tri translacijske i dvije rotacijske osi;

dvije rotacijske i tri translacijske osi;

jedna translacijska i četiri rotacijske osi;

pet rotacijskih osi.

Međutim velika većina petoosnih strojeva spada u grupu strojeva sa tri translacijske i

dvije rotacijske osi. Grupe strojeva sa dvije translacijske i tri rotacijske osi koriste se kod nekih

strojeva za izradu brodskih propelera. Ostale dvije grupe koriste se kod nekih robota i to najčešće

u kombinacijama sa dodavanjem dodatnih osi. Kako velika većina strojeva spada u grupu sa tri

translacijske i dvije rotacijske osi, nadalje će se razmatrati samo oni.


38

4.1. Klasifikacija strojeva prema rasporedu osi kojima se mogu gibati alat i

obradak

Uzimajući u obzir da li su osi stroja postavljene kao osi kojima se giba alat ili osi kojima

se giba obradak, petoosni strojevi mogu pripadati u sljedeće grupe:

0/5'

1/4'

2/3'

3/2'

4/1'

5/0'

Slika 31: Koncepcija stroja XYZA'B' iz grupe 3/2' [8]

Ovdje oznaka bez apostrofa predstavlja osi kojima se giba alat, a oznaka s apostrofom (’)

predstavlja osi kojima se giba stol sa obratkom. Brojevi označuju broj osi.

5/0' strojevi – po svim osima se giba alat, dok je obradak fiksiran na stolu. Ovi strojevi su

jedni od prvih modela petoosnih strojeva koji su namijenjeni za obradu masivnijih obradaka.

Kako se u kinematici kretanja alata nalazi mnogo veznih točaka, mogu se na obrađivanoj


39

površini pojaviti značajne greške uzrokovane elastičnim deformacijama i zračnostima u

ležajevima.

Slika 32: Koncepcija stroja XBYAZ iz grupe 2/3' [8]

0/5' strojevi – po svim osima se giba stol sa obratkom, a alat je fiksiran u prostoru. Ova

konstrukcija je najbolje iskorištena prilikom obrade relativno malih obradaka.

4/1' strojevi – po četiri osi se giba alat, a po jednoj osi se giba obradak. Kod ovih strojeva

postoje dvije mogućnosti: os kojom se giba obradak može biti rotacijska (R') ili translacijska (T').

1/4' strojevi – jednom osi giba se alat, a po četiri osi giba se obradak. Ovdje su također

dvije mogućnosti, da se alat giba osima R ili T.

3/2' strojevi – po tri osi giba se alat, a po dvije osi giba se obradak. Ovdje postoje

mogućnosti da se obradak giba po osima T'T' ili R'R' ili može biti kombinacija T'R'. Ovakvi

strojevi omogućuju obrade velikih obradaka ali je konstrukcija stroja povezana s gibanjem alata

komplicirana. Najčešće se koristi kombinacija gdje su obje osi kojima se giba obradak rotacijske.

2/3' strojevi – po dvije osi giba se alat, a po tri osi giba se obradak. Ovdje također postoje

tri kombinacije osi kojima se giba alat: RR, TT i RT.


40

4.2. Klasifikacija strojeva prema lokaciji rotacijskih osi

Petoosni strojevi mogu se klasificirati prema mjestu na kojem se nalaze rotirajuće osi

stroja. Tu se uzima u obzir da li se rotirajućim osima giba alat ili obradak. Moguće konfiguracije

za strojeve sa dvije rotirajuće osi su:

obje rotacijske osi nalaze se na vretenu – RR strojevi;

obje rotacijske osi nalaze se na stolu obratka – R'R' strojevi;

jedna rotacijska os nalazi se na vretenu, a druga na stolu – R'R strojevi.

R'R' strojevi – obje se rotacijske osi nalaze na stolu, a alat može biti fiksiran u prostoru ili

može sadržavati od jedne do tri translacijske osi, Slika 33. Prednosti ovih strojeva su:

u slučaju horizontalne izvedbe glavnog vretena optimalno odstranjivanje odvojenih

čestica izvodi se uz pomoć gravitacije na način da ona jednostavno pada na podlogu;

os alata tijekom obrade uvijek je paralelna sa Z osi stroja. Na taj se način obrada prilikom

određene orijentacije alata uvijek vrši u XY ravnini, tako da se zadane funkcije izvode u

jednostavnom troosnom modu;

kompenzacija duljine alata izvodi se cijelo vrijeme u NC upravljačkom računalu stroja

kao kod troosnih strojeva.

Slika 33: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na obradnom stolu [8]


41

Nedostaci ove izvedbe su:

strojevi s rotacijskim stolom su uvijek namijenjeni obratcima ograničenih dimenzija;

radni prostor alata je zbog nagiba alata često smanjen (po X,Y i Z osima);

transformacija kartezijevih CAD/CAM koordinata pozicije alata u odnosu na koordinate

osi stroja je ovisna o poziciji obratka na stolu. To znači da ukoliko se položaj obratka na

stolu promijeni, transformacija osi NC programa se ne može provesti automatski nego je

potrebno ponovo izgenerirati cijeli kod.

Neke važne značajke primjene strojeva ovog tipa su:

omogućena je obrada elektroda i ostalih obradaka sa svih strana;

moguća je obrada dijelova koji zahtijevaju veliku preciznost;

moguća je obrada turbina i profila za gume vozila zakretanjem alata za određeni kut. Tu

je moguće izvoditi obrade koje se sastoje od istih značajki tako da se programira obrada

jednog inkrementa, pa se za ostale inkremente koristi isti program s tim da se samo alat

zakrene ili pomakne za određeni kut ili udaljenost.

Slika 34: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na glavnom vretenu [8]


42

RR strojevi – obje rotacijske osi nalaze se na glavnom vretenu, Slika 34. Ovdje su česte

izvedbe gdje se rotacijske osi sijeku u jednoj točci, što značajno pojednostavljuje obrađivanje

podataka i izračun za upravljačka računala. Prednosti ovih strojeva su:

moguća je obrada velikih obradaka;

vrijednosti X,Y,Z osi stroja u NC programu ovise jedino o duljini alata. Tako se ishodiše

koordinatnog sustava obratka u slučaju novog stezanja može podesiti jednostavnom

translacijom.

Nedostaci ove izvedbe su:

kompleksan pogon glavnog vretena;

smanjena krutost iz razloga što rotacijska os vretena ograničava prijenos sile. Kod brzina

vrtnje od preko 5000 o/min dolazi do djelovanja kontra momenta izazvanog žiroskopskim

efektom;

kružna interpolacija u proizvoljno izabranoj ravnini, kao i ciklusi bušenja u proizvoljnoj

orijentaciji često nisu mogući;

promjene u duljini alata ne mogu se izvesti translacijama koordinatnih sustava kojih bi se

podaci prenijeli u upravljačko računalo stroja, nego je potrebno ponovo generirati NC-

kod.

Slika 35: Koncepcija stroja sa rotacijskim osima na glavnom vretenu i na stolu [8]


43

Značajna područja primjene ovih strojeva su obrade svih tipova velikih obradaka, kao npr. krila

zrakoplova i trupovi brodova.

RR' strojevi – po jedna rotacijska os nalazi se na glavnom vretenu i na stolu, Slika 35.

Iako na tržištu postoji veliki broj strojeva ovakve izvedbe, oni sadrže nedostatke obiju prijašnjih

grupa, te se koriste sa obradu isključivo manjih obradaka. Područje primjene im je gotovo

jednako kao u strojeva sa rotacijskim osima na stolu.

4.3. Osnovne metode petoosne obrade ovisno o koncepciji stroja

Najveći nedostatak primjene petoosnih strojeva je to što se zbog većeg broja veza i

zglobova između pokretnih dijelova stroja može pojaviti smanjena krutost. Iako konstruktori

strojeva ulažu velike napore za otklanjanje ovih nedostataka, kod prijenosnih mehaničkih

dijelova pojava zračnosti između komponenata je uvijek prisutna. Ako ne na početku upotrebe

stroja, onda se svakako može pojaviti nakon nekog vremena, kada zračnost nastaje uslijed

trošenja pokretnih dijelova zbog trenja. Stoga, kako bi se stroj što više očuvao i kako bi mu se

produljio vijek trajanja, treba paziti na izbor tehnologija obrade prilikom upotrebe stroja. Iz tog

razloga strojevi imaju opciju „zaključavanja“ rotirajućih osi tijekom obrade što im daje dodatnu

krutost. Ovakav način štednje strojeva proizlazi i iz činjenice da se više od 95% obrada na pet

osnim strojevima može izvršiti korištenjem samo tri translacijske osi. Stoga je rotirajuće osi

potrebno otključavati samo prilikom onih obrada kod kojih prednosti petoosne obrade dolaze do

izražaja. Te petoosne obrade dijele se u dvije osnovne grupe:

obrade pozicioniranjem alata;

simultane petoosne obrade.

Obrada pozicioniranjem alata – je prikladan način obrade dijelova koji se sastoje od većeg broja

provrta i ravnih površina, Slika 36. Ako bi se takvi dijelovi obrađivali na troosnom stroju, obrada

se ne bi mogla izvesti u jednom stezanju, nego bi se obrada svake ravne površine morala vršiti u

zasebnom stezanju nakon potrebnog orijentiranja obrađivanog dijela prema alatu. Međutim kod

uporabe petoosnih strojeva alat je moguće orijentirati relativno prema obratku u bilo kojem

položaju. Kada se željena orijentacija postigne provrti ili ravne površine mogu biti obrađeni na


44

način da se pojedine osi drže fiksnima ili zaključanima. Ukoliko je potrebno samo izbušiti

provrte, teoretski je potrebna samo jedna os. U slučaju 2D utora dovoljne bi bile dvije osi. Uz to

ipak se najčešće upotrebljava simultano upravljanje sa tri translacijske osi, jer je na taj način

omogućen mod brzog kretanja alata.

Slika 36: Obradak prikladan za obradu primjenom strategije pozicioniranja alata [6]

Simultana petoosna obrada – da bi se obradili kompleksni oblici nepravilnih površina potrebno

je mijenjati relativnu orijentaciju alata prema obratku tijekom cijelog vrjemena obrade, Slika 37.

Relativna orijentacija alat-obradak mijenja se sa svakim korakom, a CNC upravljačko računalo

treba upravljati sa svih pet osi simultano tijekom procesa obrade. Najznačajnija područja

primjene simultane petoosne obrade su u proizvodnji:

turbinskih i kompresorskih lopatica;

ubrizgavača pumpi za gorivo;

profila za gume vozila;

medicinskih proteza i implantata;

kalupa i alata.

Simultana petoosna obrada je ujedno i krajnji doseg koji se od ove tehnologije može

izvući. Iako se simultana petoosna obrada koristi samo u specifičnim industrijama ili u vrlo

malom postotku kod većine proizvođaća komponenti, oni dijelovi koji se sa njom obrađuju u

prošlosti su mogli biti obrađeni iskljućivo ručnim postupcima. Stoga je jasno koliko se

uputrebom petoosne obrade dobilo na standardizaciji dimenzija obradaka i brzini izrade.


45

Slika 37: Primjer simultane petoosne obrade [6]

Značajke petoosnih obrada Projektiranje tehnologije za petoosne obrade

46

5. PROJEKTIRANJE TEHNOLOGIJE ZA PETOOSNE

OBRADE

Zadaća tehnologa je da nakon vizualnog proučavanja konačne verzije komponente koju

je potrebno obraditi, prvo osmisli način na koji je to moguće napraviti od početnog sirovca. Tu

spada prvenstveno odabir stroja, a zatim postavljenje sirovca na stroj i odabir stezanja. Tek

nakon toga dolazi projektiranje tehnologije obrade u užem smislu i odabir parametara obrade.

Parametri obrade (posmak, brzina rezanja i dubina rezanja) se odabiru iskustveno ili iz priručnika

(još uvijek vrlo rijetko pomoću računalnih sustava), a u ovisnosti o materijalu obratka i drugim

utjecajnim parametrima (faza obrade, stezanje, hlađenje...). Nakon toga se projektiraju

specifičnosti tehnologije vezane za petoosnu obradu. Projektiranje tehnologije je prvenstveno

vezano za računalni program kojim se obrada vrši. Međutim osnovne mogućnosti svih

računalnih programa su prilično slične. Važnost pravilnog projektiranja tehnologije obrade

najviše ima utjecaja na čimbenike kao što su: vrijeme izrade, kvaliteta obrađene površine,

trošenje reznog alata, itd.

5.1. Zadavanje geometrije gibanja alata

Osnova kod zadavanja geometrije gibanja alata je zadavanje putanja alata u zahvatu po

obradnoj površini. Te površine se označuju na CAD modelu u računalnom programu, te ih se u

slučaju grube obrade može zadati sa određenim pomakom (Eng. offset) od konačno zahtijevane

površine. Na odabranoj površini se zatim određuje način na koji će ona biti obrađena. Načini

obrade zavise od korištenog CAM programa, a najčešći su:

paralelna obrada;

obrada okomita na krivulju;

obrada oblika između krivulja;

obrada paralelna sa krivuljom;

obrada oblika između površina;

obrada paralelna sa površinom;

obrada bočnom stranom alata.


