Uporaba sodobnih CAD/CAM metod pri načrtovanju in obdelavi

Projekt MID: Mreža izobraževanj za delo,operacijo delno financira Evropska unija iz Evropskega socialnega sklada ter Ministrstvo za šolstvo in šport

0

Uporaba sodobnih CAD/CAM metod pri načrtovanju in obdelavi elektromehanskih

postrojen

Ptuj, 27. – 28. 8. 2008Predavatelj: dr. Miha Završnik, Senčar d.o.o.

Naziv operacije: Odpiranje sistemov izobraževanja in usposabljanja v širše okolje partnerstvaProjekt MID: Mreža izobraževanj za delo,

operacijo delno financira Evropska unija iz Evropskega socialnega sklada ter Ministrstvo za šolstvo in šport



1

Zgodovinski pregled razvoja NC strojev

Želji po napredku, ki je prisotna v slehernem od nas, ves čas botrujejo okoliščine, ki jo vzpodbujajo in včasih tudi usmerjajo. Tako lahko le za redke izume trdimo, da so plod popolnoma neodvisne ideje. V večini primerov so to izsledki temeljnih znanstvenih disciplin kot sta matematika in fizika. Na področju aplikativnih znanosti pa so izumi večinoma pogojeni z razvojem tehnike in znanosti nasploh. To še posebej velja za razvoj obdelovalnih strojev, kjer zgodovino poleg temeljnih znanosti krojijo še mnogi družbeni dejavniki in trenutne potrebe trga. Tako je prvi NC stroj nastal zaradi potreb vojaške industrije, ki je potrebovala orodje za izdelavo vse zahtevnejših letal in letalskih pogonov. Seveda bi si ta industrija podobne stroje želela že prej, vendar zanje »čas še ni dozorel«. Pred njimi so morali nastati nekateri izumi in ideje, ki so ustvarile podlago in sprožile idejo za izdelavo »Sistema za neposredno krmiljenje položaja vreten obdelovalnih strojev preko izhoda računskega stroja« kot se je glasil opis naročila projekta ameriške vojske, ki ga je prevzel John Parsons na M.I.T. in ki ga danes štejemo za izumitelja NC stroja.

Mejniki razvoja NC tehnologije

Idejo o krmiljenju naprav po vnaprej določenem scenariju lahko zasledimo že v 14. stoletju, ko so zvonove krmilili s posebnimi bodičastimi valji in na ta način dobili želeno »melodijo«, ki se je lahko poljubnokrat ponovila. Razvoj sistema numerično vodenih obdelovalnih strojev je s podobnimi izumi v tesni zvezi, na njegov nastanek in nezadržni razvoj pa močno vpliva razvoj elektronike in računalniške tehnike. V nadaljevanju je podanih nekaj ključnih zgodovinskih mejnikov razvoja krmilne tehnike in numerično krmiljenih strojev.

Nadaljnji razvoj pa se je nadaljeval sledeče:

1808 je Joseph M. Jacquard uporabil pločevinaste kartice z luknjicami za krmiljenje tkalskih strojev in tako iznašel prenosljiv nosilec podatkov.



2

1863 je M. Fourneaux patentiral avtomatski klavir, znan pod imenom Pianola. Srce klavirja je poleg običajnih klavirskih sestavnih delov, vsebovalo približno 30 cm širok papirnati trak z luknjicami, skozi katere je stisnjen zrak krmilil mehanično tipkovnico in igral melodije kodirane na papirnatem traku.To metodo so nato razvijali, da je bilo mogoče regulirati tudi zvok in jakost ter hitrost igranja, kar je omogočilo precej natančno izvedbo klavirskih skladb.

1938 Claude E. Shannon je med pripravo svoje doktorske naloge na Massachusetts Institute of technology (MIT) prišel do spoznanja, da je avtomatski preračun in prenos podatkov mogoč samo v dvojiški obliki in ob uporabi Boolove algebre ter, da so elektronska stikala edine praktično uporabne komponente za ta namen.

1946 Dr. John W. Mauchly in dr. J. Presper Eckert sta izdelala in dobavila ameriški vojski prvi digitalni računalnik "ENIAC".

1949 – 1952 John Parsons je v okviru MIT po naročilu ameriških letalskih sil, razvil »Sistem za neposredno krmiljenje položaja vreten obdelovalnih strojev preko izhoda računskega stroja, in kot dokaz o delovanju izdelal izdelek".Parsons je s svojim projektom podal štiri ključna izhodišča za nadaljnji razvoj ideje o numeričnem krmiljenju:1.izračunana pot orodja se hrani na luknjani kartici2.luknjane kartice se na stroju avtomatično berejo3.kontrolira se gibanje orodja4.na osnovi teh podatkov se opravlja gibanje po koordinatnih poteh s servomotorji

1952 Na MIT je pričel delovati prvi numerično krmiljeni obdelovalni stroj z imenom Cincinnati Hydrotel z navpičnim vretenom. Krmilje je bilo izvedeno z elektronkami, omogočalo je hkratno premikanje treh osi (3D linearna interpolacija) in dobivalo podatke preko dvojiško kodiranih luknjanih trakov.S temi stroji je bilo možno izdelati vedno zahtevnejše integralne dele za potrebe letalske industrije. Šlo je za izdelke, ki jih je bilo možno natančno opisati z malo matematičnimi podatki, vendar zelo težko ročno izdelati.

