Automatizované výrobné stroje a zariadenia
Základné pojmy a definície Výrobné stroje
Obrábacie stroje
Tvárniace stroje
Stroje pre nekonvenčné technológie
Definícia: Obrábacie stroje – sú pracovné stroje určené na vytváranie obrobkov určitého tvaru, rozmeru a akosti obrábaním. Definícia: Tvárniace stroje – sú pracovné stroje určené na vytváranie výrobkov do požadovaného tvaru s požadovanými mechanickými vlastnosťami tvárnením.
Rozdelenie obrábacích strojov
Podľa prevládajúceho spôsobu obrábania obrábacie stroje delíme na stroje pre: sústruženie vŕtanie vyvrtávanie frézovanie hobľovanie a obrážanie preťahovanie a pretláčania brúsenie lapovanie, honovanie a superfinišovanie elektroerozívne, elektrochemické, elektroiskrové, ultrazvukové, laserové, tzv. nekonvenčné spôsoby obrábania delenie materiálu špeciálne práce
Rozdelenie obrábacích strojov
Podľa rozsahu použitia sa delia jednotlivé druhy OS na: Univerzálne stroje slúžiace na urobenie všetkých technologických operácií, charakteristických pre daný druh stroja (napríklad sústružnícky stroj) na obrobkoch rôzneho druhu a veľkosti Špeciálne stroje slúžiace na urobenie jednej alebo niekoľkých technologických operácií na obrobkoch toho istéhu druhu vo vymedzenom rozsahu rozmerov (napríklad stroje na závity, stroje na ozubenie) Jednoúčelové stroje (JUS) slúžiace na urobenie jednej alebo niekoľko konkrétnych operácií na jednom obrobku
Rozdelenie obrábacích strojov
Podľa spôsobu ovládania – riadenia sa delia OS s ovládaním/riadením: manuálnym – ručným poloautomatickým (stroje poloautomatické) - poloautomaty automatickým (stroje automatické) - automaty Podľa toho akým spôsobom sa realizuje automatizácia pracovného cyklu stroja sa OS delia na: stroje s tzv. „tvrdou – nepružnou “ automatizáciou (vačkové automaty) stroje s tzv. „pružnou – flexibilnou“ automatizáciou s narážkovým systémom s číslicovým riadením (NC) s NC systémom a adaptívnym riadením
Rozdelenie obrábacích strojov Stroje s manuálnym – ručným ovládaním sú charakteristické tým, že pri nich sa väčšina pracovných pohybov (t.j. hlavný pohyb, posuvy, prísuvy, spätné pohyby a pod.) a úkonov (ŠTART, STOP) ovláda ručne Stroje poloautomatické sú charakteristické tým, že pri nich sa všetky pracovné pohyby a úkony vykonávajú automaticky v jednom pracovnom cykle a pri ktorých je zásah operátora nevyhnutný len pri výmene obrobku a opakovaním pracovného cyklu (napríklad poloautomatické NC, resp. CNC sústružnícke stroje, hrotové brúsky s automatickým pracovným cyklom a pod.) Stroje automatické sú charakteristické tým, že pri nich sa všetky pracovné úkony vrátane upínania a opakovania cyklu vykonávajú automaticky bez zásahu operátora (napríklad cyklické automaty, sústruhy, frézky, brúsky)
Rozdelenie obrábacích strojov
Podľa počtu a druhu technologických operácií možno OS deliť na: monoprofesné – s prevládajúcou technologickou operáciou napr. sústruženie, t.j. aplikujú väčšinou jednu profesiu viacprofesné – obrábacie centrá – MC (Machining Centre) na ktorých sa dajú robiť rôzne technologické operácie (sústruženie, frézovanie, vŕtanie a pod.)