47

Paralelna obrada – Slika 38. Ovaj način obrade kreira putanje (prolaze) koje su

međusobno paralelne. Za ovu obradu je potrebno definirati kutove i to u XY ravnini i u odnosu

na Z-os.

Slika 38: Kutovi obrade u XY ravnini, te u odnosu na Z-os kod paralelne obrade [10]

Obrada okomito na krivulju – Slika 39. Ovaj način omogućava generiranje putanje alata

okomito na vodeću krivulju definiranu na CAD modelu.

Slika 39: Putanje okomite na vodeću krivulju [10]


48

Obrada oblika između krivulja – Slika 40. Ovaj način generira putanju alata koja se

oblikom raspoređuje između vodećih krivulja. Obično se definira početna i konačna krivulja, a

putanja alata mijenja oblik kako se od jedne približava prema drugoj krivulji.

Slika 40: Oblik putanja između krivulja [10]

Obrada paralelna s krivuljom – Slika 41. Kod ovog načina odabire se vodeća krivulja, a

putanje alata su paralelne s njom i međusobno.

Slika 41: Putanje paralelne s krivuljom [10]


49

Obrada oblika između površina – Slika 42. Putanje alata se generiraju između zadanih

površina. Putanje mijenjaju oblik od početne zadane površine prema krajnjoj površini.

Slika 42: Oblik putanja između zadanih površina [10]

Obrada paralelna s površinom – Slika 43. Ova opcija omogućava generiranje putanje

alata na obrađivanoj površini paralelno sa zadanom površinom

Slika 43: Putanje paralelne sa zadanom površinom [10]


50

Obrada bočnom stranom alata – Slika 44. Iako je obrada bočnom stranom alata kod

troosnog glodala standardna operacija, ona se kod petoosnih obrada koristi samo u posebnim

slučajevima, kod obrade strmih nepravilnih površina. Karakteristika ove obrade je u tome što je

dodirno područje između alata i obratka linija, pa se stoga mogu postići obrađene površine

visoke kvalitete uz minimalni broj prolaza. Ova obrada je često korištena u simultanom

petoosnom modu obrade.

Slika 44: Obrada bočnom stranom alata [10]

5.2. Parametri putanje gibanja alata u zahvatu

Nakon što je putanja alata zadana, odabiru se njeni parametri i to ponajviše u ovisnosti od

zahtjeva za kvalitetom obrađene površine. Najznačajniji parametri su:

parametri kvalitete površine;

sortiranje putanje alata;

dodirna točka alata.


51

Parametri kvalitete površine – Slika 45. Određuju odstupanja između obrađivane

površine i putanje alata. Realna obrađena površina uvijek se razlikuje od površine CAD

konstrukcije zbog inkrementalnog kretanja alata. Putanja alata se podjeli na inkremente koji

zadržavaju istu orijentaciju alata na određenom zadanom razmaku kretanja alata. Ako su

tolerancije manje na putanji se generira više točak., Ovo povećava kvalitetu obrađene površine,

ali se zato vrijeme proračuna produljuje.

Slika 45: Način na koji se računalnom programu zadaju tolerancije na putanju alata [10]

U ove parametre spada još i zadavanje preklapanja između dvije slijedne putanje (Eng.

stepover), Slika 46. Ukoliko se upotrebljava glodalo sa oblim vrhom ovaj parametar direktno

utječe na hrapavost obrađene površine.

Slika 46: Utjecaj razmaka između prolaza na kvalitetu obrađene površine [10]


52

Sortiranje putanja – ovi parametri određuju redoslijed i smjer obrade. U njih spadaju

postavljanje metoda rezanja, od kojih su najčešće: cik-cak, jednosmjerna i spiralna metoda, Slika

47. Uz ove metode mogu se još postaviti parametri kao što su obrada u smjeru kazaljke na satu i

obrnuta od smjera kazaljke na satu, te istosmjerno ili protusmjerno glodanje. U određenim

slučajevima može se odabrati redoslijed: od jedne površine prema drugoj, od centra površine

prema van i od ruba površine prema centru. U slučajevima gdje jedan od navedenih parametara

neminovno za sobom povlači neki od preostalih parametara računalni program dodatni odabir

podešava automatski. Na primjer površina koja se obrađuje cik-cak zbog vrtnje vretena unaprijed

je određeno da bude obrađena i protusmjernim i istosmjernim glodanjem, u ovisnosti o

smjerovima prolaza alata u jednom i u drugom smjeru. Jednosmjerna i spiralna obrada mogu

obradu vršiti samo u jednom smjeru. Tako se odabirom metode glodanja i smjera prolaza odabire

i smjer vrtnje glavnog vretena.

Slika 47: Cik -cak, jednosmjerna i spiralna metoda obrade [10]

Dodirna točka alata – Ovi parametri određuju točku na reznom dijelu alata koja će biti u

kontaktu sa obrađivanom površinom, Slika 48. Najčešće se ova točka zadaje: na centru ili na

polumjeru zaobljenja vrha alata. Točka u centru se najčešće zadaje kod glodala sa ravnim vrhom

i u slučaju da je alat tijekom obrade okomit na obrađivanu površinu, jer se u tom slučaju obrada

vrši na obodu glodala (Eng. Face Mill).


53

Slika 48: Točka obrade na centru i na polumjeru zaobljenja vrha alata [10]

Kod glodala s oblim vrhom potrebno je definirati točku dodira između alata i obratka, jer

se upotrebom takvih alata rezanje ne vrši na vrhu alata, nego negdje na polumjeru zakrivljenosti

vrha alata. Stoga je kod upotrebe takvih alata potrebno procijeniti kojim dijelom će biti izvršeno

najefikasnije rezanje, te zatim tu točku definirati u CAM programu. Odstupanje dodirne točke od

vrha alata je određeno dvjema dimenzijama koje su ovisne o zadanom smjeru obrade, Slika 49.

Pomak točke od središta u smjeru obrade naziva se prednji pomak, a pomak točke okomito na

smjer obrade naziva se bočni pomak. Nadalje se ova točka može zadati automatski, tako da ju

algoritam softvera sam pomiče prema najprikladnijem proračunu računalnog programa. Uz

automatsko zadavanje, točka na alatu može još biti zadana i od strane korisnika.

Slika 49: Točke dodira alata i obrađivane površine s karakterističnim parametrima [10]


54

5.3. Strategije nagiba alata tijekom obrade

Obrada se s obzirom na orijentaciju alata prema smjeru obrade (oznaka kuta βf) može

podijeliti na poniranje i natražno rezanje. Nagib alata u odnosu na smjer prolaza (oznaka kuta βn)

također se dijeli na poniranje i natražno rezanje, Slika 50. Poniranje je slučaj kada je kut između

alata i obrađivane površine negativan, a natražno rezanje kada je pozitivan.

Slika 50: Nagibi alata tijekom obrade [12]

Analitički gledano, Slika 51 oznakom κ označava se kut ruba oštrice alata od središta

zakrivljenosti oštrice, a oznakom φ kut rotacije oštrice alata. U slučaju kada je obrađivana

površina nagnuta prema alatu kut oštrice u zahvatu κc(φ,β) određuje se iz razlike između kutova

više oštrice, κa (φ,β) i niže oštrice, κe(φ,β). Rotacijski kut zahvata oštrice alata označen sa φc(κ, β)

određen je razlikom između φa(κ, β) izlaznog kuta i φe(κ, β) ulaznog kuta oštrice alata u zahvatu.

Tako se i debljina odvojene čestice s oznakom h(κ, β, φ) određuje iz trenutnih kutova κ i φ.

Debljina odvojene čestice kontinuirano se mijenja linijom zahvata oštrice alata.

Bilo koja točka na površini vrha reznog dijela alata sa polumjerom RK, prikazana

oznakom K, može biti prikazana korištenjem jediničnog vektora u, kuta oštrice alata κ i

rotacijskog kuta alata u zahvatu φ. U tom slučaju K je jednak izrazu [12]:

(1)

; ; 1


55

Slika 51: Karakteristični kutovi koji se pojavljuju prilikom nagiba alata [12]

U slučaju da je alat nagnut prema površini za neki kut β pozicija promatrane točke može

se transformirati uzimajući u obzir rotacijsku matricu D [12]:

cos β sin β sin β sin β cos β0 cos β sin βsin β cos β sin β cos β cos β

(2)

Ka D*K (3)

Uvjet obuhvata između alata i obratka određuje varijable zahvata reznog alata. To je uvjet

gdje je vektor normale na površinu vrha alata okomit na smjer posmičnog kretanja s oznakom f,

te je stoga [12]:

· · 0 (4)


56

Trenutni kut oštrice alata u zahvatu s obzirom na kut rotacije oštrice alata može se dobiti

na način [12]:

(5)

Ovaj kut može odrediti geometriju obrađene površine zadanim kutom rotacije. Na taj se

način nadalje može doći i do granica obrađene površine Fk,a(φ).

Slika 52: Geometrija alata sa polukuglastim vrhom[12]

Granične linije generirane alatom sastoje se od triju linija, koje se mogu prikazati u

ovisnosti od kutova φ i κ, Slika 53.

Kut oštrice alata κ12, između početnih i krajnjih kutova linije 1-2 može se dobiti

uspoređujući pozicije na oštrici alata Ka i granica obrađivane površine Fk,a. Stoga se za zadani

kut rotacije alata u zahvatu φr može pisati [12]:


57

, , (6)

, , (7)

Slika 53: Rubne linije na obrađivanoj površini [12]

Ukoliko se dubina rezanja ap može smatrati konstantnom visina granične linije je također

konstantna. Stoga se kutovi oštrice κ23 mogu odrediti izrazom [12]:

, (8)

Ako se posmak po zubu alata označi sa fz, onda se kutovi oštrice κ13 mogu dobiti

postavljanjem jednadžbi za pozicije položaja trenutnog i prethodnog zuba u prolazu [12]:

, , (9)

, , (10)

, , (11)


58

Duljina rezne putanje označava se oznakom lc. Koristeći sve navedene kutove može se

konstruirati zatvorena površina, a reznu putanju ili duljinu odvojene čestice, koja utječe na

trošenje alata izraziti jednadžbom [12]:

(12)

sin · (13)

Debljina odvojene čestice h uz zadane kutove φ i κ, može se izvesti promjenama

jediničnog vektora koji se nalazi na polumjeru zakrivljenosti alata. Debljina odvojene čestice je

promjenjiva veličina koja se mijenja slijedeći promjenu jediničnog vektora u. Prosječna debljina

odvojene čestice dobiva se iz izraza [12]:

(14)

Područje poprečnog presjeka odvojene čestice dobiva se iz izraza [12]:

(15)

Strategije nagiba alata omogućuju definiranje orijentacije osi alata relativno prema

normali obrađivane površine za vrijeme obrade. Nagibe alata je bitno postaviti kako bi se u točki

obrade dobila optimalna brzina rezanja Najčešći načini zadavanja nagiba su:

obrada bez nagiba alata, Slika 54;

nagib relativno na smjer obrade, Slika 55;

nagib za zadanu vrijednost kuta, Slika 56;

nagib kroz točku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru osi Z

alata, Slika 57;

nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru osi Z

alata, Slika 58

nagib kroz točku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u

negativnom smjeru osi Z alata, Slika 59.


59

Obrada bez nagiba alata – Slika 54. Ova opcija drži smjer osi alata u smjeru normale

obrađivane površine.

Slika 54: Obrada bez nagiba alata [10]

Nagib relativno na smjer obrade – Slika 55. Kod ovog načina zadaje se kut osi alata u

smjeru obrade relativno na normalu obrađivane površine. Uz njega moguće je zadati i dodatni

kut nagiba u stranu od smjera obrade.

Slika 55: Nagib alata relativno na smjer obrade primjenom cik-cak strategije [10]


60

Nagib za vrijednost kuta – Slika 56. Ovom opcijom alat je nagnut u nagibnoj ravnini

definiranoj normalom na obrađivanu površinu i specifičnom nagibnom osi. Nagib se zadaje

relativno na normalu obrađivane površine.

Slika 56: Nagib alata za zadanu vrijednost kuta [10]

Nagib kroz točku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru – Slika 57.

Ovom opcijom os alata uvijek prolazi kroz definiranu točku.

Slika 57: Nagib kroz točku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10]


61

Nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru – Slika 58.

Ovom opcijom osi alata sijeku definiranu nagibnu krivulju.

Slika 58: Nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10]

Nagib kroz točku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u

negativnom smjeru – Slika 59. Ovom opcijom osi alata se sijeku u definiranoj točki/krivulji i

usmjerene su od nje.

Slika 59: Nagib kroz točku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u negativnom smjeru [10]


62

5.4. Kolizija gibajućih komponenti sa trenutno neaktivnim površinama

Jedan od problema koji se posebno javlja kod petoosne obrade slobodnih površina je

kolizija. Kolizija se može definirati kao sraz oštrice alata, držača alata ili glavnog vretena sa

obrađivanom površinom, nekom neaktivnom površinom obratka ili dijelovima stroja kao i

steznih naprava. Sraz sa obrađivanom površinom podrazumijeva neželjeni kontakt obrađivane

površine i nekog pokretnog dijela koji nije programiran u obradi. Sve kolizije kao neželjene

pojave dovode do oštećenja ili uništavanja komponenti u procesu obrade. Postoje dvije osnovne

vrste kolizije:

lokalna kolizija;

globalna kolizija.