1954 Podjetje Bendix odkupi Parsonsove patentne pravice in proizvede prvi industrijsko izdelan NC stroj prav tako z uporabo elektronk.

1957 Ameriške letalske sile (U.S. Air Force) postavijo



3

prve NC rezkalne stroje v svoje delavnice.

1958 Predstavljen je bil prvi programski jezik s simboli imenovan APT, v povezavi z računalnikom IBM 704. Začetek strojnega programiranja.

1960 Na sejmu v Hannovru predstavijo nemški proizvajalci svoje prve NC stroje. Za numerična krmilja pričnejo v tem letu uporabljati tranzistorska vezja.

1963 Izdelan prvi specialni NC stroj.

1965 Iznajdba avtomatičnega izmenjevalnika orodja.

1968 Z uporabo IC tehnike (integralna vezja) postanejo krmilja manjša in zanesljivejša.

1969 V podjetju SUNDSTRAND Omnicontrol v ZDA uporabijo prve DNC naprave.

1970 Iznajdba avtomatične menjave obdelovancev z menjavo transportnih palet.

1972 Prvi NC stroji s serijsko vgrajenim miniračunalnikom omogočijo razvoj novi generaciji zmogljivejših računalniško krmiljenih strojev, ki pa so jih kmalu zamenjali CNC stroji z mikroprocesorji.

1974 bil je izdelan prvi večoperacijski CNC obdelovalni stroj

1975 Iznajdba avtomatične korekture orodja (povratni hod).

1976 Za krmilja CNC strojev pričnejo uporabljati mikroprocesorje.

1977 Iznajdba avtomatičnega nadzora življenjske dobe orodja (AC krmilja)

1978 Zasnove prvih prilagodljivih proizvodnih sistemov (POS).

1980 Programska orodja, ki so jih razvili in pričeli integrirati v CNC stroje so omogočila programiranje neposredno na strojih in sprožila "spopade" za in proti krmiljem z ročnim vnosom podatkov. CNC krmilja že vsebujejo podprograme za pomoč pri izdelavi programov za proizvodnjo.

1984 Zelo zmogljivi CNC stroji podprti s programskimi orodji z grafičnim prikazom postavijo nova merila za programiranje proizvodnje.

1986/87 standardni programski in računalniški vmesniki omogočajo povezavo strojev v avtomatizirano tovarno na podlagi računalniških mrež (CIM. in JIT).



4

Razvoj numerično krmiljenih strojev v Sloveniji

Pri nas so se prvi NC stroji pojavili okrog leta 76, v Železarni Ravne, proizvajalca Pratt & Whitney, na tedanji Višji tehniški šoli v Mariboru in na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani, pa vrste Cincinnati Milacron. Med prve moderno opremljene tovarne prištevamo še Litostrojevo tovarno viličarjev, kjer se je proizvodnja na sodobnih CNC strojih začela leta 1979. Na območju nekdanje Jugoslavije, pa so prvi NC stroj pognali v Prvomajski v Zagrebu.Naše tovarne se z izdelavo računalniško krmiljenih stružnic in vrtalno – rezkalnih strojev za obdelavo kovin niso ukvarjale. Poleg bogate ponudbe iz tujine je s tovrstnimi stroji tovarne bivše Jugoslavije opremljala Prvomajska iz Zagreba in še nekatere druge tovarne. Od naših tovarn velja omeniti Iskro, ki je izdelala krmilnik CNC 2T, Litostroj je izdelal več različnih CNC preoblikovalnih strojev in linij za razrez pločevine, v Gorenju so izdelali robota itd. Dosti več je bilo narejenega na razvoju programske opreme za računalniško načrtovanje izdelovalnega procesa (CAP), kjer beležimo nekaj odmevnih izdelkov s področja računalniškega programiranja NC strojev in upravljanja proizvodnih procesov.

NC stroji, CNC stroji in DNC obrati

Prvotni koncept numeričnega krmiljenja (NC), je s pojavom mini- še bolj pa s pojavom mikro-računalnikov prerasel v dosti naprednejši CNC koncept. CNC je okrajšava za Computerized Numerical Control, v bistvu pa pomeni krmilje z vgrajenim računalnikom. Vgrajen računalnik je olajšal upravljanje stroja, omogočil izvajanje zahtevnejših računskih operacij na stroju (interpolacije višjega reda), izboljšal pomnilniške kapacitete krmilja, predvsem pa omogočil povezovanje krmilij/strojev v industrijske računalniške mreže.



5

To zadnjo lastnost s pridom uporablja koncept DNC obrata. Kratica pomeni Direct Numerical Control ali neposredno numerično krmiljenje, gre pa za idejo osrednjega nadzornega računalnika, ki upravlja več CNC strojev. »Upravljanje« je v večini primerov omejeno na osrednje shranjevanje NC programov in prenos le-teh od racunalnika do strojev in nazaj. Seveda ima osrednji računalnik lahko tudi bolj zahtevne naloge, kot so: zbiranje podatkov o delovanju strojev, upravljanje toka materiala in celo upravljanje proizvodnje.Zaradi stalnega padanja cen elektronskih komponent in hitrega razvoja mikroračunalniške tehnologije, najdemo danes NC stroje le še v arhivih in zgodovinskih učbenikih, sicer pa so moderni numerično krmiljeni stroji izključno CNC stroji.