Špecialna konštrukcia sú stavebnicové stroje – sú zostavené väčšinou z typizovaných alebo unifikovaných celkov a skupín
Označovanie obrábacích strojov SUI 32 A S – sústruh U – univerzálny I – stavebnicový 32 – maximálny priemer obrobku Ø320 mm A – napríklad prvá séria v poradí
SUI NC 32 A NC – číslicovo riadený
Požiadavky na obrábacie stroje resp. výrobnú techniku Základnou požiadavkou na OS je jeho schopnosť splniť požiadavky používateľa, vyrobiť tvoriace plochy súčiastky s vyžadovanou presnosťou rozmerov, tvarov a tiež kvalitou obrobenej plochy. Výroba súčiastky rôznymi spôsobmi obrábania musí byť ekonomicky efektívna, t.j. musí prebiehať za optimálnych ekonomických podmienok, ktoré nezávisia len od stroja, ale zahŕňajú aj náklady na nástroje, prípravky, energiu, organizáciu práce, dopravu materiálu a riadenie. Ďalšou požiadavkou je výrobnosť stroja. Súvisí s predchádzajúcimi požiadavkami na presnosť a ekonomickú efektívnosť. Ďalej sem tiež patria bezpečnosť práce, ovplyvňovanie životného a pracovného prostredia a hľadiská priemyseného dizajnu.
Požiadavky na obrábacie stroje resp. výrobnú techniku technické požiadavky – technické parametre, kompatibilita prvkov a pod. konštrukčná časť stroja (vretená, vodiace plochy, spojky, remene, reťaze, odvod triesok pohony – pohon vretena, posuvov-rýchloposuvov, istenie proti preťaženiu hydraulické, mazacie, a chladiace zariadenie mazacie zariadenie – vretenníka, prevodovej skrine, vodiacich plôch, množstvo oleja, výpustné otvory chladenie funkcia stroja geometrická a pracovná presnosť presnosť nastavovania polohy elektrovýzbroj a osvetlenie stroja využitie inštalovaného výkonu absolútne kmity stroja ovládanie stroja bezpečnosť práce hlučnosť stroja
Požiadavky na obrábacie stroje resp. výrobnú techniku technická dokumentácia vzhľad stroja vplyv prostredia servis ukazovatele výroby prevádzková spoľahlivosť NC systém
Pracovná presnosť Kinematická presnosť výrobnej techniky Dynamická presnosť výrobnej techniky Kritéria tuhosti obrábacích strojov Kritérium deformácie vyvolanej silami tiaže Kritérium vyvolané reznými silami Kritérium vynúteného kmitania Kritérium samobudeného kmitania
Obrábacie stroje Príklady usporiadania: a) dvojosový automatický sústruh, b) trojosový automatický revolverový sústruh, c) zvislý sústruh, karusel s jedným suportom, d) zvislý sústruh, karusel, s troma suportmi, e) trojosé vodorovné vyvrtávačky stolové
Ukážky obrábacích centier f) štvorosový sústružnícky automat g) štvorosové vertikálne frézovacie centrum h) šesťosové vertikálne frézovacie centrum, i) štvorosové vodorovné frézovacie centrum.
j-l) - 4osého vodorovného frézovacího centra,
Príklad bezobslužného CNC stroja: 1 – prepravná technologická paleta obrobku, 2 – stojan stroja s vreteníkom a vodorovným vretenom, 3 – reťazový zásobník nástrojov, 4 – riadiaca jednotka, 5 – výmenná stanica na výmenu paliet polotovarov a obrobkov
Usporiadanie stavebnice modulov jednoúčelového obrábacieho stroja: 1 A, B, C diely spodnej stavby (stôl, základ lôžko, stojan), 2 A, B, C, D polohovacie jednotky (A – kruhová, B – mezikruhová, C – bubnová, D –lineárna), 3 A,B pracovní jednotky (A – vŕtacia, B – frézovacia) a 4 A, B pomocné a riadiace jednotky.
Uspořádání stavebnice jednoúčelového stroje
Univerzálny CNC sústruh pre obrábanie rotačných súčiastok (X, Z) FERMAT SF 43 CNC Sústruhy s vodorovným lôžkom a sú určené pre obrábanie rotačných súčiastok buď z deleného alebo tyčového materiálu, popr. z hutných polotovarov.