Lokalna kolizija se može definirati kao sraz, najčešće oštrice alata sa obrađivanom

površinom, Slika 60.

Slika 60: Lokalna kolizija alata i obrađivane površine[9]

Globalna kolizija se može definirati najčešće kao sraz držača alata sa neaktivnim

površinama obratka, Slika 61.

Danas su razvijeni brojni algoritmi za detekciju kolizije prilikom generiranja NC koda

koji se razlikuju u ovisnosti od proizvođača računalnih programa.


63

Slika 61: Globalna kolizija držača alata i neaktivne površine[9]

Značajke petoosnih obrada Programiranje petoosne obrade

64

6. PROGRAMIRANJE PETOOSNE OBRADE

Petoosna obrada se zbog svoje kompleksnosti može programirati jedino korištenjem

CAD/CAM sustava. Kada se CAD model unese u računalni program na njemu se odabire željena

strategija obrade. Kada je strategija obrade određena, računalni program CAM sustavu predaje

parametre putanje alata ili CL podatke (Eng. Cutter Location, CL data). Ti se podaci nadalje u

postprocesoru prilagođavaju za izvođenje na zadanom stroju, odnosno generira se NC kod. Zbog

složenosti upravljanja petoosnom obradom, CAM sustav se sastoji od mnoštva algoritama koji

dovode do generiranja pogodnog NC koda.

6.1. Datoteka putanje gibanja alata

CL datoteka predstavlja datoteku putanje gibanja alata tijekom obrade. CL datoteka je

sučelje između dviju programskih podrški, odnosno sučelje između procesora i postprocesora, te

predstavlja izlazni kod iz procesora. Osnovne značajke CL datoteke definirane su normama

ISO/DIS 3592 i DIN 66215 i temelje se na značajkama APT CL datoteke [1]. CL datoteke svih

programskih jezika nisu jednake, ali je zbog značenja APT-a njegova CL datoteka postala

norma. Iz tih razloga kao i zbog razvijenih vlastitih aplikacija u vrijeme korištenja APT-a kao

sustava za programiranje NC strojeva, većina CAD/CAM sustava kao jedan od mogućih izlaza iz

NC modula nudi APT kod.

CL datoteka sastavljena je od CL slogova (Eng. Record), a CL slogovi sastavljeni su od

CL riječi (Eng. Word). Broj riječi u jednom slogu varira i kreće se u rasponu od 2 do 245 riječi.

Tipovi riječi mogu biti cijeli brojevi (Eng. Integer), realni brojevi (Eng. Real) i alfanumerički

znakovi (Eng. Character). Definirani tipovi riječi u slogu su kako slijedi, Slika 62:

riječi od 1 do 3 su cjelobrojne;

format i tipovi riječi od 4 do 245 ovise o tipu CL sloga;

ako su riječi alfanumeričke, koristi se određeni broj lijevih pozicija u riječi (u APT-u 6),

dok su u desne pozicije upisane vrijednosti 0;

kod riječi koje imaju manje od 6 znakova u desna mjesta se upisuje 0, a u lijeva praznine.


65

Sadržaj prve riječi u svakom slogu je redni broj sloga, a slogovi se počinju odbrojavati od

jedan. Sadržaj druge riječi u slogu je broj koji označuje tip sloga. Sadržaj ostalih riječi u slogu

ovisi o drugoj riječi u slogu. U većini slučajeva slog počinje podatkom o broju riječi u slogu, što

se u nekim slučajevima uzima i kao prva riječ.

Slika 62: Općeniti sadržaj CL datoteke [1]

Mogući sadržaj riječi broj dva prikazan je u Tablici 1:

Tablica 1: Mogući sadržaj u riječi broj dva CL datoteke [1]

Tip sloga Naziv Značenje 1000 Redoslijed unosa Slog sadrži redni broj i obilježje naredbe iz programa dijela 2000 Postprocesorske

naredbe Slog sadrži postprocesorske naredbe

3000 Podaci o površinama Slog sadrži kanonski oblik zapisa površine 5000 Pozicija alata Slog sadrži podatke o položaju i vektoru osi alata 6000 Tolerancije ili poziv

alata

9000 Vrsta upravljanja ili jedinica

Slog sadrži podatak za višeosni mod MULTAX ili za jedinice

14000 Završni slog Zadnji slog CL datoteke 15000 Nesegmentirana

putanja alata Zadavanje nelinearne putanje alata u nesegmentiranom obliku

16000 Opis konture obratka 17000 Opis alata 18000 Opis materijala 19000 Opis stroja 28000 Rezervirani slog 32000 Rezervirani slog

Slog tipa 1000 sadrži redni broj i naredbu iz programa dijela, a njegov format i sadržaj može biti

kako slijedi u Tablici 2:


66

Tablica 2: Format i sadržaj CL sloga tipa 1000 [1]

Redni broj riječi u CL slogu Tip riječi Sadržaj i značenje 1 integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer 1000 3 Integer Broj naredbe u programu dijela 4 a Naredba iz programa dijela 5 a Naredba iz programa dijela

Slog tipa 2000 sadrži postprocesorske naredbe, a njegov format i sadržaj može biti kako slijedi u

Tablici 3:


Redni broj riječi u CL slogu Tip riječi Sadržaj i značenje 1 Integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer 2000 3 Integer Kodni broj glavne riječi iz programa dijela 4 ? Pomoćni dio naredbe iz programa dijela

Slog tipa 3000 sadrži kanonski oblik zapisa geometrije definirane u programu dijela (najčešće

kružni lukovi iako postoji mogućnost i za druga forme), a njegov format i sadržaj može biti kako

slijedi u Tablici 4:


Redni broj riječi u CL slogu Tip riječi Sadržaj i značenje 1 Integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer 3000 3 Integer Nedefinirano 4 Integer Nedefinirano 5 Integer Tip geometrije (4 za kružnicu) 6 Integer Broj riječi s podacima o geometriji (ime,

indeks i kanonska forma); za kružnicu 9 7 Char. Simboličko ime vodeće površine 8 Integer Indeks 9 Real X vrijednost koordinate središta

10 Real Y vrijednost koordinate središta 11 Real Z vrijednost koordinate središta 12 Real X komponenta jediničnog vektora 13 Real Y komponenta jediničnog vektora 14 Real Z komponenta jediničnog vektora 15 Real Polumjer kružnice


67

Slog tipa 5000 sadrži podatke o poziciji i osi alata, a oni mogu biti pojedinačne točke ili niz

točaka. Njegov format i sadržaj može biti kako slijedi u Tablici 5:


Redni broj riječi u CL slogu Tip riječi Sadržaj i značenje 1 Integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer 5000 3 Integer 3 (ako je u Programu dijela FROM) Integer 4 (ako je u Programu dijela GODLTA) Integer 5 (ako je u Programu dijela GOTO i sl.) Integer 6 za nastavak tipa 5 (kad za tip sloga 5 postoji više

točaka nego ih stane u jedan slog) 4 Char. Prvi geometrijski simbol u pomoćnom dijelu riječi 5 Integer Indeks točke 6 Real X koordinata prve točke 7 Real Y koordinata prve točke 8 Real Z koordinata prve točke 9 Real X koordinata druge točke

10 Real Y koordinata druge točke 11 Real Z koordinata druge točke : Real "tripleti"

245 Real Z koordinata osamdesete točke

Kao primjer CL sloga može se uzeti CL slog koji nastaje kao posljedica slijedeće naredbe u

programu dijela pisanom u BASIC-XAPT procesoru: GOTO/P3(1)=POINT/10,20,30, a

prikazan je na Slici 63:

Slika 63: Primjer sadržaja CL sloga [1]

6.2. Problem inverzne kinematike u petoosnoj obradi

CL podaci za petoosni stroj sastoje se od zadane putanje alata u odnosu na koordinatni

sustav obratka. Potrebno je spomenuti da je značajan onaj CL podatak koji se odnosi na središte


68

polumjera zakrivljenosti vrha alata, a ne na dodirnu točku alata i obratka. Za parametarski

zadanu površinu obratka gdje se svaka točka alata može definirati kao dodirna točka, valjani CL

podaci se određuju diferencijalnom geometrijom i transformacijama matrica homogenih

koordinata.

Nakon što su CL podaci određeni, oni se transformiraju u pet referentnih ulaznih

podataka koristeći transformaciju inverznom kinematikom za upravljačke uređaje stroja. Pet

ulaznih podataka sadrži podatke o tri linearne i dvije rotacijske kretnje osi stroja. Ta

transformacija naziva se postprocesiranje, a transformacijski računalni program se naziva

postprocesor.

Primjer problema inverzne kinematike u postprocesiranju – Kako bi se postprocesiranje

bolje shvatilo, ono će biti prikazano u primjeru za koncepciju stroja sa dvije rotacijske osi na

glavnom vretenu. Radi jednostavnosti je uzeto da se rotacijske osi sijeku u istoj točki. Postupak

se prikazuje slijedno po koracima i popraćen je Slikama. Na kraju je pružena verifikacija

postprocesiranja programirana u računalnom programu Matlab. Koordinatni sustavi označeni su

velikim početnim slovima, a pojedine koordinate malim početnim slovima.

Postavljanje varijabli – Kao početni korak polazi se od određivanja ulaznih varijabli, tj.

onih ulaznih podataka koji su poznati ili na neki način zadani, Slika 64.

Osnovno što je potrebno zadati su dimenzije alata koji se giba u prostoru. Kako se ovom

prilikom ne ulazi u detalje, nije potrebno razmatrati dimenzije alata u njegovoj XY ravnini, što je

obično promjer alata, nego se alat zadaje samo sa dimenzijom duljine (odnosno visine) koja je

paralelna sa Z1 osi referentnog koordinatnog sustava alata. Duljina držača alata se zadaje fiksno

oznakom La, dok se duljine alata, označene oznakom L zadaje posebno promjenom svakog alata.

Sljedeće je potrebno zadati točku obrade. Uzima se da su koordinate točke na obratku x-

y-z poznate u odnosu na referentnu točku koordinatnog sustava stroja i zadane vektorom pomaka

P2, Slika 64. Referentna točka koordinatnog sustava stroja u ovom primjeru se nalazi u središtu

obradnog stola. Nadalje smjer normale na obrađivanoj površini u svakom je trenutku poznat

referentnom koordinatnom sustavu stroja na stolu, a označen je jediničnim vektorom n. Smjer

normale prema koordinatnom sustavu točke na površini obratka određen je kutovima: α prema

osi X, β prema osi Y i γ prema osi Z.


69

Izlazne varijable koje je potrebno dobiti su: koordinata položaja referentne točke alata u

odnosu na referentni koordinatni sustav stroja na stolu označena sa vektorom P1, te kutove

zakretanja alata oko rotacijskih osi A i B referentnog koordinatnog sustava alata, označenih sa

kutovima θ1 oko osi X i θ2 oko osi Y.

Slika 64: Koordinatni sustavi alata, stroja i točke na obratku


70

Određivanje matrice transformacija – u prostoru se sve orijentacije postavljaju u odnosu na

referentni koordinatni sustav stroja, Slika 65. Svaka transformacija koordinatnog sustava u 3D

može se izvesti translacijskim vektorima i 2D rotacijama, što je računski moguće izvršiti

matričnim operacijama, s 4 x 4 dimenzijama matrica. Matrica transformacija određuje položaj i

orijentaciju koordinatnog sustava alata u odnosu na koordinatni sustav stroja, između kojih se

nalazi obrađivana površina sa vlastitim koordinatnim sustavom i zadanom normalom na

obrađivanu površinu.

Prva transformacija je označena sa T10, od početne točke 0 referentnog koordinatnog

sustava alata na stolu do točke 1 koordinatnog sustava na obratku. Određena je vektorom P2 i

određuje relativan položaj točke obratka u odnosu na referentni sustav stroja na stolu.

Sijedi transformacija T21 koja rotira koordinatni sustav točke na obratku oko osi A2,

odnosno X2, jer se te osi preklapaju, za kut θ1, Slika 65.

Sljedeća rotacija T32 je oko osi B3, odnosno Y3 za kut θ2.

Slika 65: Dobivanje matrice transformacija translacijama i rotacijama


71

Kutovi θ1 i θ2 su tako odabrani da se zatvaranjem kuta θ2, os Z, odnosno

novopostavljena os Z4 točno preklopi sa smjerom normale n. Ako se sada uzme da se ishodište

4-og. koordinatnog sustava nalazi na vrhu alata i da je os Z4 usmjerena u pravcu duljine alata,

dobije se alat postavljen u smjeru normale prema površini obratka.

Sljedeća transformacija T43 je pomak u smjeru osi Z4 za duljinu alata, tako da se sada

relativni koordinatni sustav nalazi između držača alata i alata.

Nadalje se koordinatni sustav pomiče u smjeru osi Z5, za duljinu držača alata T54.

Prilikom posljednje dvije transformacije relativni koordinatni sustav se pomaknuo za udaljenost

vektora P3, koja odgovara udaljenosti duljine držača alata i alata. To znači da je trenutni

koordinatni sustav postavljen na referentnu točku alata, sa Z osi, odnosno trenutno Z5 osi

usmjerenom okomito na obradak.

Sljedeća transformacija je T65 za kut -θ2 oko osi B5 odnosno Y5.