ADAPTIVNO KRMILJENJE (AC)

Iz zgodbe o numerično krmiljenih strojih ne smemo izpustiti adaptivnega krmiljenja, s katerim skušamo numerično krmiljene stroje avtomatizirati do te mere, da bomo med obratovanjem lahko vplivali na sam proces odrezavanja in s tem vplivali tudi na glavni čas obdelave. Vsa do sedaj omenjena avtomatizacija namreč služi le skrajševanju pomožnih in pripravnih časov, ki jih z umno organizacijo in uporabo sistemov za avtomatsko menjavo obdelovancev, lahko tudi izničimo. Adaptivno krmiljeni sistemi pa z avtomatskimi napravami vplivajo na proces odrezavanja, z namenom skrajševanja glavnega časa obdelave. AC sistemi so torej posebna oblika krmilja, kjer je postopek odrezavanja vključen v regulacijski krog.Postopek odrezavanja je navadno vnaprej predviden in določen z osnovnimi odrezovalnimi parametri (globina rezanja, podajanje, rezalna hitrost), ki so izračunani glede na neke standardne delovne pogoje. Le-ti pa lahko od dejanskih bistveno odstopajo, kar lahko s tipali zaznamo kot na primer, manjšo obremenitev stroja in podobno. V tem primeru lahko parametre spremenimo in tako vplivamo na glavni obdelovalni čas. Podobno lahko z merjenjem odrivne sile na orodju zaznamo obrabljenost orodja in ga pravočasno zamenjamo – še preden proizvedemo izmet. Numerično krmiljen stroj, opremljen s potrebnimi tipali in krmiljem, ki ta tipala nadzoruje, imenujemo adaptivno krmiljen stroj.



6

PRILAGODLJIVI OBDELOVALNI SISTEMI (POS)

Prilagodljive obdelovalne sisteme (POS) bi lahko imenovali tudi izpopolnjena nadgradnja DNC sistema. In sicer je prilagodljiv obdelovalni sistem skupek CNC strojev, ki so med sabo fizično in podatkovno (logično) povezani. Za fizično povezavo skrbi transportni oziroma logistični sistem, za podatkovno pa računalniško omrežje in osrednji, nadzorni računalnik. V tak sistem povezujemo stroje z namenom večje avtomatizacije delovnega procesa in s tem skrajšanja proizvodnih časov. POS se od DNC razlikuje predvsem po vlogi nadzornega računalnika, ki tukaj poleg obdelovalnega regulira še logistični sistem.

Prilagodljivi obdelovalni sistemi so namenjeni izdelavi tehnološko podobnih delov, omogočajo pa optimizacijo celotnega sistema in s tem hitrejše in učinkovitejše odpravljanje motenj v procesu.

Vpliv NC tehnologij na obdelovalno tehniko

Z novimi iznajdbami na področju elektronike in elektrotehnike (tranzistor, integrirana vezja…) so se na področju izdelave krmilnih naprav za numerično krmiljene stroje odprle številne nove možnosti. V prvi fazi je napredek tekel predvsem v smeri povečanja sposobnosti krmilnih enot, kjer je bil vrhunec dosežen z vgradnjo računalnika v krmilje. V drugi fazi pa so elektronske komponente začeli vgrajevati tudi v ostale dele stroja, da bi s tem dvignili nivo avtomatizacije in dodatno skrajšali pripravljalni in nastavni čas. Hiter napredek je omogočilo predvsem hitro padanje cen elektronskih komponent, ki so v začetnem obdobju predstavljale levji delež stroškov izdelave numerično krmiljenega stroja, danes pa predstavljajo elektronske komponente že manj kot 10% vrednosti celotnega stroja.



7

Z vključitvijo mikroračunalnika v krmilje stroja, so se odprle dodatne možnosti za dvig avtomatizacije proizvodnje, predvsem pa možnosti za izdelavo vse zahtevnejših oblik. Obenem se pojavijo tudi težnje, da bi večji del programerskih funkcij postavili neposredno na krmilje stroja. K sreči so se te težnje kmalu izgubile, saj bi to danes pomenilo, da bi stroj vreden nekaj 10 mio. tolarjev, namesto svoje ciljne funkcije, opravljal delo osebnega računalnika vrednega nekaj 100 tisoč tolarjev. Je pa omenjeni trend zapustil pozitivne posledice pri razvoju konvencionalnih, univerzalnih strojev. Ti so danes prav tako že opremljeni s krmilji, vendar je postavitev vseh elementov še vedno prirejena človeku, ki s strojem dela in ne avtomatskim strežnim napravam kot je to običaj pri »čistih« numerično krmiljenih strojih.