Vertikálne obrábacie centrum Hermle C 30 U Obrábacie centrá sú výkonné vyvrtávacie a frézovacie 3-osá obrábacie stroje umožňujúce vysokoproduktívne a presné vŕtanie, vyvrtávanie, vyhrubovanie, vystružovanie a priame rezanie závitov. Stroje sú vybavené zásobníkom pre automatickú výmenu 18/24 popr. 24/32 nástrojov. Obrábacie centrá pre náročnejšie obrábanie sú vybavené riadeným otočným stolom pre 4.os alebo riadeným otočným a naklápacím stolom pre 4.a 5. os.
Zvislý CNC sústruh FERMAT VLC (karusel) Zvislé sústruhy sú určené pre produktívne obrábanie rotačných symetrických i nesymetrických prevažne rozmerných súčiastok
Dvojvretenová CNC vŕtačka
Frézovací obrábací stroj pre klasické trojosé obrábanie
Číslicové riadenie (Numerical Control) je zvláštnym prípadom programového riadenia, ktorý sa uplatňuje v automatizácii obrábacích a ďalších výrobných strojov. Programové riadenie NC obrábacieho stroja umožňuje samočinný priebeh pracovného cyklu výrobného zariadenia alebo celého procesu podľa určitého programu. NC riadenie, t.j. číslicové riadenie je považované za najvyšší stupeň programového riadenia. Je definované ako spôsob samočinného riadenia strojov alebo celých procesov pomocou vopred pripravenej postupnosti informácií uložených v pamäti stroja. Program pohybového a funkčného cyklu sa vkladá vo forme čísiel do riadiaceho systému. Tieto čísla sú v určitom kóde prenesené na nositeľa informácií (dierna páska, dierny štítok, magnetická páska, magnetická disková pamäť).
Informácie potrebné na riadenie obrábacieho stroja je možné rozdeliť nasledovne: informácie o geometrii obrábania opisujúce dráhu nástroja vzhľadom na súčiastku (vytvorenie tvaru), informácie o technológii obrábania, ktoré zabezpečujú dosiahnutie technologických podmienok (rezné pomery), pomocné informácie zabezpečujúce napríklad prívod reznej kvapaliny, kontrolné operácie a pod.
Číslicové riadiace systémy sa podľa zložitosti riadenej dráhy rozdeľujú na: systémy s prerušovaným riadením (nespojité), systémy so spojitým riadením. Systémy s prerušovaným riadením sa rozdeľujú ďalej na: systémy na nastavovanie súradníc, pravouhlé systémy. Základnou funkciou systému pre nastavovanie súradníc je nastavovať polohu nástroja vzhľadom k súčiastke alebo naopak postupne do jednotlivých vopred určených bodov. Tieto systémy sa používajú pre vŕtačky alebo vyvrtávačky. Programová poloha nástroja sa nastavuje v čase, keď nástroj nie je v zábere. Súradnica sa nastavuje postupne alebo súčasne v obidvoch smeroch.
Delenie NC riadiacich systémov
NC systémy – nastavenie súradníc Pravouhlé systémy sa používajú najmä pri sústruhoch a frézovacích strojoch. Prestavovanie nástroja v pravouhlom systéme sa realizuje za pohybu nástroja.. Prestavovanie prebieha vždy v jednej súradnici.
Obr. Systémy nastavovania súradníc a)postupné b)súčasne v dvoch smeroch
Pri systémoch s plynulým riadením sa pohyb nástroja vzhľadom na súčiastku riadi súčasne a plynule počas obrábania v dvoch alebo viacerých osiach. Týmto sa môžu opracovávať i voľné - grafické plochy. Realizáciu kruhovej alebo parabolickej dráhy zabezpečuje interpolátor. Interpolátor je zariadenie riadiaceho systému, ktoré vypočítava dráhu pre začiatočný a koncový bod.