Nakon toga se koordinatni sustav još rotira oko osi A6 odnosno X6 za kut -θ1, T76. Sada

je relativni koordinatni sustav postavljen na referentnoj točki alata sa smjerovima osi paralelnim

onima referentnog koordinatnog sustava stroja koji se nalazi na stolu, s time da je od njega

pomaknut za vektor P2, Slika 65. Uočava se da se ovakvim transformacijama dobivaju

koordinate položaja referentne točke alata u odnosu na referentnu točku stroja, s tim da je alat

usmjeren u smjeru normale na površinu obratka u zadanoj točki.

Ako bi se sada sve matrice transformacija relativnih koordinatnih sustava od 0 do 7

pomnožile dobio bi se transformacijski operator T, koji je u stvari funkcija određivanja potrebne

koordinate referentne točke alata u ovisnosti o ulaznim veličinama s tim da je alat postavljen

okomito na površinu obratka. Dakle T=T10*T21*T32*T43*T54*T65*T76 ili matrično

prikazano:

1 0 0 sin 2 10 1 0 sin 1 cos 2 10 0 1 cos 1 cos 2 10 0 0 1

(16)

Određivanje kutova zakreta – na početku je navedeno da su jedne od ulaznih varijabli

kutovi α, β i γ što ih normala na površinu obratka zatvara sa koordinatnim osima x-y-z koje su

paralelne sa osima referentnog sustava stroja, dok su prilikom transformacija korišteni kutovi


72

zakreta θ1 i θ2. Poznavanje kutova α, β i γ proizlazi iz CAD/CAM sustava koji se koristi za

programiranje obrade. Kako kutovi θ1 i θ2 zakreću os Z tako da se poklopi sa smjerom normale,

očito je da su i kutovi θ1 i θ2 poznati, samo je potrebno naći njihovu ovisnost o kutovima α, β i

γ. Očito je i da ovisnosti kutova ne ovise o duljini vektora normale n.

Slika 66: Zakretanje koordinatnih osi za kutove θ1 i θ2


73

Kutovi θ1 i θ2 se određuju analitički iz grafičkog predloška, Slika 66. Ovdje će biti

prikazano njihovo određivanje sa postavljanjem alata u prvom koordinatnom kvadrantu.

Postupak za ostale kvadrante je sličan ovome postupku. Naime ako su poznati kutovi α, β i γ,

tada su poznati i odsječci vektora normale s koordinatnim osima: n*cos(α), n*cos(β) i n*cos(γ).

Očito je kut θ1 jednak inverznom tangensu odsječaka na osima y i z, odnosno:

θ1=arctan(cos(β)/cos(γ)). Kut θ2 se malo složenije nalazi jer ovisi o prethodno zakrenutom kutu

θ1. Udaljenost od ishodišta do sjecišta odsječaka osi y i z označi se npr. sa oznakom Lu. Lu sa osi

Y zatvara kut (90 - θ1) što se može nazvati npr kut φ. Tada je Lu jednak n*cos(β)/cos(φ). Sada je

kut θ2 jednak inverznom tangensu odsječka osi x i duljine Lu, odnosno:

θ2=arctan(cos(α)*cos(φ)/cos(β)).

Verifikacija računalnim programom Matlab – Nakon što su analitičkim putem izvedene

funkcije za pretvorbu ulaznih varijabli u traženi rezultat, može se pristupiti proračunu. Proračun

se u ovom slučaju rješava primjenom računalnog programa Matlab, verzija R2006b. Kod

ovakvih zadataka je iznimno važno postaviti analitičko rješenje za računalni program, jer se na

taj način osigurava brzina proračuna, koja bi bila upitna primjenom numeričkih metoda.

Numeričke metode su jednostavnije za postavljanje, ali zbog iteraktivnog postupka pronalaženja

rješenja količina podataka može preopteretiti procesor, te tako prilično smanjiti brzinu. Iako je

cijeli postupak traženja analitičkog rješenja prilično kompliciran, kada je postupak postavljen

rješavanje je prilično jednostavno. U Matlab-u se sastavi samo jedan m-file (Matlab-ova

datoteka) koji sadrži funkciju transformacija T, Slika 67.

Funkcija u m- fileu uzima ulazne varijable koje su poznate, odnosno koordinate točke

obratka x,y i z, kutove α, β i γ te duljine L i La koje predstavljaju duljine držača alata i alata.

Nakon zadavanja pretvorbi kutova iz stupnjeva u radijane zadaju se izvedene formule za

pretvorbu kutova α, β i γ u θ1 i θ2. Dalje se u kodu nalazi matrični operator T koji vrši pretvorbu,

te se kao rješenje izbacuju mjesta u matrici na kojima se nalaze tražene koordinate položaja alata

u prostoru.


74

Slika 67: Programirani kod za dobivanje matrice transformacija u računalnom programu Matlab

Primjer verifikacije koda – Slika 68. Za primjer traženja rješenja programom Matlab za

duljine držača alata L i alata La se zadaje L=2.5 i La=1.5, nekih jedinica duljine, Slika 68. Za

koordinate neke točke na obratku uzimaju se vrijednosti: x=2, y=2.5, z=1.5.To ujedno označava

i pomak od referentne točke koordinatnog sustava stroja na stolu u smjeru zadanih osi. Za kutove

koje zatvara normala na površinu obratka s površinom obratka u zadanoj točci odabiru se: α=25o,

β=30o i γ=40o.


75

Slika 68: Unos ulaznih varijabli u računalni program Matlab

Može se primijetiti, da ako se prilikom unosa u Matlab iza izraza ne postavi točka-zarez,

program izbacuje zadanu vrijednost. Ova činjenica je iskorištena u m-fileu kako bi se pri

izvršavanju zadatka dobio računalni postupak korak po korak. Slovo r u ispisu označava

vrijednost u radijanima za jedan stupanj, Slika 69. Oznake al, be i ga su vrijednosti kutova α, β i

γ u radijanima. t1, fi i t2 su izračunati kutovi θ1, θ2 i φ u radijanima, uz to da je kut fi pomoćni

kut potreban za dobivanje kuta θ2 u proračunu. T70 je istoimena već objašnjena matrica-operator

T nakon transformacije. I konačno slovo T označava tražene koordinate položaja referentne

točke alata x, y i z u odnosu na referentni koordinatni sustav stroja. To su ujedno i prva tri reda u

četvrtom stupcu matrice T70.


76

Slika 69: Ispis rezultata iz računalnog programa Matlab

Primjer problema inverzne kinematike u proračunu kutova – Inverzna kinematika se

koristi za određivanje skupa varijabli osiju stroja potrebnih za dobivanje željenih CL podataka.

Jedan od problema koji se pojavljuju prilikom izrade tih podataka je odabir kuta zakreta kada su


77

moguća dva rješenja, te računanje kutova kada su zakreti osi blizu kuta od 900 kod kojih tangens

kuta poprima ekstremne vrijednosti. Ovaj problem će biti prikazan uz korištenje primjera stroja s

dvije rotacijske osi smještene na stolu. Dodatna specifičnost stroja iz primjera je, da mu se

rotacijske osi sijeku pod kutom od 450, Slika 71. Točan naziv stroja sa slike je Deckel Macho 50

eVolution, Slika 70, te će se dalje u primjeru raditi s njegovim karakteristikama.

Slika 70: Stol stroja Deckel Macho 50 eVolution [11]


78

Slika 71 :Izvedba stroja kod kojeg se dvije rotacijske osi sijeku pod kutom od 450 [11]

Rotacijske osi stroja su B i C. Točka sjecišta rotacijskih osi nalazi se po visini na udaljenosti d od

fiksnog koordinatnog sustava x0 y0 z0. Radni prostor B osi nalazi se između 00 i 1800, a radni

prostor C osi između +∞ i -∞. Upravljačko računalo ovog stroja u NC-kodu zadaje vrijednost

kuta C osi između 1800 i -1800. Korištenjem ovog stroja moguće je postići svaku orijentaciju

alata okomito na površinu u obliku polukugle. Stroj za potrebe izvođenja kinematičkih jednadžbi

ima definirane koordinatne sustave, Slika 71:

x0y0z0 – glavni koordinatni sustav stroja, smješten u središnjoj osi stola na njegovoj

površini kada su kutovi rotacijskih osi B i C jednake 00;

x1y1z1 – translacija sustava x0y0z0 na udaljenosti d u smjeru osi z0;

x2y2z2 – rotacija sustava x1y1z1 za kut 450 oko osi x1;

Koordinatni sustavi x0y0z0, x1y1z1 i x2y2z2 su fiksni i ne kreću se s rotacijskim osima stroja;

x3y3z3 – rotacija sustava x2y2z2 za određeni kut oko osi z2 ili oko osi B;


79

x4y4z4 – rotacija sustava x3y3z3 za kut -450 oko osi x3;

x5y5z5 – translacija sustava za udaljenost –d duž osi z4;

Koordinatni sustav stroja je uvijek smješten u središtu stola, također i nakon što se os B

zarotira;

xwywzw – koordinatni sustav obratka. Dobiva se rotacijom sustava x5y5z5 za kut C oko osi

z5;

xtytzt – koordinatni sustav alata sa ishodištem na vrhu alata.

Homogena matrica koja transformira koordinate točke koordinatnog sustava xnynzn u

koordinatni sustav xmymzm određena je oznakom Tnm. Transformacijske matrice definiranih

koordinatnih sustava stroja određene su kako slijedi [11]:

01

1 0 0 00 1 0 00 0 10 0 0 1

(17)

12

1 0 0 00 cos 45 sin 45 00 sin 45 cos 45 00 0 0 1

(18)

23

cos sin 0 0sin cos 0 00 0 1 00 0 0 1

(19)

34

1 0 0 00 cos 45 sin 45 00 sin 45 cos 45 00 0 0 1

(20)

45

1 0 0 00 1 0 00 0 10 0 0 1

(21)


80

5

cos sin 0 0sin cos 0 00 0 1 00 0 0 1

(22)

0

1 0 00 1 00 0 10 0 0 1

(23)

Translacija koordinata sa koordinatnog sustava alata na koordinatni sustav obratka

prikazuje se kao sustav transformacije matrica: Twt = TW5*T54*T43*T32*T21*T10*T0t, gdje je

Twt funkcija varijabli osiju stroja X, Y, Z, B i C. U jednadžbi je potrebno uvažiti činjenicu da je

Tmn = (Tnm)-1. Orijentacija z-osi koordinatnog sustava alata relativno na koordinatni sustav

obratka nalazi se iz trećeg stupca matrice Twt. Pozicija vrha alata relativno prema obratku nalazi

se iz četvrtog stupca iste matrice. Prema tome CL podaci za određene varijable osiju stroja mogu

se dobiti iz jednadžbe [11]:

0 1

= Twt

0 0010

000

(24)

Rješenje inverzne kinematike za B-os dobiva se iz jednadžbe [11]:

arccos 2 1 (25)

Ovo rješenje je valjano za sve moguće vrijednosti B-osi između: 0 180 .

Rješenje inverzne kinematike za C-os dobiva se iz jednadžbe dobivene analitičkim putem i

sadrži dva argumenta [11]:

arctan , arctan 1 2 , 2 1 (26)


81

Kod ove jednadžbe za vrijednost k=1 oba argumenta kuta dobivaju vrijednost 0, te vrijednost za

C nije definirana. Ovaj problem naziva se problem singularnosti. U većini slučajeva problem

singularnosti se pojavljuje kada jedna od rotacijskih osi zauzima konačnu poziciju. Za stroj iz

primjera singularnost se javlja za vrijednost B=00, što je minimalna vrijednost ove osi. U tom

slučaju površina stola je horizontalna, dok je C-os paralelna s osi alata. U ovome bi slučaju obje

orijentacije C-osi dale željenu orijentaciju alata, međutim, određena pravila za odabir moraju se

donijeti. Na primjer za orijentaciju B=0, C-os bi trebala imati poziciju koja proizvodi najmanji

pomak od prethodne pozicije iste osi. Ovdje je problem što C-os ponekad mora izvoditi brze

pokrete od 1800 kako bi se postigao željeni pomak alata. Ovo je najčešći slučaj prilikom obrada

obradaka polucilindričnog oblika. Kada alat prelazi preko cilindričnog vrha dolazi do

singularnosti. U tom slučaju C-os proizvodi skokovite pokrete od 1800, Slika 72.

Slika 72: Pozicije B i C osi prilikom prolaska alata kroz točku singularnosti [11]

Ovakvi pomaci lako mogu dovesti do kolizije alata i obratka, te je stoga potrebno izraditi

algoritam koji će rješavati odabir vrijednosti C osi. Jedno od mogućih rješenja ovog problema je

dodavanje slijedećeg upita kod proračuna vrijednosti C osi [11]:

Ako je , tada je Cmod = (27)

Gdje je neki vrlo mali kut, npr. 0.010. Ova modifikacija će prisiliti pomak C osi na 00 kada je

vrijednost B osi blizu 00, odnosno kada je k=1.


82

Rješenja inverzne kinematike za X, Y i Z osi dobivaju se izvođenjem jednadžbi analitičkim

putem nakon što se dobiju rješenja za B i C osi. Dobivena rješenja za ovaj slučaj su kako slijedi

[11]:

X= 2 2 cos 2 2 sin

2 (28)

Y= 2 cos 2 sin (29)

Z= 2 cos 2 sin (30)

U slučaju da se umjesto vrijednosti C radi s vrijednosti Cmod, to se s istom vrijednosti računaju

vrijednosti varijabli X, Y i Z.