S pojavom CNC strojev pa se je zgodila še ena velika sprememba, ki je bila posledica vgrajenega računalnika. Pojavila se je namreč potreba po zmogljivejši in vse zahtevnejši programski opremi. Le-ta je kmalu začela predstavljati večji del vrednosti stroja, kot pa mehanske komponente stroja. Oba navedena vzroka, neuporabnost stroja, če se na njem izvaja programiranje in stroški programske opreme, sta privedla do ločevanja programerskih funkcij od čistih krmilno-komunikacijskih funkcij krmilja. Tako se danes, z redkimi izjemami, programiranje strojev izvaja na ločenih grafičnih postajah, kjer se s pomočjo simulacijskih programov izvede tudi preizkušanje NC programov. Od tod pa se preverjeni NC programi preko računalniških mrež prenašajo do CNC strojev.



8

Prihodnji razvoj

Od prihodnosti na področju razvoja numerično krmiljenih strojev pričakujemo predvsem večje možnosti povezovanja v računalniška omrežja. Te so namreč še vedno odvisne od standardnih serijskih vmesnikov tipa RS 232, na katere se potem priklapljajo najrazličnejše zunanje komunikacijske naprave. Zaradi omejitev serijske komunikacije je seveda močno omejena tudi izmenjava podatkov med strojem in nadzornim računalnikom, ki bo v prihodnje nujna. Zato pričakujemo tudi ukinjanje nekaterih funkcij CNC krmilja, ki sodijo bolj na področje grafičnih delovnih postaj. Namesto teh pa bo prišlo do vključevanja omrežnih protokolov kot sta TCP/IP in IPX/SPX, kar bo omogočilo neposredno povezovanje v arhitekturo odjemalec/strežnik in s tem pojav 3. generacije DNC konceptov.Nenazadnje pa bo prej ali slej moralo priti do ukinitve trenutnega standarda NC kodnega zapisa, ki s svojo omejenostjo že predstavlja oviro. Pričakujemo lahko pojav novega standarda z izrazno bogatejšim kodiranjem, ali celo pojav poprocesorjev integriranih v krmilja CNC strojev.

Zelo pomembno za prihodnji razvoj numerično krmiljenih strojev in s tem povezane tehnologije je nadaljnje upadanje deleža velikoserijske in masovne proizvodnje v strojegradnji. kar je posledica tržnih sprememb. Potrebe trga se vedno bolj nagibajo k večji individualizaciji dobrin, kar pomeni prilagajanje posameznih izdelkov posebnim, individualnim potrebam kupca. V takšnih razmerah pa je nujna velika prilagodljivost in odzivna sposobnost proizvodnega sistema, za kar so numerično krmiljeni obdelovalni stroji vedno bolj prilagojeni.

Individualna

MaloserijskaSerijska

Masovna



9

Koordinatni sistemi pri numerično krmiljenih obdelovalnih strojihPoložaj obdelovanca v delovnem prostoru stroja je

natančno določen s koordinatnim sistemom stroja. Le-ta

je mehansko pogojen in omejen z velikostjo stroja.

Pravokotni, kartezični, koordinatni sistemi so, brez

izjeme osnovni koordinatni sistemi numerično krmiljenih

strojev. Imenujemo jih tudi desno-sučni ali desnoročni

koordinatni sistemi, kar se nanaša na orientacijo

posameznih koordinatnih osi. Le-te imajo smeri vodil

stroja, pri čemer je Z os vedno os glavnega vretena

stroja. Orientacijo koordinatnega sistema najlažje ponazorimo s prsti desne roke, pri čemer

predstavlja palec X os, kazalec Y os, sredinec pa Z os. Če sredinec usmerimo v smeri

glavnega vretena stroja, lahko z ostalima dvema prstoma preprosto določimo lego delovne

ravnine

Prostostne stopnje

Lega koordinatnega sistema je seveda dogovorjena in opisana v standardih. Vsa gibanja elementov obdelovalnega stroja so opisana v standardu DIN 66217 ali ISO 841-1974. Po dogovoru označujmo vsa translatorna gibanja v smeri glavnih osi stroja z X, Y in Z, vsa rotacijska gibanja okrog teh osi pa z A za rotacijo okrog X osi, z B za rotacijo okrog Y osi in s C za rotacijo okrog Z osi. Pozitivna smer rotacije je v smislu desnega navoja v smeri translacijske osi. Vsako translacijsko in rotacijsko gibanje, ki ga stroj dopušča imenujemo prostostna stopnja stroja. V tehnološko-komercialnem žargonu pa število prostostnih stopenj stroja označujemo kar s številom osi. Tako



10

imamo 3-, 4-, 5- ali tudi več-osne stroje, kar pomeni stroje s tremi, štirimi, petimi ali tudi več prostostnimi stopnjami. V primerih, ko imajo stroji več kot tri translacijske ali rotacijske prostostne stopnje, moramo ta dodatna gibanja seveda nekako opisati. V ta namen uporabimo za translatorna gibanja predhodne črke s konca abecede. Os vzporedno osi X označimo z U, os vzporedno osi Y z V in os vzporedno osi Z označimo z W. V takih primerih gre seveda za nov koordinatni sistem, ki lahko glede na osnovnega zavzame nek določen položaj, ki ga doseže z rotacijo okrog glavnih osi. Zato se označevanje teh dodatnih osi nanaša na osnovni, mirujoči položaj stroja. Sicer pa se v praksi največkrat pojavljajo 3- in 4-osni obdelovalni centri, ter 5-osni stroji za posebne obdelave.