Obr. Pravouhlý a súvislý systém riadenia
Typy programovania NC
Vo všeobecnosti je možné NC program vytvoriť nasledovnými spôsobmi: -ručné programovanie -automatizované programovanie. a) priamym písaním NC-kódu b) použitím geometrických programovacích jazykov c) použitím CAM ako počítačového systému d) použitím CAD/CAM systému
Priame písanie NC-kódu
V tomto prípade ide o tzv. ručné spracovanie NC programu. Táto metóda sa nazýva aj ručné programovanie. V zásade tento spôsob vyžaduje poznať formát zápisu NC programu t.j. štruktúru a stavbu viet (syntax) pre konkrétny riadiaci systém, význam príkazov a funkcií. Pracné je najmä počítanie súradníc každého významného bodu pohybu nástroja. Medzi základné informácie potrebné na vypracovanie NC programu patria: -typ použitého NC stroja (vrátane typu riadiaceho systému) -druh, tvar a rozmery polovýrobku alebo opracovávanej súčiastky -vyžadovaný tvar, rozmery a drsnosti obrobených plôch súčiastky -nástrojové vybavenie (počet a typy nástrojov) -technologické podmienky (posuvy, rezné rýchlosti)
Použitie geometrických programovacích jazykov
Geometrické programovacie jazyky sú určené na automatizáciu programovania NC výrobnej techniky. Pomocou jazykov sa zadávajú počítaču úlohy v symbolickej forme. Jazyk ATP (Automaticaly Programmed Tool) zaujíma medzi nimi výnimočné postavenie. Patrí k najznámejším a bol vzorom pre vznik mnohých ďalších jazykov ako EXAPT, ADAPT, MINIAPT, AUTOPROG a iné. Vychádzal z programovacích jazykov ako FORTRAN, ALGOL a pod. pre programovanie samočinných počítačov. Tieto počítačové systémy realizujú výpočty potrebné pre generovanie súradníc polôh nástroja. Tieto výpočty sa vykonávajú na základe príkazov. Pomocou týchto príkazov sa zostavuje opis tvaru a rozmerov súčiastky, definujú sa dráhy rezného nástroja, určujú rezné a posuvové rýchlosti nástroja a ďalšie potrebné funkcie stroja.
Použitie CAM/CAM systémov V súčasnosti na vrchole vývoja techník NC programovania stoja veľké CAM a CAD systémy. Pre veľké CAM systémy je príznačné, že sa použije externe vypracovaný počítačový CAD model súčiastky (spracovaný v niektorom vhodnom CAD systéme) preúčel generovania NC programu. Samotný postup vytvorenia NC programu prebieha vo všeobecnosti vo všetkých CAM systémoch nasledovnou postupnosť krokov: -načítanie CAD modelu súčiastky pomocou vhodného formátu (IGES, SET, STEP a pod.) -orientácia modelu súčiastky v požadovanej polohe vhodnej pre prístup nástroja -zadanie technologických parametrov - hĺbka rezu, otáčky, posuvové rýchlosti -zadanie údajov o nástroji - typ a rozmery nástroja (napr. priemer a dĺžka frézy) -zadanie kvalitatívnych údajov - tolerancie (odchýlky) tvaru a rozmeru vyrábanej plochy a namodelovanej plochy, tolerancie pre dosiahnutie drsnosti povrchu -zadanie údajov o pohyboch nástroja mimo záber a v zábere - tzv. stratégie obrábania a pod.
Následne sa v CAM systéme spustí tzv. procesorové spracovanie, ktorého výsledkom pre obrábanie je súbor dát tzv. CLDATA {Cutter Location Data). Súbor CLDATA obsahuje údaje o polohe nástroja. Súbor je uložený na disku počítača a je buď v: -textovom formáte - t.j. vo forme prípustnej pre dodatočnú úpravu užívateľom -špeciálnom formáte - t.j. vo forme neprípustnej pre čítanie a editovanie CLDATA dáta obsahujú informácie o: - súradniciach bodov (X,Y,Z) polohy nástroja - spôsobe pohybu medzi nimi (posuv, rýchloposuv) CLDATA súbor je univerzálny, všeobecný a nieje zrozumiteľný pre každý riadiaci systém obrábacieho stroja. Je označovaný ako medzičlánok k vytvoreniu NC programu. Je to vstupný súbor pre programy, ktoré pretransformujú údaje zapísané v súbore do informačnej štruktúry zrozumiteľnej riadiacemu systému NC obrábacieho stroja. Tieto počítačové programy sa nazývajú aj postprocesory.