6.3. Postprocesori kod petoosne obrade

Postprocesori služe kao sučelje između CAM sustava i numerički upravljanog stroja.

Postprocesor očitava instrukcije za obradu koje dolaze od CAM programa, te na temelju njih

ispisuje valjani kod namijenjen određenom stroju, Slika 73. Današnji postprocesori dodatno

sudjeluju i u optimizaciji procesa, te kao nadopuna slabim točkama kako CAM programa tako i

NC upravljačkog računala stroja.

Većina CAM programa generira kodove u obliku neutralnih jezičnih datoteka koje sadrže

instrukcije obrade za stroj. Te datoteke nalaze se ili u formatu CL podataka, ili u nekom od

ASCII formata načinjenih u APT jeziku. APT jezik sadrži instrukcije za izradu u obliku

simbolične geometrije, preko koje se generiraju CL podaci. Sa druge strane nalazi se NC stroj

koji zahtjeva podatke podešene za vlastito upravljačko računalo. Stroju su podaci iskazani

jezicima sa simboličnom geometrijom nerazumljivi, pa ih je iz tog razloga potrebno dalje

prevesti u stroju razumljiv jezik, odnosno NC-kod. Upravo taj postupak prevođenja naziva se

postprocesuiranje, a računalni program koji ga izvodi naziva se postprocesor. Post procesuiranje

uključuje detaljne informacije o specifičnim kinematskim i računalnim osobinama stroja kako bi

se generirao valjani kod. Za svaki tip stroja potrebno je načiniti poseban postprocesor.


83

Postprocesorima se prilikom programiranja ugrađuju inteligentne funkcije potrebne za detekciju

granica kretanja osi. Prilikom određivanja orijentacije alata praktički uvijek postoje dvije

mogućnosti. To proizlazi iz činjenice da se do svake orijentacije može doći odabirom različitih

parova kutova zakreta rotacijskih osi. Pravilno postavljeni postprocesori u takvim slučajevima

uvijek moraju odabrati povoljnije rješenje. Naredni problem koji postprocesor mora efikasno

rješavati su polne nestabilnosti. To su okrugle vrijednosti kutova kod kojih funkcije tangensa u

numeričkom dijelu softvera poprimaju vrijednosti 0 i ∞. Uz to postprocesor mora biti u

mogućnosti bezopasno izvući alat iz zahvata na kraju operacije i odvesti ga na sigurnu

udaljenost. Posebno napredni postprocesori u stanju su cijelo vrijeme obrade imati potpunu sliku

događaja i izvršavati optimirajuće poteze u pravo vrijeme bez vanjske intervencije.

Slika 73: Shema rada postprocesora [14]

6.4. Trendovi kod programiranja petoosnih obrada

Trenutni NC-programi su temeljeni na ISO 6983 standardu nazvanom NC-kod ili G-kod,

gdje su gibanja pomičnih dijelova stroja potrebna za obradu određena položajem i pomakom

alata u odnosu na osi stroja. Međutim kako današnja proizvodnja teži sve većoj fleksibilnosti


84

trendovi su da se s ovog načina upravljanja prijeđe na više razine upravljanja jer je NC-kod nizak

oblik upravljačkog jezika, koji CNC-u dostavlja ograničene informacije isključujući vrijedne

podatke kao što su geometrija dijela i plan obrade (Eng. Process Plan).

Iako je NC-kod u proizvodnji širom svijeta dobro prihvaćen standard, on je u stvarnosti

prilično ograničen za današnji proizvodni lanac. Unatoč velikoj učinkovitosti CAD/CAM i CNC

sustava upravljanja, njihovo međusobno neadekvatno sučelje koči predviđeni rast produktivnosti.

Programiranje NC-koda rezultira golemim programima koji su složeni za izvođenje, a korekcija

grešaka i upravljanje izvršenjem programa je ograničeno. Situaciju dodatno pogoršava mnogo

različitih jezika i različitih specifičnih dodataka od strane proizvođača na programski jezik, pa su

programi za izradu komponenti nerazumljivi između različitih upravljačkih uređaja. Takvo stanje

je iniciralo istraživanja u razvoj programa koji bi obradnim centrima dostavljali više informacija

iz CAD modela, te programa koji bi bili međusobno razumljivi između različitih upravljačkih

računala, Slika 74. Istraživanja su dovela do razvoja novih metoda programiranja za buduće

obrade nazvanih STEP-NC, Slika 75.

Slika 74: Prednosti koje donosi programiranje obrade STEP-NC sustavima [14]


85

STEP-NC je jezik upravljačkih računala obradnih strojeva koji proširuje ISO 10303

STEP standarde s modelom obrade u ISO 14649 standard, dodajući podatke geometrijskih

dimenzija i tolerancija za provjeru. Nadalje, upravlja protokom STEP PDM (Eng. Product Data

Management) modela za integraciju u širu primjenu. Njegovi kombinirani rezultati su

standardizirani kao ISO 10303-238.

STEP-NC je osmišljen kao zamjena za standardni NC-kod sa suvremenim asocijativnim

protokolom, koji povezuje podatke CNC procesa s opisom konačne geometrije izratka dok je on

u fazi obrade. STEP-NC može koristiti velik opseg geometrijskih podataka, od onih STEP

standarda za komunikaciju sa strojno neovisnim putanjama alata, do onih korištenih kod CNC

programa. On može opskrbiti CAM sustav i upravljačka računala s opisanim operacijama i STEP

CAD geometrijama na način da obradak, izradak, stezne naprave i oblici alata budu vizualno

analizirani u kontekstu putanja alata.

Slika 75: Model slanja podataka upotrebom STEP-NC načina programiranja [14]

Unos podataka u CNC upravljačko računalo u obliku standardnog NC-koda je uvijek

specifičan za određeni stroj i ograničen naredbama koje upravljaju osima. Na taj način alat koji

vrši obradu ne posjeduje skoro nimalo informacija o željenim rezultatima obrade. STEP-NC


86

omogućuje da mnogo više informacija o procesu obrade bude poslano u upravljačko računalo

stroja i da nove informacije o obratku koji je u fazi izrade budu konstantno dostavljane. Neke od

mogućnosti ovog načina programiranja su:

opis putanje alata koja je prenosiva i neovisna o geometriji stroja;

vizualno praćenje procesa, prikazujući obradu u kontekstu stroja i obratka, Slika 76;

simulacija direktno na zaslonu stroja, u svrhu kontrole kolizija i ostalih neželjenih

događaja;

pojednostavljena provjera zadanih tolerancija. Mogućnost ispitivanja planova obrade

povezanih sa zadanim tolerancijama direktno na stroju;

optimizacija posmaka i brzine obrade korištenjem tolerancija i informacija dobivenih

kroz poprečne presjeke i podatka pristiglih od senzora;

asocijativnost, tako da se povratna veza može slati od obrade nazad prema CAD modelu.

Slika 76: STEP-NC sučelje na CNC stroju koje prikazuje geometriju dijela, vrijednosti tolerancija i preporučene parametre obrade [32]


87

U STEP-NC značajke (Eng. Features) su korištene za opisivanje volumena materijala koji

mora biti uklonjen obradom da bi se došlo do konačnog oblika radne komponente opisane CAD

modelom. Te značajke se raspoznaju unutar CAM sustava i koriste za očitanje konačne

geometrije i tolerancija. U mnogima slučajevima geometrija definirane značajke može biti

korištena izravno, ali upotpunjena s atributima kao što su potrebna tehnologija, alati i način

obrade. Iako ovisi o korištenoj tehnologiji, planiranim operacijama (npr. broj grubih i finih

obrada), nizom radnih koraka, ciljana površinska kvaliteta ili povećanje dodatnih značajki oblika

moraju se kreirati unutar CAM sustava. Te značajke se temelje na geometriji početnog dijela i na

konačnoj geometriji izvedenim iz dizajniranih značajki. Inteligentni CAM sustavi mogu ovo

učiniti automatski kada su operacije i radni koraci određeni od strane inženjera za planiranje.

Proizvodnja i obrada se planiraju CAM sustavima koji dodaju informacije za obradu i

opskrbljuju CNC s izvršivim i zamjenskim programima. CAM sustavi su tipično smješteni u

odjelima za planiranje proizvodnje, ali mogu biti također korišteni i u prodajnim odjelima ili

integrirani s modernim CNC upravljačkim uređajima. Model podataka sadrži informacije o

geometriji, informacije o značajkama i informacije o proizvodnom procesu. Informacije o

geometriji su originalne iz CAD programa, a opisane su STEP-om. One uključuju sve potrebne

informacije za definiranje konačne geometrije radnog komada.

AP 238 – je model podataka unutar STEP-NC standarda. Opisuje „što“ uklanja

materijal za odvajanje, a ne „kako“ dobiti zadanu geometriju iz sirovog komada, tj. koji koraci

mogu dovesti do nove geometrije. Odgovara na pitanja: što uklanja zadani volumen materijala

značajke, kojim redom, kojim tolerancijama, kojim alatima da bi se zadovoljili zahtjevi izrade.

Moguće je prepustiti upravljačkim uređajima da odaberu gibanja alata automatski. Standardni

NC-kod daje odgovore na pitanja: kako pomaknuti alat na zadanu lokaciju, kako pomaknuti alat

na slijedeću lokaciju za zadani broj operacija. AP-238 objedinjuje proces obrade, zahtjeve za

alate, geometriju i tolerancije. Objedinjavanje tih podataka je izvedeno tako da značajke i

kompletna datoteka mogu biti razmijenjeni (Eng. Share) s nekim drugim CAD-om, CAM-om, ili

upravljačkim uređajem, Slika 77.


88

Slika 77: Shema razmjene AP 238 podataka [14]

Struktura AP-238 datoteke sadrži tri razine koje nose različite informacije:

1. razina: opis proizvoda;

2. razina: opis procesa obrade;

3. razina: opis tehnologije.

1. razina: opis proizvoda sadrži informacije o:

radnom komadu i geometriji proizvoda;

značajkama;

dimenzijama i tolerancijama;

ostalim mjerama.

Informacije o radnom komadu i geometriji proizvoda – Radni komad je STEP opis

proizvoda. Sadrži sve potrebne informacije za proizvodnju, ograničenja, parametre obrade, vrste

i svojstvima materijala itd.

Informacije o značajkama – Značajke su definirane svojim oblikom i parametrima kao

što su npr. učestalost ponavljanja značajke itd, Slika 78. Neki od primjera su: značajke za 2,5D

glodanje (rupe, džepovi, utori, stepenice), prijelazne značajke (zaobljenja i skošenja bridova),

replicirane značajke (učestalosti ponavljanja pojedinih značajki, bilo linearno ili kružno),


89

područne značajke (karakteriziraju jedan dio proizvoda (Eng. Part)), kružne značajke (kružni

utori, rebraste plohe, žljebovi) itd.

Slika 78: Primjer prikaza značajki na dijelu za obradu [14]

Informacije o dimenzijama i tolerancijama – Dimenzijama se definiraju karakteristike

značajki koje treba obraditi, Slika 79. Ovdje se napominju tri vrste dimenzija, a to su: dimenzije

koje definiraju udaljenost, dimenzije koje definiraju veličinu i dimenzije koje prikazuju

geometrijske karakteristike (odnose). Dimenzije koje definiraju udaljenost daju fizičku mjerenu

udaljenost lokacije koje treba obraditi od neke referente točke, brida ili plohe. Mogu biti izražene

kao linearne udaljenosti, udaljenosti duž krivulje i kutovi nagiba, ako se lokacija nalazi na kosini.

Dimenzije koje definiraju veličinu su debljina, duljina, širina, visina, promjer, polumjer

zakrivljenosti, kut i sl. Pod geometrijskim karakteristikama se podrazumijevaju: kutnost, kružna

proširenja, koncentričnost, koaksijalnost, cilindričnost, jednoličnost, ravnost, paralelnost,

okomitost, pozicija, referentnost, okruglost, plošni profil, simetrija i sl.

Slika 79: Primjer oznaka geometrijskih karakteristika [14]


90

Informacije o drugim mjerama – označavaju opise mjera karakterističnih za pojedini

slučaj.

2. razina: opis procesa obrade sadrži informacije o:

obradi;

tijeku izvršavanja;

operacijama;

putanjama alata.

Obradni programi su srž STEP-NC modela, odnosno AP-238 podatka. Ova razina obuhvaća plan

rada odnosno radne korake (Eng. Working Steps). Svaki radni korak povezan je operacijom nad

značajkom negdje na radnom komadu. Svaka operacije opisuje što treba učiniti, na koji način i s

kojim parametrima obrade. Povezani su s geometrijama i tehnološkim informacijama. Parametri

mogu biti grupirani i razdijeljeni, npr. alati, posmaci, itd. Inteligentni NC upravljački uređaji

mogu samostalno računati gibanja alata za standardno određene značajke.

Informacije o obradi – označavaju mjesta na kojima se odvija obrada. Također definiraju

obradu i glavni obradni plan.