Ničelna točka obdelovanca Ničelno točko obdelovanca določi programer, ki sestavlja NC program, torej je ta točka

dejansko izhodišče koordinatnega sistema NC programa. Pri njeni izbiri mora poskrbeti le za to, da bo to točko na surovcu mogoče natančno obtipati in tako določiti njeno lego v koordinatnem sistemu stroja. Pri ročnem programiranju je modro to točko izbrati tako, da lahko čimveč razdalj neposredno prenesemo z delavniške risbe v NC program.

Ničelna točka stroja Ničelna točka stroja je dejansko izhodišče koordinatnega sistema stroja. Določi jo

proizvajalec stroja in je ni mogoče spreminjati. Ničelno točko obdelovanca moramo pred začetkom obdelave natančno orientirati glede na ničelno točko stroja.



11

Referenčna točka Ob vklopu stroja z inkrementalnim merilnim sistemom, se morajo vodila premakniti v ničelno točko stroja in tako določiti položaj koordinatnega izhodišča – X=0, Y=0 in Z=0. Pri mnogih numerično krmiljenih strojih ničelne točke stroja z vodili ni mogoče doseči zato je določena referenčna točka, katere odmik od ničelne točke stroja je znan. Vodila se potem pomaknejo v to »nadomestno« točko, namesto v ničelno točko stroja.

Ničelna točka orodja Ničelna točka orodja je točka, za katero so v NC programu izračunane poti orodja. Z njo

je določeno izhodišče koordinatnega sistema orodja. Predstavljamo si jo lahko kot točko, ki se bo pomikala po poteh določenih z NC programom. Njen pomen je večstranski, saj z njeno pomočjo orodja tudi merimo in nastavljamo. Na to točko se nanašajo podatki o korekciji orodja s katerimi pred obdelavo korigiramo NC program in tako zagotovimo geometrijsko natančnost izdelka. Z drugimi besedami, to pomeni, da krmilju dopovemo, naj po izračunanih poteh ne vodi ničelne točke, temveč točko konice orodja, ki je od ničelne točke orodja odmaknjena za velikost korekcijskih faktorjev.

Vnos podatkov in merjenje poti na numerično krmiljenih obdelovalnih strojihV krmilje CNC stroja moramo pred začetkom obdelave vnesti vse potrebne podatke za celoten obdelovalni postopek. Te podatke lahko v grobem razdelimo na:

geometrijske, tehnološke, orodne.



12

Geometrijske in tehnološke podatke vnesemo v krmilje v obliki NC programa, orodne podatke pa vnašamo ročno ali pa s posebnimi programi. Geometrijski podatki so podatki o:

ključnih položajnih točkah orodja, poteh med njimi in smeri gibanja na teh poteh.

Podani so v obliki vektorjev v kartezijevem koordinatnem sistemu. Tehnološki podatki pa opredeljujejo:

način gibanja na poteh, ki jih določajo geometrijski podatki, odrezovalne parametre na teh poteh in vrsto pomožnih funkcij, ki jih mora opraviti stroj med gibanjem.

Orodni podatki so podatki o dejanski obliki orodij t.j. o njihovi dolžini in natančnem premeru, ko gre za rezkalna orodja oziroma o koordinatah konice orodja pri stružnih nožih. Zelo pomemben je tudi podatek o položaju določenega orodja v orodnem skladišču stroja, saj z njim določimo orodje v NC programu.

Kodiranje podatkov

Uvodoma je bilo omenjeno, da se vsi podatki, ki jih vnašamo v krmilje ustrezno kodirajo. Kodni sistem je standardiziran, izhaja pa iz začetnega obdobja razvoja numerično krmiljenih strojev. To je iz obdobja, ko so elektronske komponente predstavljale levji delež vrednosti stroja in je bilo zato potrebno z njimi zelo gospodarno ravnati. To se nanaša predvsem na elektronske pomnilnike, kamor se podatki prehodno shranjujejo ter na prenosne pomnilne medije od koder jih v pomnilnike prenašamo. Ker je bilo prvih vedno premalo, drugi pa so zavzemali veliko prostora, je bilo nujno potrebno vse podatke vnesti v čim bolj strnjeni obliki. Pod vplivom teh zahtev je nastal sistem numeričnega kodiranja podatkov, kjer so vsi ukazi stroju predstavljeni s po eno črko in nekaj številkami. Ta kodni sistem se je nespremenjen obdržal do danes in ga poznamo pod nazivom NC zapis. Danes razlogov za tako gospodarno kodiranje praktično ni več vendar se kljub temu še niso pojavile večje težnje po spremembah standarda. NC zapis ima namreč ob svoji gospodarnosti tudi nekaj slabih strani, med katerimi je prav gotovo najpomembnejša ta, da si ga je težko zapomniti, ker je popolnoma neasociativen. Vzrok za njegovo ohranitev pa leži predvsem v dejstvu, da se ročno programiranje opušča, saj ga zamenjujejo vse zmogljivejša in vedno cenejša računalniška orodja. Z njimi se vse operacije opravijo s pomočjo grafičnih vmesnikov, NC zapis pa je le še posrednik med grafično delovno postajo in numerično krmiljenim obdelovalnim strojem.V razpredelnici 1 so prikazani vsi črkovni simboli, ki jih za zapis NC programov predvideva standard ISO. Tem so pridruženi še številski znaki, s katerimi so potem natančneje definirane posamezne funkcije. Številke pridružene simbolom X, Y, Z, A, B, C, I in J pa označujejo koordinate točk do katerih se mora orodje premakniti v koraku, ki ga opisuje določen programski stavek.