Postprocesory
Vzhľadom na to, že existuje mnoho obrábacích strojov s rôznymi riadiacimi systémami, je potrebné preložiť vygenerované CLDATA do jazyka konkrétneho riadiaceho systému. Na tento účel slúžia tzv. postprocesory. Sú to programy, ktoré môžu pracovať: -mimo prostredia CAM a v takom prípade vstupom do postprocesora sú práve CLDATA, výstupom je NC program pre konkrétny riadiaci systém obrábacieho stroja -ako priamo integrované v prostredí CAD, kde je vytvorený CAM model súčiastky. postrehnúť vytvorenie súboru CLDATA, keďže je priamo generovaný súbor s NC dátami.
G-kód CNC obrábacie stroje sú programované pomocou tzv. G-kódu, ktorý predstavuje špecifické CNC funkcie in alphanumerickom formáte
Stavebnicová upínacia sústava
Nástrojová sonda Dotykové sondy: meranie obrobku, meranie nástroj - dotykové, bezdotykové (laserové)
Výrobné systémy
Výrobný systém je obecné usporiadanie výrobných strojů a útvarov a podľa zložitosti systému sa delia na: Systém I. rádu – najmenšia jednotka systému, schopná samostatne plniť funkciu (obrábací stroj vrátane obsluhy). Systém II. rádu – zoskupenie viacerých vzájomne integrovaných zariadení a funkčne orientovaných na výrobu skupiny obrobkov Systém III. rádu – systém obsahujúci niekoľko nižších systémov, ktoré funkčne plnia výrobné úlohy, tj. produkciu výrobku ( výrobné zoskupenie pre výrobu napr. montážnej skupiny). Systém IV. rádu – všetky útvary vrátane predvýrobných útvarov (úplný výrobný podnik) .
Výrobní systém I. rádu: automatický CNC sústruh s portálovým robotom. Polotovary a dokončené súčiastky sú na paletách dopravované priebežným dopravníkom, robot realizuje zakladanie a výmenu polotovarov a súčiastok. 1 – robotický manipulátor 2 – CNC sústruh 3 – dopravník paliet
Výrobný systém II. rádu: zoskupenie niekoľkých strojov vzájomne prepojených dopravníkom a obsluhovaných portálovým robotom, medzi strojmi je zarazené montážne pracovisko. 1 – dopravník, 2 - portálový robot, 3 – CNC sústruh, 4 – montážne pracovisko
Hlavné trendy vo vývoji Vývoj rezných materiálov odkryl rezervy zvýšenia reznej rýchlosti a inicioval rozvoj nových technológií vysokorýchlostného, suchého a tvrdého obrábania. Rýchlosť obrábania sa zvyšuje s použitím priamych pohonov. Nezvyšujú sa iba rýchlosti obrábania, ale aj celkový obrábací výkon, ktorý je dôležitý pre celkovú ekonomickosť výrobného procesu. Znamená to teda, že stroje sú rýchlejšie, výkonnejšie a v neposlednom rade lacnejšie v prevádzke. Vývojové trendy zaznamenané smerujú ku komplexnému obrábaniu na jednom stroji vrátane všetkých sústružníckych, frézovacích a brúsiacich operácií na jediné upnutie.
Usporiadanie výrobného systému s prepojením obslužným automatickým vozíkom. Každé pracovisko má vlastnú zásobu dielov a nástrojov: zakladací systém a vozík realizuje dopravu a výmenu súčiastok a nástrojov.