Informacije o tijeku izvršavanja – Opisuju kontrolni protok (brzinu izvršavanja naredbi) i

redoslijed izvršavanja. Radni korak je pridružen operaciji i značajki. Ova tehnologija radi kao

nezavisna.

Informacije o operacijama – Opisuju što radni korak radi nad značajkom (npr. plošno

glodanje, brušenje, itd.). Temelj su za sve tehnološke obrade. Daju i specifične detalje kao što su:

učestalost vrtnje, posmak i druge tehnološke parametre poput hlađenja, podmazivanja itd.

Opisuju i putanju alata te način ulaska alata u materijal (zahvat).

Informacije o putanjama alata – Koriste se za izravno upravljanje kretnjama dijela stroja

na kojem se nalazi alat za određenu operaciju. Oblik putanje može biti različit. Mogu biti ravne

linije, zaobljene linije ili neke druge krivulje koje opisuju gibanje i posmak, Slika 80. Također

mogu biti opisane kao putanje nezavisnog strojnog gibanja središnjice alata ili kontaktne točke

alata i obratka. Može se koristiti i stari način strojno-zavisnog gibanja oko određene osi stroja.


91

Slika 80: Primjer putanja alata [14]

3. razina: opis tehnologije sadrži informacije o:

procesima obrade;

alatima za obradu.

Informacije o procesima obrade – opisuju sve radnje koje obuhvaća pojedina obrada. Za

sve operacije također se definiraju parametri grube i završne obrade kao i načini gibanja alata za

vrijeme obrade.

Informacije o alatima za obradu – Svaka operacija posjeduje njoj pridruženi alat.

Zahtjevi za alate neovisno o stroju se nalaze u bazama podataka. Postoji i mogućnost za

optimizaciju na upravljačkom računalu. Operater mora biti siguran da li alat odgovara određenoj

operaciji. Upravljačko računalo nije sposobno to samo odrediti kao ni dodati novu

(promijenjenu) vrijednost za alat. Predočuju se parametri karakterističnih alata. Alati mogu biti

za: glodanje (čeono glodalo, ravno glodalo, prstasto glodalo, glodala s izmjenjivim reznim

pločicama, glodalo za bočno glodanje, glodalo za glodanje T-utora i lastinog repa, alat za

urezivanje navoja, itd.), za bušenje (svrdla raznih dimenzija i parametara, svrdla s izmjenjivim

reznim pločicama, kombinirana svrdla, alati za upuštanje, razvrtavanje, zabušivanje,


92

proširivanje, itd.), za tokarenje (pločica za tokarenje, držači pločica, tokarski alati za izradu

zaobljenja, rebrastih površina, urezivanje i narezivanje navoja, itd).

STEP-NC izlazni podaci su komplicirani za ručnu izmjenu jer sadrže geometrijske opise

s velikim količinama podataka. Međutim kod računalnog tretiranja podataka veličina koda

velikih programa može se reducirati, jer STEP-NC koristi XML (skraćeni naziv za ISO 10303-28

standard) kompresijske formate umjesto ASCII kodova.

Ovaj način programiranja i dalje se razvija uz suglasnost s odborom za ISO standarde

kako bi se sadašnji STEP-NC proširio na nove tehnologije. Modeli procesa za nove tehnologije

se obično uvode od strane ISO TC184/SC1/WG7 odbora. Modeli za obradu žicom i konturnu

obradu drvenih i kamenih obradaka trenutno se široko ispituju. Programe unapređivanja

podupiru mnoge proizvodne grane kao i proizvođači strojeva čije tehnologije još nisu povezane

sa STEP-NC sustavima, kao npr. lasersko i plazma rezanje.

Računalno projektiranje tehnoloških procesa – (CAPP, Eng. Computer Aided Process Planing).

Stalni napredak informacijskih i komunikacijskih tehnologija imao je velik utjecaj i na razvijanje

tehnologija u industriji, gdje je jedan od značajnijih dosega razvoj računalnog projektiranja

tehnoloških procesa ili CAPP. CAPP su određenim slijedom poredani koraci koji su u

mogućnosti djelotvorno i ekonomično odrediti način transformiranja sirovca u konačni proizvod,

Slika 81. Osnovne zadaće CAPP-a su: prepoznavanje značajki proizvoda, odabir obradnih

postupaka, određivanje stezanja, određivanje slijeda operacija, određivanje tolerancija,

određivanje parametara obrade, postavljanje vremena obrade i generiranje NC- koda. Povezanost

CAPP-a sa CAD i CAM tehnologijama je još uvijek predmet mnogih znanstvenih radova, Slika

82. Suvremeni pristupi imaju tendenciju ujedinjavanja CAPP-a sa CAD i CAM tehnologijama na

bazi prepoznavanja značajki dimenzija i tolerancija računalnog modela.


93

Slika 81: Shema povezanosti računalnih tehnologija CAPP, CAD i CAM [14]

Osnovni pravci razvoja CAPP-a su:

varijantni pristup;

generativni pristup;

hibridni pristup.

CAPP se u početcima razvijao kao varijantni temeljen na skupnim tehnologijama. To je bio

razvitak koji se oslanjao na standardne planove razvijane tijekom prijašnjih obrada, koji su bili

pohranjeni u neku bazu podataka. Generativni pristup se razvijao na principu algoritama

odlučivanja koji su određenim ugrađenim logikama trebali donositi odluke. Hibridni pristup je

stvoren kao kombinacija prethodna dva pristupa.


94

Slika 82: Opća arhitektura rada CAPP sustava [14]

Značajke petoosnih obrada Računalna simulacija postavljene obrade

95

7. RAČUNALNA SIMULACIJA POSTAVLJENE OBRADE

Simulacija obrade je najsigurniji i ekonomski najefikasniji način potvrde ispravnosti

putanje alata kod višeosnih obrada. Za to postoji više razloga. Korištenje višeosnog stroja za

potvrdu programa je dugotrajan i opasan postupak, kako za stroj i opremu tako i za operatera.

Pored toga pokušaji potvrde direktno na alatnom stroju na temelju prikaza iz CAD/CAM sustava

su više nego opasni. Prikaz samo oslikava putanju alata koji se kreće oko stacionarnog obratka.

Stoga je takav prikaz relevantan tek nakon postprocesiranja, koje je drugačije za svaki stroj.

Slika 83: Sučelje za upravljanje simulacijom u računalnom programu SolidCAM [12]


96

Za postupak simulacije obrade u računalnom programu konstruira se virtualni stroj

identičan originalu. Komponente virtualnog stroja najčešće su u obliko STL datoteka, a dostavlja

ih proizvođač stroja prilikom njegove kupnje. Nakon toga prilazi se programiranju obrade, tako

što je moguće nebrojeno puta mijenjati pojedine parametre obrade sve dok se ne postigne željena

obrada. Simulacijskim pokušajima osiguravaju se najefikasniji prolazi putanje rezanja uz

postavljanje obratka u najpogodnijem položaju, te uz sigurnost da neće doći do neočekivane

realne kolizije između alata, stezne naprave i dijelova stroja. Međutim, simulaciju obrade ne

treba shvaćati jedino kao alat za traženje greške u programu nego kao dodatni alat kojim je

moguće postići čist, efikasan i točan program za svaku obradu. Simulacija obrade omogućava

testiranje različitih pristupa i različitih strategija obrade za različite strojeve bez napuštanja

računala.

Priličan broj alatnica za potvrdu putanje alata uz simulaciju obrade koristi se realnom

obradom voštanog modela. Ta se obrada vrši kao zadnja proba prije stvarne obrade obratka.

Međutim, zbog usporavanja rada stroja na kritičnim mjestima posebno kod kompleksnih

obradaka takav proces može biti prilično dugotrajan.

7.1. Konstruiranje virtualnog stroja

Prilikom konstruiranja virtualnog stroja u CAD/CAM sustavu nije nužno postaviti sve

komponente stroja poput odvajača čestica, spremnika tekućine za hlađenje ili slično. Međutim

područje koje okružuje prostor obrade mora biti identično onome na pravom stroju.

Prvi korak u konstruiranju je postavljanje kostura stroja, Slika 84. Kostur ili kinematska

struktura opisuje način povezivanja svih osi stroja. Na svima se postavljaju limiti gibanja

sukladno realnim osima na stroju. Osnovne komponente svake virtualne konstrukcije su osnova

stroja, alat i obradak. Na osnovne komponente mogu se postaviti dodatne komponente poput

steznih naprava, izmjenjivača alata i slično. Svaki pojedini dio se u program unosi kao zaseban

model i svakom modelu se mogu zadati različite vizualne karakteristike radi raspoznavanja.

Pokretanje virtualnih dijelova stroja po zadanim osima nakon sklapanja konstrukcije u većini

računalnih programima može se provjeriti ručno sa MDI (Eng. Manual Data Input) komandama.

Kada je konstruiranje završeno potrebno je postaviti virtualno upravljačko računalo. Postavljanje

virtualnog upravljačkog računala se izvršava u CAM sustavu postavljanjem postprocesora.


97

Slika 84: Model virtualnog stroja u računalnom programu (primjer u SolidCAM-u) [12]

7.2. Simulacija obrade

Za programiranje obrade i generiranje NC-koda koristi se CAD/CAM sustav. Obradak se

konstruira u računalnom programu ili unosi kao gotova datoteka. Alati korišteni u simulaciji

unose se iz baza podataka. Baze podataka alata mogu se nalaziti gotove u računalnom programu

ili mogu poticati iz neke vanjske baze podataka. Simulacija obrade može biti pokrenuta za

vrijeme ili na kraju procesa programiranja obrade, Slika 85.

Postupak pokretanja simulacije je vrlo sličan postavljanju stvarne obrade. Obradak se

unosi i postavlja na postolje u određenoj orijentaciji, nakon čega je potrebno postaviti relativni

koordinatni sustav obratka u odnosu na koordinatni sustav stroja. Nakon toga se puni spremnik

alata sa alatima koji moraju imati definirane geometrijske karakteristike. Zatim se programiraju

putanje alata. Nakon toga simulacija je spremna za pokretanje, a moguće ju je izvoditi kao

cjelokupnu obradu ili pojedinačno po operacijama. Simulacija se može ubrzavati ili usporavati.

Cijeli sustav je moguće zakretati u prostoru i premotavati naprijed i nazad ukoliko se želi dobiti


98

detaljniji uvid o prolazima alata. Simulacija omogućava prikaz odvajanja materijala i pruža

obavijesti o koliziji ili o suviše bliskim prolazima pokretnih dijelova i neaktivnih površina.

Programeru je omogućeno da pojedine komponente učini više ili manje prozirnima, radi detaljne

analize obrade, što pri stvarnoj obradi nije moguće. Dodatna značajna prednost simulacije obrade

je procjena vremena obrade, čijim se korištenjem može odabrati najpovoljnija opcije s aspekta

trajanja procesa.

Slika 85: Simulacija obrade u računalnom programu SolidCAM [12]

.

Značajke petoosnih obrada Usporedba troosne i petoosne obrade

99

8. USPOREDBA TROOSNE I PETOOSNE OBRADE

8.1. Usporedba mogućnosti troosne i petoosne obrade

U slučaju obrade komponenti nepravilnih površina koje prilikom korištenja troosne

obrade zahtijevaju po nekoliko stezanja kako bi se dovele do željenog izratka, uvođenje petoosne

obrade na mjesto troosne pokazuje nedostižne prednosti. Prednosti se još više očituju ukoliko se

na takvim komponentama dodatno zahtjeva i bušenje provrta na površini.

U slučaju troosne obrade neravnih površina, na površinama uvijek ostaje dodatak za

ručnu završnu obradu. Razlog je taj što se takve obrade na troosnim strojevima uspješno izvode

jedino upotrebom alata sa oblim vrhom. Međutim zbog vrha alata u obliku polukugle između

prolaza ostaje dio materijala koji nije moguće skinuti sa obrađene površine i koji ostavlja

određenu površinsku hrapavost, pa je neminovno računati na dodatnu obradu brušenjem ili

poliranjem.

Slika 86: Položaj alata tijekom obrade troosnim strojem [9]

Kod primjera obrada na Slikama 86 i 87 najbolje se uočavaju prednosti petoosne nad

troosnom obradom. Uz spomenute uštede u vremenu zbog mogućnosti obrade u jednom stezanju,


100

petoosna obrada daje i veću kvalitetu obrađene površine. Kvaliteta površine se dobiva pravilnim

odabirom kretnji i orijentacija alata prilikom obrade. Ukoliko se ovi parametri valjano postave u

većini slučajeva dodatna ručna obrada nije potrebna.

Slika 87: Položaj alata tijekom obrade petoosnim strojem [9]

Kod upotrebe petoosne obrade postoji mogućnost korištenja širokog spektra alata. Tako se kod

obrade neravnih površina mogu, uz alate sa oblim vrhom koristiti alati s ravnim vrhom. U tom

slučaju je moguće vršiti obradu s puno manjim nagibom alata prema obrađivanoj površini što

daje mogućnost obrade s većim tolerancijama na obrađenu površinu. Kvaliteta obrađene površine

prilikom usporedbe troosne i petoosne obrade dolazi do izražaja i kod konturnog glodanja, Slika

88. Naime kod troosne obrade duljina alata uvijek mora biti malo dulja od visine obrađivanog

profila. To kod viših profila može biti posebno nepovoljno jer se značajno smanjuje krutost alata,

što za posljedicu ima slabiju kvalitetu obrađene površine. Obrada ovakvih profila upotrebom


101

petoosnih strojeva puno je pogodnija, jer se zbog proizvoljnog odabira orijentacije alata prema

obratku može koristiti puno kraći alat, koji stoga ima značajno veću krutost.