Naslovitveni znaki posebni znakiZnak Pomen Znak PomenA, B, C Vrtenje okrog X, Y in Z osi % Začetek programaD Pomnilnik korekcij orodja ( začetek opombe



13

F Pomik ) konec opombeG Način pomikanja + predznakI, J, K Koordinate središča kroga - predznakM Dodatna funkcija . decimalna pikaN Številka stavka LF konec stavkaS Število vrtljajev vretena DEL brisanjeT Orodje NUL prazen znakX, Y, Z Koordinate

Posamezne skupine simbolov in številk združujemo v programske besede te pa v programske stavke. Zaporedje programskih stavkov je enako zaporedju korakov, ki jih izvede stroj. Vsak programski stavek je oštevilčen, pri čemer zaporedje številčenja ni predpisano, mora pa biti naraščajoče. Skupek programskih stavkov imenujemo NC program. Vsak NC program se začne z določenimi uvodnimi podatki, ki jih imenujemo glava programa in konča z zaključnimi podatki. Glava program ni natančno predpisana, mora pa vsebovati znak % in številko programa, po kateri lahko programe, ki so istočasno v krmilju, ločimo med sabo. V razpredelnici 2 je prikazan tipičen programski stavek, ki vsebuje podatke o poti in stikalne podatke. Programski stavki lahko vsebujejo vse te podatke ni pa nujno, saj se stikalni podatki ne spreminjajo do preklica, t.j. spremembe.

Številka stavka

Podatki o poti Stikalni podatki

N10 G01 X10 Y130 Z45 F200 S1000 T03 M03

Način pomika koordinate ciljne točke

pomik št. vrtljajev gl. vretena št. orodja vrtenje v desno

Merjenje poti na numerično krmiljenih obdelovalnih strojih

Iz vsega povedanega lahko sklepamo, da je bistvena, mehanska razlika med konvencionalnimi in numerično krmiljenimi stroji ravno v načinu merjenja poti, ki je za delovanje numerično krmiljenih strojev bistveno, poleg tega pa opredeljuje tudi njihovo natančnost. Za doseganje neke točke potrebujejo numerično krmiljeni stroji natančno delujoč sistem za merjenje razdalj, brezstopenjsko nastavljive pogonske motorje, brezzračna pogonska vretena in vodila z nizkim koeficientom trenja.Način merjenja poti lahko opredelimo glede na:

mehansko postavitev merilnih elementov, postopek merjenja.

Glede na mehansko postavitev ločimo:

neposredno in posredno merjenje položaja.

Pri neposrednem merjenju uporabljamo merilni trak, ki je pritrjen neposredno na obdelovalno mizo na katero pritrjujemo obdelovance. Posebna merilna naprava šteje razdelke na merilu in tako neposredno meri pomike delovne mize. Nenatančnost pogonskih elementov kot so



14

gonila in vretena pri tem načinu merjenja nimajo nobenega vpliva na natančnost pozicioniranja.

V primeru posrednega merjenja poti pa je merilni element pritrjen na vreteno za pomikanje delovne mize. Merilna naprava tako šteje vrtljaje glavnega vretena, ki jih nastavno krmilje preračuna v pomik delovne mize. Nenatančnost vretena in gonil tu pomembno vpliva na natančnost pozicioniranja, vendar pa je izvedba bistveno cenejša.

Glede na postopek merjenja poti, oziroma zaznavanja merilnih impulzov pa ločimo: absolutni in inkrementalni

način merjenja. Beseda »absolutno« v tej zvezi pomeni, da so položaji delovnih osi v vsakem trenutku natančno določljivi ne glede na to v kakšnem stanju se nahaja obdelovalni stroj, saj se vedno nanašajo na neko stalno izhodišče. Inkrementalno (inkrementi = kratki razdelki enakih dolžin) pa pomeni, da se meri le naraščanje oziroma padanje pomikov.



15

Za absolutno merjenje poti potrebujemo kodiran merilni trak, ki v vsaki točki prikazuje natančen položaj sani glede na izhodiščno točko stroja. Merilni trak je kodiran v dvojiškem sistemu, kar omogoča krmilju, da vsaki točki priredi določeno številsko vrednost.

Inkrementalno merjenje pa lahko izvedemo s pomočjo preproste rešetke, ki jo sestavljajo enako velika svetlo-temna polja. Med pomikanjem rešetke mimo optičnega merilnega tipala, le-to pošilja impulze nastavnemu krmilju. Njihovo število je enako številu svetlo-temnih polj. Na osnovi števila impulzov ter znanega prejšnjega položaja vodil, krmilje izračuna nov položaj. Za delovanje tega merilnega sistema je nujna neka referenčna točka na vodilih, katere položaj je stalen in v krmilju absolutno definiran. Pred začetkom delovanja se morajo vodila pomakniti v to točko in s tem umeriti merilni sistem.