Slika 88: Prednost petoosne obrade nad troosnom kod konturnog glodanja-veća krutosti alata [9]

Prednosti petoosne obrade nad troosnom obradom na mjestima gdje je troosna obrada

moguća mogu se tako sažeti u sljedeće stavke:

smanjenje prostora i broja strojeva, kao i pomoćnih dijelova uz dobivanje jednakih

rezultata;

povećanje proizvodnosti kako smanjenjem broja stezanja, tako i smanjenjem broja

potrebnih operacija;

smanjenje broja i trajanja poslije-obradnih radnji postizanjem zahtjevane kvalitete

obrađene površine uz mali broj stezanja;

smanjenje vremena i troškova koji se pojavljuju prilikom kontrole kvalitete.

Ukoliko se prilikom odabira stroja pokaže opravdanost većih početnih investicija u petoosni

stroj, jasno je da u današnje vrijeme odabir istoga gotovo da i nema alternativu.


102

8.2. Opis primjera troosne i petoosne obrade

Sve prednosti petoosne obrade lako se mogu uočiti ako se usporedi petoosna i troosna

obrada jednakog obratka, koji ima mogućnost biti izrađen primjenom obiju tehnologija. Kao

primjer koristiti će se obradak prikazan na Slici 89. Model je izabran tako da su dimenzije

pripremka za 5mm dulje i više i šire od osnovnih dimenzija izratka. Po jedna od međusobno

okomitih stranica sirovca i izratka su međusobno u koincidenciji i dijele zajedničku točku.

Izradak je visine 20mm, s tim da su na dijelu 10mm udaljenom od vrha stranice skošene pod

kutom od 45o. Dva ruba između skošenih ploha su zaobljena sa polumjerom od 3mm.

Slika 89: Dimenzije i oblik sirovca i obratka u primjeru obrade

Obrada ima demonstrativni karakter te se stoga neće realno izvoditi, nego će biti izvedena

u simulacijskom modu računalnog CAD/CAM sustava. Korišteni računalni program je CAM

mod SolidWorks-a pod nazivom SolidCAM, a korištena verzija je SolidCAM 2008. Cilj ove

simulacije obrade je prikazati mogućnosti prolaza alata po površini obratka kod troosne i

petoosne obrade, te vrijeme trajanja obrade, kao i prikazatii obrađenu površinu nakon završetka

obrade.

I petoosna i troosna obrada sastoje se od tri operacije. Prva i druga operacija obje obrade

je identično programirana s jedinom razlikom u definiranom upravljačkom uređaju, Slika 90.


103

Koriste se troosno i petoosno upravljačko računalo sukladno korištenom virtualnom stroju

definiranom u SolidCAM-u.

Slika 90: Definirane i programirane obrade prikazane u sučelju SolidCAM-a

Primjer je ovako odabran iz razloga kako bi se pokazalo da i kod petoosnih strojeva najčešće

operacije obrade zahtijevaju samo translacijske osi. Iz već navedenih razloga tada je rotacijske

osi bolje držati zaključanima i koristiti troosni mod, sve dok se ne pojavi potreba za pet osi kada

puštanje u rad petoosnog moda dovodi do značajnih prednosti.

8.3. Operacije obrade koje se izvode jednako kod troosne i petoosne obrade

Kako je već napomenuto, kod ove dvije obrade izabrana su samo različita upravljačka

računala strojeva, dok su svi ostali parametri identični, te će stoga biti zajednički opisivani.

Nakon odabira stroja izabire se koordinatni sustav obratka koji je u ovom slučaju

postavljen u donji ugao koji je zajednički i sirovcu i obratku. Zatim se u računalnom programu

definiraju izradak i sirovac kako bi računalni program ukalkulirao potrebni materijal za

odvajanje, Slika 91. Nakon toga dodaje se prva operacija obrade. To je u ovom slučaju čeono

glodanje gornje strane sirovca kako bi se on po visini doveo na dimenzije izratka. Ova operacija

sadržava i grubu i završnu obradu, s tim da se završna obrada izvodi u posljednjem prolazu. Za

alat je izabrano čeono glodalo (Eng. Face Mill) promjera 40mm s tri zuba.


104

Slika 91: Definirani koordinatni sustav, sirovac i izradak

U tehnologiji je postavljeno da se alat tijekom obrade kreće u oba smjera (Eng. Hatch) i da se

prilikom svakog prolaza prilikom grube obrade spušta za 2mm. Preklapanje putanje glodala

izabrano je u vrijednosti od 30% promjera glodala, tako da se ova obrada izvodi u tri prolaza po

jednom stupnju visine. Broj stupnjeva prolaza je 3, od čega su 2 stupnja grube obrade, a 1

stupanj završne obrade, Slika 92.

Slika 92: Čeono glodanje obratka

Cilj sljedeće operacije je poravnati vanjske dimenzije obratka i izratka u X i Y ravnini.

To se izvodi konturnim glodanjem, Slika 93. Za alat se uzima glodalo sa ravnim vrhom (Eng.


105

End Mill), a kako se obrada izvodi paralelno sa osi Z, glodalo ju vrši bočnom stranom. Promjer

glodala je 8mm. Ova operacija izvodi i grubu i završnu obradu, s tim da se završna obrada izvodi

u posljednjim prolazima. Gruba obrada sastoji se od 4 prolaza, a završna obrada od jednog

prolaza.

Slika 93: Konturno glodanje obratka

Nakon prve dvije operacije koje su potpuno jednako programirane i na troosnom i na

petoosnom stroju, obradak ima sve vanjske dimenzije izratka. Nakon toga za obradu su ostala još

skošenja na gornjem dijelu obratka.Te se operacije sada izvode drugačije primjenom troosne, a

drugačije primjenom petoosne obrade.

8.4. Obrada zakrivljenih površina troosnom obradom

Kako su površine za obradu u trećoj operaciji postavljene pod kutom prema svim trima

koordinatnim osima obradnog stroja, potrebno je kao alat uzeti glodalo sa zaobljenim vrhom

(Eng. Bell End Mill), koje će površinu obrađivati s točkama na polumjeru zakrivljenosti vrha

alata u zahvatu. Koristi se glodalo promjera 6mm, s polumjerom zakrivljenosti vrha alata od

3mm, Slika 94.


106

Slika 94: Odabir glodala u SolidCAM-u

Kako je ovo posljednja operacija obrade komponente, sastoji se i od grube i od

poluzavršne i od završne obrade površine, Slika 95.

Slika 95: Zadavanje tehnologije obrade u SolidCAM-u za troosni mod


107

Gruba obrada je zadana tako da se alat u zahvatu giba prateći zadanu konturu, sa

preklapanjem između prolaza u vrijednosti 65% polumjera i sa posmakom po visini od 2mm

između prolaza. Ostatak za doradu nakon grube obrade postavljen je na 0.5mm.

Poluzavršna obrada zadana je tako da dodatak za završnu obradu ima vrijednost od

0.2mm. Svaki prolaz izvodi se na konstantnoj vrijednosti Z osi.

Na kraju alat izvodi završnu obradu površine skidajući sav dodatak za obradu, Slika 96.

Slika 96: Obrada zakrivljenih površina na troosnom stroju

Kako je korištenje alata s zaobljenim vrhom jedini način troosne obrade zakrivljenih

površina povećanjem broja završnih prolaza dobiva se bolja kvaliteta obrađene površine, ali zbog

sfernog oblika alata uvijek ostaju prisutna određena odstupanja od konstruiranog CAD modela,

Slika 97. Svakako treba uzeti u obzir da se povećavanjem broja prolaza produljuje i vrijeme

trajanja obrade, a i oštrice reznog alata se time više troše.

Slika 97: Izgled površine izratka nakon troosne obrade


108

8.5. Obrada zakrivljenih površina petoosnom obradom

Prednosti petoosne obrade najviše se uočavaju upravo na ovakvim primjerima

zakrivljenih površina. Alat se može postaviti prema obrađivanoj površini obratka pod bilo kojom

orijentacijom, tako da se vrlo lako dobivaju najpovoljniji uvjeti obrade.

Tako se kod ovog primjera izabire tehnologija višeosne obrade bočnom stranom glodala

(Eng. Swarf Milling), Slika 98. Osnovna prednost ovog načina obrade je mogućnost simultanog

kretanja i orijentiranja alata, tako da mu je bočna strana uvijek u dodiru sa obratkom. Na taj

način mjesto dodira alata i obratka čini liniju, što dovodi do visokih kvaliteta obrađene površine.

Slika 98: Zadavanje geometrije obrade u SolidCAM-u za petoosni mod

Kao predložak načina obrade (Eng. Pattern) uzima se obrada paralelno sa krivuljom. To znači da

će se tokom obrade vrh alata kretati po krivuljama paralelnim sa zadanom krivuljom (Eng. Edge

Curve), Slika 99. Nakon toga zadaje se površina koju je potrebno obraditi (Eng. Drive surface),

Slika 100. Osim površina koje se obrađuju, još je potrebno odrediti kontrolne površine (Eng.

Check Surfaces), koje računalnom programu označuju mjesta koja putanja alata ne smije

dotaknuti. U ovom slučaju to su sve površine koje dotiču obrađivanu površinu.


109

Slika 99: Zadana krivulja-uzorak za kretanje alata tijekom obrade

Slika 100: Označene površine koje je potrebno obraditi

Kao alat za obradu uzima se glodalo sa ravnim vrhom, Slika 101. Promjer glodala uzima

se u vrijednosti od 8mm.


110

Slika 101: Izbor alata za petoosnu obradu

Sljedeće se zadaju parametri putanje alata. Tražena površina zadaje se s tolerancijama od

0.01mm. Broj prolaza alata postavlja se na 2, Slika 102 na način da se cijela površina obrađuje u

jednom prolazu kruženjem alata preko obrađivane površine. Alat je postavljen da se kreće u

jednom smjeru. Dodatno je zadano da alat bude postavljen uvijek okomito na zadanu krivulju

kretanja alata.

Slika 102: Generirane putanje alata za petoosnu obradu


111

Tek kada se pokrene simulacija obrade može se vizualno uočiti način na koji se

zakrivljene površine jednostavno mogu obraditi primjenom petoosne obrade, Slika 103.

Slika 103: Prolaz alata preko zakrivljenih površina primjenom petoosne obrade

Posljedica ovakvog kretanja alata prilikom obrade je vrlo visoka kvaliteta obrađene

površine, Slika 104. Na površini se ne mogu uočiti tragovi obrade jer je glodalo obradu vršilo

bočnom stranom. Dodatna prednost je i bitno manje vrijeme obrade i s tim povezano trošenje

reznog alata.

Slika 104: Izgled površine izratka nakon petoosne obrade


112

8.6. Usporedba dokumentacije obrade

Prvo se uspoređuju generirani NC-kodovi troosne i petoosne obrade, Slika 105. Iako se

može očekivati da petoosna obrada ima složeniji zapis koda od troosne, u slučaju poput ovoga

prilikom petoosne obrade alat se giba po jednostavnim putanjama, što znatno pojednostavljuje

proračun za upravljačko računalo. Tako se i NC-kod petoosne obrade sastoji od svega nekoliko

redaka, dok se NC-kod troosne obrade sastoji od više stotina redaka.

Slika 105: Početak ispisa NC-koda troosne i petoosne obrade iz primjera


113

Vrijeme trajanja obrade je slijedeći bitan parametar koji se može ispitati uzimajući

podatke iz dokumentacije računalnog programa. Za ovaj primjer sastavlja se tablica sa podacima

za svaku pojedinu operaciju, Tablica 6. U tablici su prikazani potrebni podaci i parametri koji

utječu na trajanje operacija. Kao materijal obratka za ovaj primjer uzet je aluminij. Primijenjeni

alati u primjeru uzeti su iz baze podataka stvarnih alata za slične operacije. Za te alate iz baze

podataka uzeti su i preporučeni parametri obrade. Nakon što su operacije sa ovako zadanim

parametrima programirane u CAD/CAM sustavu, dobivena su vremena trajanja pojedinih

operacija. Kako su prva i druga operacija identične i kod troosne i kod petoosne obrade, tako se i

njihovi parametri ne mogu međusobno uspoređivati, nego su dani u tablici samo za usporedbu sa

trećim operacijama obje obrade.