Avtomatska menjava orodij in orodni sistemiS pojavom avtomatiziranega menjavanja orodij na obdelovalnih strojih, so se pojavili tudi različni sistemi vpenjanja orodij, ki so omogočili hitro izmenjavo in natančno vpenjanje orodij. Zahteve, ki jih mora izpolnjevati orodni sistem so:

hitro in varno rokovanje, možnost prednastavljanja orodij, velika ponovljivost pri izmenjavi orodij, zbiranje podatkov o orodjih v orodni podatkovni bazi in upravljanje z njimi, nadzor orodij.

V orodni sistem spadajo:

orodja, vpenjalne priprave za vstavljanje orodij v vreteno stroja, držala orodij, orodna skladišča, naprave za menjavo orodij, sistema za računalniško upravljanje orodij.



16

Vpenjalne priprave so lahko različnih tipov, predvsem pa morajo biti prilagojene obliki vpenjalne luknje na vretenu stroja. V grobem lahko te priprave razdelimo na priprave za vrtalna in rezkalna orodja ter priprave za stružilna orodja. Priprave za vrtalna in frezalna orodja imajo največkrat obliko standardnega vpenjalnega stožca, opremljenega s priteznim čepom za vpenjalne klešče in prijemalnim žlebom v katerega primejo prijemala naprave za avtomatsko menjavo orodij.



17

Priprave za vpenjanje stružilnih orodij imajo najpogosteje obliko valjastega stebla, ki ga vpnemo v revolver za menjavo orodij.Med vpenjalno pripravo in orodjem se ponavadi nahaja še vmesni element, t.i. držalo orodja, ki je na eni strani prilagojen orodju, na drugi pa vpenjalni pripravi. S pomočjo tega »vmesnika« vstavljamo različna orodja v standardne vpenjalne priprave in nato v vreteno oziroma revolver stroja.Orodja s pomočjo držal vstavljamo v vpenjalne priprave in tako dobimo t.i. stavke orodij. Celoten stavek vložimo v orodno skladišče, od koder ga po potrebi vzame naprava za avtomatsko menjavo orodij.Vsa orodja potrebna za neko obdelavo (ali več obdelav) shranjujemo v orodnih skladiščihstrojev. Ta lahko imajo različne oblike, največkrat pa se pojavljata,

revolversko skladišče, za manjše število orodij in verižno skladišče za večje število orodij.

Izbira in nastavljanje orodij

Izbira orodja je ena od funkcij NC programiranja, ki spada med določanje tehnoloških podatkov in pomembno vpliva na celoten čas obdelave. Zato poskušamo celoten postopek obdelave opraviti s čim manj orodji, le-ta pa naj bodo čim lažje in hitreje nastavljiva. Danes praktično brez izjeme uporabljamo orodja z zamenljivimi rezalnimi ploščicami, izjema so le vrtalna orodja in rezkala manjših premerov.

Izbiri orodja sledi nastavljanje orodij med katerim natančno določimo korekcijske razdalje, to je odmik rezalne točke od ničelne točke orodja. Nastavljanje orodij opravljamo na posebni napravi, opremljeni s pripravo za vpenjanje orodij, katera ustreza vpenjalni glavi stroja, in optično merilno napravo, s katero izmerimo korekcijske razdalje.



18



19

NUMERIČNO KRMILNJENI (NC)12 OBDELOVALNI STROJI

Stalna želja po napredku, človeka ves čas sili k novim izumom, katerih namen je lajšanje vsakodnevnih opravil in nadomeščanje človeka pri monotonih opravilih. Po obdobju načelnih rešitev značilnih za obdobje po industrijski revoluciji, smo danes priče velikim težnjam k čim večji avtomatizaciji obstoječih načelnih rešitev. Tipični predstavniki tega prehoda so numerično krmiljeni stroji, ki jih ponavadi kratko poimenujemo kar NC stroji. Kratica je okrajšava za Numerical Control, kar v širšem smislu pomeni »upravljanje s številskimi znaki«, nanaša pa se na sintakso programov s katerimi upravljamo tovrstne stroje. V upravljanju je torej jedro NC strojev in tudi bistvena razlika napram konvencionalnim strojem.

Za obdelavo nekega izdelka na konvencionalnem stroju (Slika 1a) je potrebno neprestano poseganje operaterja v obdelovalni proces. Z numerično krmiljenimi stroji pa je mogoče enak proces izvesti brez vpliva operaterja (Slika 1b). Seveda je potrebno poprej natančno določiti ves delovni potek, ga razčleniti na delovne korake in s pomočjo krmilnih ukazov vnesti v krmilno enoto NC stroja. Zato numerično krmiljeni stroji nimajo nastavnih koles, temveč krmilno enoto s pripomočki (tipkovnica, zaslon…) za vnos krmilnih ukazov. Krmilni ukazi so na primer podatki o smeri in dolžini poti, ki naj jo prepotuje orodje, ukazi za zagon glavnega vretena, vklop hladilne tekočine in podobno. Ukazi so kodirani po standardnih predpisih in imajo obliko črk in številk – od tod tudi ime, numerično krmiljenje.Kot že rečeno, delovne korake pri NC strojih:

vnaprej načrtujemo in zapišemo, kodiramo v obliki črk in številk,



20

vnesemo v krmilno enoto (krmilje) stroja, stroj pa jih samostojno (brez posegov operaterja) izvede.

Krmilni ukazi sestavljajo t.i. NC program, s katerim v končni fazi krmilimo gibanje delovne mize in vretena stroja. Za izvajanje posameznih gibov je numerično krmiljen stroj opremljen s po enim motorjem za pogon vsake od gibalnih osi ter s sistemom za merjenje poti na vsaki gibalni osi. Na ta način natančnost in izdelovalni čas nista več odvisna od spretnosti operaterja.

Prednosti numerično krmiljenih strojev nespremenljiva kakovost obdelave, manjši stroški izmeta in nadzora, krajši obdelovalni časi, možnost nadgradnje v smislu večje avtomatizacije, izdelava zahtevnih, sestavljenih oblik, velika stopnja prilagodljivosti, velika ponovljivost, možnost arhiviranja in ponovne uporabe NC programov.

Sestava, naloge in delovanje CNC krmiljaCNC krmilje ima sestavne dele praktično enake kot vsak osebni računalnik. Tu je več mikroprocesorjev, elektronskih pomnilnikov, vhodno-izhodnih enot in vodilo, ki vse to povezuje med sabo. Najpomembnejše naloge CNC krmilja so:

vnos, hranjenje, obdelava in pošiljanje podatkov

kot tudi neprestan nadzor regulacijskega kroga.

Vnos podatkovPodatke lahko v krmilje vnesemo ročno s pomočjo vgrajene tipkovnice ali pa jih prenesemo iz drugih naprav s pomočjo različnih podatkovnih nosilcev. V današnjem času so v ta namen najprimernejše industrijske računalniške mreže, še vedno pa je v uporabi veliko drugih podatkovnih nosilcev, ki so se na to področje selili iz računalniške tehnike. Tako so se prve pojavile luknjane kartice, sledili so jim luknjani trakovi, nato pa magnetni trakovi, diskete in magnetno-optični nosilci.

Hranjenje podatkovZa hranjenje podatkov skrbi več elektronskih pomnilniških celic (RAM, ROM oz. EPROM). V njih so shranjeni:

operacijski sistem krmilja, interaktivni vmesniki in pripadajoča grafika, programski sistem za iskanje in izpis napak, eden ali več NC programov,



21

podatki o orodnih korekturah in premikih ničelnih točk, podatki o delovnih ciklih in življenjski dobi orodja.

Obdelava podatkovPodatke v CNC krmilju obdeluje več mikroprocesorjev, ki preko operacijskega sistema skrbijo za pravilno zaporedje obdelave podatkov. Sem spada na primer izračun linearnih oziroma krožnih poti orodja kot tudi stalen nadzor regulacijske zanke pomikov delovnih osi.

Pošiljanje podatkovNastavitveno krmilje skrbi za razpošiljanje izračunanih podatkov. Le-te primerno ojači, da dobijo obliko potrebno za krmiljenje podajalnih motorjev in opravljanje stikalnih funkcij kot so nastavljanje vrtilnih hitrosti glavnega vretena, pomikov in podobnih.Razen tega vsebujejo CNC krmilja tudi krmilne funkcije za upravljanje zunanjih naprav, na primer paletnih izmenjevalcev, manipulatorjev in podobnih ter naprav za pošiljanje podatkov o delovanju stroja do zunanjih naprav za zbiranje teh podatkov.



22

Computer

RAMProgramskipomnilnik

EPROMOperacijski

sistem

RAMTehnološkipomnilnik

PROCESOR 1obdelavapodatkov

PROCESOR 2Interpolacije

položajev

PROCESOR 3Nastavitveno

krmiljenje

V / I naprave

V / I naprave

Vodilo

Upravljalnakonzola Nosilci podatkov

Nadzorniračunalnik

(DNC)

Men

java

obd

elov

ance

v

Gla

vni p

ogon

Pod

ajal

ni p

ogon

i

Men

java

oro

dij

Regulacijska zanka za nastavljanje pomikov gibalnih osi

Nastavitveni procesor CNC krmilja skrbi za natančno lociranje posameznih delovnih osi stroja. Nadzor nad lokacijo posameznih osi je izveden z regulacijskimi zankami v katere so vklučeni:

motor za pogon podajalnega gibanja, merilni sistem za ugotavljanje trenutnega položaja osi, primerjalni člen in nastavni člen.



23

Nastavni člen prejme podatek o želenem položaju osi, ki ga posreduje primerjalnemu členu. Ta preveri trenutni položaj osi in ga primerja s posredovano želeno vrednostjo. Kot rezultat primerjave pošlje motorju za pogon osi ustrezen impulz, ki sproži gibanje osi v želeni smeri. Ves čas gibanja primerjalni člen od merilnega sistema prejema podatke o dejanskem položaju osi in jih primerja z želeno vrednostjo. Ko se dejanski položaj ujame z želenim, primerjalni člen pošlje pogonskemu motorju nov impulz za ustavitev gibanja.

Documents

Uporaba sodobnih CAD/CAM metod pri načrtovanju in obdelavi