Tablica 6: Podaci postupka obrade i konačne brzine operacija obrade

Prva operacija Druga operacija Treće operacija troosne obrade

Treće operacija petoosne obrade

Korišteni alat Čeono glodalo Konturno glodalo

Glodalo sa zaobljenim vrhom

Glodalo sa ravnim vrhom

Promjer alata [mm] 40 8 8 8 Materijal alata Visokobrzinski

čelik Visokobrzinski čelik

Visokobrzinski čelik

Visokobrzinski čelik

Brzina rezanja [m/min] 125 125 100 100 Brzina posmaka grube obrade [mm/min]

1500 2000 3000 1000

Brzina posmaka završne obrade [mm/min]

1800 2200 3500 1200

Vrijeme trajanja obrade [h:min:s]

0:01:26 0:01:11 0:17:00 0:03:41

Najbitnije je usporediti vremena trajanja trećih operacija troosne i petoosne obrade, gdje

su obrađivane zakrivljene površine. Jasno je da je za postizanje određene kvalitete obrađene

površine kod troosne obrade potrebno da alat u zahvatu prijeđe preko površine mnogo puta. Iz

tog razloga i vrijeme trajanja takve obrade je značajno, u ovom primjeru 17 min. S druge strane

kod petoosne obrade zbog jednostavne mogućnosti orijentacije alata lako se dobije povoljan

zahvat alata i obrađivane površine, te se obrađivana površina može obraditi u kratkom vremenu

sa značajnim tolerancijama na kvalitetu obrađene površine. U ovom primjeru vrijeme trajanja

petoosne obrade iznosi 3 minute i 41 sekundu. Ako se usporede vremena trajanja trećih operacija

petoosne i troosne obrade, vidi se da petoosna obrada traje svega 20% vremena troosne obrade.


114

Ovaj podatak je već sam za sebe prilično značajan. Ali ako se u razmatranje uzmu i s tim

povezane činjenice da se kod primjene troosne obrade često mora dodati i još po nekoliko

stezanja, a da je isti obradak primjenom petoosne obrade moguće obraditi u jednom stezanju

jasno je da su uštede primjenom petoosne obrade značajne.

Značajke petoosnih obrada Zaključak

115

9. ZAKLJUČAK

Petoosne obrade su dinamično i stalno razvijajuće područje koje pruža mnoge

mogućnosti. Za očekivati je da će s vremenom strojevi za takve obrade postajati još kompleksniji

i djelotvorniji, te da će CAD/CAM sustavi razvijati dodatne mogućnosti za njihovo upravljanje.

Korisnici petoosnih strojeva bi nadalje mogli zahtijevati dodatne mogućnosti u kombinaciji sa

pojednostavljenjem upravljanja. Ovakvi zahtjevi bi sigurno mogli utjecati na konstruktore

strojeva i programere CAD/CAM sustava da ujedine zajedničke napore u razvijanju sučelja

između strojeva i upravljačkih računala na način da im se postupno ugrađuje dodatna

inteligencija. Ovo je posebno bitno iz razloga što petoosna obrada ujedinjuje nekoliko različitih

velikih tehničkih područja od kojih je najznačajnija integracija stroja, tehnologije, upravljanja i

programiranja. Time konstruktori strojeva, ali i njihovi korisnici imaju potrebu stalnog praćenja

razvoja svih tih podrićja. Stoga se u budućnosti može očekivati potreba za sve educiranijim

kadrom za primjenu petoosne obrade i svih povezanih novih tehnologija općenito.

Uz navedeno petoosne obrade danas a i u budućnosti treba promatrati u okruženju drugih

suvremenih tehnologija poput digitalne i virtualne proizvodnje. Digitalna proizvodnja se sastoji

od direktne izrade komponente iz 3D CAD modela iz računala tehnologijom printanja

mikrometarskih slojeva sloj po sloj. Takve komponente također mogu nakon izrade imati

zahtjeve za preciznom obradom odvajanjem ili se s njime nadopunjuju u proizvodnoj industriji.

Virtualna proizvodnja dobiva danas sve više na značenju stoga što ona predstavlja računalne

simulacije procesa. Na taj se način mogu bitno smanjiti troškovi vezani uz uvođenje novih

procesa u proizvodni lanac kroz smanjenja troškova za različita exsperimentiranja. Sva

exsperimentiranja se vrše na računalu kroz simulacije dok se ne postignu željeni parametri, što

dovodi do značajnih ušteda prvenstveno u vremenu i materijalu.

Kako bi uspjele na današnjem tržištu, moderne alatnice moraju svoje resurse prilagoditi

izrazito fleksibilnoj proizvodnji, sastavljenoj od malih serija. Stoga se trendovi koje one trebaju

pratiti na području alatnih strojeva mogu sažeti u slijedeće stavke:

Investiranje u visokokvalitetne alatne strojeve. Nikako se ne treba povoditi za kupnjom

samo cjenovno najpovoljnijih strojeva. Razlog za takvu tvrdnju su činjenice koje govore

da na taj način konačni troškovi mogu biti puno veći u budućnosti. Konstantan rad

Značajke petoosnih obrada Zaključak

116

strojeva i visoka očekivanja za djelotvornost rada zahtijevaju izdržljive strojeve sa

naglašenom suvremenom konstrukcijom.

Stalan kontakt konstruktora strojeva sa tehnolozima koji duboko poznaju proizvodne

procese. Ukoliko takva suradnja nije pristupačna, svakako je potreban stalan kontakt sa

korisnicima strojeva koji koriste slične tehnologije.

Stalno istraživanje alternativa kod alatnih strojeva. Na tržištu danas već postoji mnoštvo

tehnologija petoosnih strojeva. Nadalje se svakodnevno razvijaju novija rješenja.

Alatnice koje uspijevaju brzo povratiti uložena sredstva u petoosne strojeve su svakako

one koje ulože određeni napor i vrijeme u identifikaciju ponuđenih mogućnosti, one koje

se koriste intuicijom i koje prouče sve alternative prilikom odlučivanja koja rješenja

najbolje pristaju njihovim individualnim proizvodima, procesima i proizvodnim

potrebama.

Izbor alatnih strojeva koji izgledaju najjednostavniji i najlakši za održavanje.

Međutim pri izboru petoosnih alatnih strojeva svakako najvažniju ulogu ima obradak i

njegove karakteristike poput: veličine, geometrije, mase, materijala, kao i količine i značajke

koje trebaju biti obrađene. Nadalje bitnu ulogu imaju varijacije u konfiguraciji dijelova, razlike u

veličini dijelova, pojedinačne značajke koje se obrađuju i lokacija tih značajki na svakom

pojedinom dijelu, kao i tolerancije na obrađenu površinu. Sve te karakteristike je potrebno dobro

razmotriti prije izbora alatnog stroja.

Značajke petoosnih obrada Literatuura

117

LITERATURA

[1 ] T. Udiljak; Autorizirana predavanja iz predmeta CAM i NC programiranje,

Veleučilište u Karlovcu; šk.god. 2008/2009.

[2 ] R. Baptista, J. F. Antune Simoes; Three and Five Axes Milling of Sculptured

Surfaces; Journal of Material Processing Technology; 2000. 103/398-03.

[3 ] E. L. J. Bohez; Five-axis milling machine tool konematic chain design and

analyses; International Journal of Machine Tool&Manufacture; 2002. 42/505-520.

[4 ] P. Zelinski; Chatter Control for the Rest of System; Modern Machine Shop

Magazine; 73-85, 10. 2005.

[5 ] P. Zelinski; Four Tipes of five Axis Machining Centres; Modern Machine Shop

Magazine; 94-103, 10. 1999.

[6 ] T. Pavlic; Projektiranje postprocesora za 5-osnu obradu; Diplomski rad; Fakultet

strojarstva i brodogradnje, Zagreb; 2009.

[7 ] 5-Axis Machining With 5axCore; ModuleWorks GmbH.

[8 ] R.S. Lee, Dr.sc. C. H. Shoe; Developing a Postprocessor for Three Types of Five-

Axis Machine Tool; International Journal of Advanced Manufacturing

Technology; 1997. 13/658-665.

[9 ] M. B. Thompson; Development of Five-Axis Machining algoritam in Flat End

Mill Roughing; Master of Science; Birgham Young University; 2005.

[10 ] Simultaneous 5-Axis Machining User Guide; SolidCAM2008 R12; 2008.

[11 ] K. Sorby; Inverse Kinematics of Five-Axis Machines Near Singular

Configuration; International Journal of Machine Tool and Manufacture; 47 (2007)

299-306.

[12 ] T. J. Ko, H. S. Kim, S. S. Le; Selection of the Machining Inclination Angle in

High Speed Ball End Milling; International Journal of Advanced Manufacturing

Technology; 2001. 17/163-170.

[13 ] J. J. Craig; Introduction to Robotics: Mechanics and Control, second edition;

1989.

[14 ] V. Idek, M. Maričić; STEP-NC; seminarski rad; Fakultet strojarstva i

brodogradnje, Zagreb; 2009.


118

[15 ] J. M. Selig; Introductory Robotics; Department of Electrical and Electronic

Engineering, South Bank Politechnic; 1992.

[16 ] N. Taniguchy; Current Status in and Future Trends of Ultraprecision Machining

and Ultrafine Materials Processing; Annals of CIRP, 32/2: 573-582; 1983.

[17 ] M. T. Tseng, J. Jiao; Design for Mass Customization; Annals of the CIRP, Vol.

45/1, 1996.

[18 ] V. H. Brussel; Manufacturing Paradigm Shifts During 50 Years of CIRP

Presidential Address, Opening Session; 51th General Assembly, Nancy, France;

2001.

[19 ] B. S. So, J. H. Jung, T. R. Kurfes, S. M. Hwang; 5 – Axis Machining Speed

Enhancement by Step Lenght Optimization; Journal of Materials Processing

Technology, 187 – 188 (2007) 2-5.

[20 ] K. Castelino, R. D'Souza, P. K. Wright; Tool Path Optimization for Minimizing

Airtime during Machining; Journal of Computing and Information Science in

Engineering; Volume 4, Issue 3, pp. 235-241, 2004.

[21 ] J. D. Foley, A. Van Damm, S. K. Feiner, J. F. Huges; Computer Graphics,

Principles and Practise; Addison Wesely Profesional, 1995.

[22 ] M. C. Lin, S. Gottschalk; Collision Detection Between Geometric Models: a

Survey; IMA Conference on Matematich of Surfaces; Winchester, UK; 33-52,

1998.

[23 ] J. H. Yoon; Tool Tip Gouging Avoidance and Optimal Tool Positioning for 5 –

Axis Sculptured Surface Machining; International Journal for Research; 41(10):

2125-2142, 2005.

[24 ] U. W. Youn, Y. Jun, S. Park; Interference-free Tool Path Generation in Five-Axis

Machining of a Marine Propeller; International Journal for Research; 41(18):

4383-4402, 2003.

[25 ] K. Weinert, M. Stautner; An Efficient Discrete Simulation of Five-Axis Milling

of Sculptured Surfaces; Production Engineering-Research and Developement;

Annals of the German Academics Society for Production Engineering; IX,

(2002)1, pp. 47-51, 2002.


119

[26 ] O. R. Tutunea-Fatan, H. Y. Fen; Configuration Analysis of Five Axis Machine

Tools Using a Generic Kinematic Model; International Journal of Machine Tool

& Manufacture; 44 (2004), 1235-1243.

[27 ] H. Liang, H. Hong, J. Svoboda; A combined 3D Linear and Circular Interpolation

Technique for Multy Axis CNC Machining; ASME Journal of Manufacturing

Science and Engineering; 124 (2002) 305-312.

[28 ] K. J. Campshure; Mapping Your Way to Five-Axis Machining; Modern Machine

Shop; 70(6) (1997) 98-108.

[29 ] H.P. Schwefel; Evolution and Optimum Seeking; Sixth Generation Computer

Technology; John Willey and Sons; New York, 1995.

[30 ] M. E. Mortenson; Geometric Modeling; John Wiley and Sons; Inc. 1985.

[31 ] Mikron Techniology Group; 2009. http://www.mikron.com

[32 ] http://en.wikipedia.org/wiki/File:STEP-NC_control_scania.jpg.

[33 ] http://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_control#Parsons_and_the_invention_of_

NC

120

ŽIVOTOPIS

Saša Franić rođen je u Slavonskom Brodu 1979. godine gdje je završio i osnovnu školu.

Tu također pohađa i srednju tehničku školu za zanimanje Elektro-tehničar gdje maturira 2002.

Nakon toga upisuje Fakultet prometnih znanosti u Zagrebu, gdje diplomira 2007 godine. Za

vrijeme studiranja povremeno je bio zaposlen u tvrtci Intereuro d.o.o. u Slavonskom Brodu. Tu

se susreće sa CAD/CAM računalnim programima, izradama nacrta i konstruiranja, zbog čega

dalje upisuje specijalizaciju na području proizvodnog inženjerstva na Fakultetu strojarstva i

brodogradnje u Zagrebu. Za vrijeme trajanja studija bio je zaposlen u tvrtci Tehnoplast d.o.o. u

Zagrebu, koja je primarno alatnica, na poslovima konstruiranja i pripreme proizvodnje.

121

CURRICULUM VITAE

Saša Franić was born in Slavonski Brod, at 1979. where he attended elementary school.

There he also attended secondary, Technical school, in course Electric-technician, where he

graduated in 2002. After that he enrolled in Faculty of Transportation science in Zagreb, where

he graduated in 2007. For time of studying he was temporay employed in company Inter euro

d.o.o. in Slavonski Brod. There he has encountered CAD/CAM computer programs, design and

drawings. Because of that, he additionally enrolled specialists study on Faculty of Mechanical

Engineering and Naval Architecture in Zagreb, at area of Manufacturing engineering. For time of

study he had been working in company Tehnoplast d.o.o. in Zagreb. How that company is

primarily machine shop, jobs on which he worked were mostly related with design of

components and manufacturing preparation.

Documents

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I … · Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Poslijediplomski specijalistički studij Zagreb, 12.2009