MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2014
LUBOŠ KERBER
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Konstrukce počítačem řízených obráběcích strojů Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, PhD.
Vypracoval: Luboš Kerber
Brno 2014
STRANA PRO ZADÁNÍ
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem práci: na téma Konstrukce počítačem řízených obráběcích strojů vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací.
Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona.
Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše.
V Brně dne:………………………..
…………………………………………………….. podpis diplomanta
PODĚKOVÁNÍ
Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D za veškeré informace k mým připomínkám, za poskytnuté konzultace a dané připomínky ohledně problematiky, která se týkala mé bakalářské práce.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce pojednává o Konstrukci počítačem řízených obráběcích strojů. Nejprve se zabývám historií a charakteristikou počítačem řízeného obráběcího stroje. V další části se zabývám jednotlivým rozdělením obráběcích strojů dle jejich funkčnosti. Dále v této práci nalezneme požadavky na počítačem řízený obráběcí stroj a jeho tuhost. V další části práce se zabývám jednotlivými částmi stroje z pohledu konstrukce a pracovním prostorem stroje. Na závěr práce se zabývám s využitím počítačem řízených obráběcích strojů.
KLÍČOVÁ SLOVA Počítačem řízené obráběcí stroje, charakteristika, konstrukce, využití CNC strojů
ABSTRACT This thesis deals with the construction of computer-controlled machine tools. First the history and characteristics of computer-controlled machine tool. I also deal with individual distribution of machine tools. Furthermore, in this work we find the requirements for a computer-controlled machine tool and its rigidity. The next section deals with the different parts of a machine in terms of design and working space of the machine. The last part deals with the use of computer-controlled machine tools.
KEYSWORDS Computer-controlled machine tools, characteristics, structure, use of CNC machines
OBSAH 1.
ÚVOD .................................................................................................................... 9
2.
CHARAKTERISTIKA POČÍTAČEM ŘÍZENÝCH OBRÁBĚCÍCH STROJŮ 10
3.
HISTORIE OBRÁBĚCÍCH STROJŮ ................................................................. 12
4.
ROZDĚLENÍ POČÍTAČEM ŘÍZENÝCH OBRÁBĚCÍCH STROJŮ ............... 14
5.
POŽADAVKY KLADENÉ NA OBRÁBĚCÍ STROJE ..................................... 15
6.
BLOKOVÉ SCHÉMA POČÍTAČEM ŘÍZENÉHO OBRÁBĚCÍHO STROJE . 16
7.
JEDNOTLIVÉ ČÁSTI POČÍTAČEM ŘÍZENÝCH OBRÁBĚCÍCH STROJŮ . 19 7.1Konstrukce jednotlivých částí stroje ......................................................... 19 7.1.1Rámy obráběcích strojů .................................................................... 19 7.1.2Uložení obráběcích strojů na základ ................................................. 21 7.1.3 Vřetena obráběcích strojů ................................................................ 22 7.1.4 Posivové soustavy lineární............................................................... 24
8.
TUHOST POČÍTAČEM ŘÍZENÉHO OBRÁBĚCÍHO STROJE ...................... 27 8.1 Vliv tlumení vřetena na míru stability a tlumiče vřeten ........................... 27
9.
PRACOVNÍ PROSTOR STROJE ....................................................................... 28 9.1 Souřadnicový systém stroje ...................................................................... 30 9.1.1 Kartézská souřadnicová soustava..................................................... 30 9.1.2 Polární souřadnicová soustava ......................................................... 31
10. 10.1 11.
AUTOMATICKÁ VÝMĚNÁ NÁSTROJŮ........................................................ 32 Kódování nástrojů .......................................................................................... 34 AUTOMATICKÁ VÝMĚNA OBROBKŮ......................................................... 35
11.1
Manipulace rotačních součástí ....................................................................... 35
11.2
Manipulace nerotačních součástí ................................................................... 36
12.
VYUŽITÍ A KONTROLA VÝROBY TECHNOLOGICKÉHO PROCESU ..... 37 12.1 Využití .................................................................................................... 37 12.2 Kontrola .................................................................................................. 37
13
VÝROBA A SPOTŘEBA OBRÁBĚCÍCH STROJŮ ......................................... 38 13.1 Hlavní trendy současné výroby obráběcích strojů ................................. 38 13.2 Vliv ekonomické situace na vývoj nových strojů .................................. 38
14
ZÁVĚR ................................................................................................................ 39
15
POUŽITÁ LITERATURA .................................................................................. 40
16
SEZNAM OBRÁZKŮ ......................................................................................... 42
8
1. ÚVOD Pro zpracování železných i neželezných materiálů se používá třískové obrábění. Dnes již moc nepoužívané konvenční stroje, převážně nahrazují počítačem řízené obráběcí stroje, které jsou díky svým vlastnostem předurčeny k výrobě různých konstrukčně jednoduchých, a potažmo i složitých obrobků, určených k dalšímu užití a zpracování. Mezi hlavní přednosti patří především krátký čas při výrobě obrobků, jejich přesnosti a výměně, a dále také z technologického hlediska všestrannost pro přednastavení technologického programu na jiný rozměr, popřípadě na zcela jiný obrobek v co nejkratším časovém rozmezí. Jsou na ně kladeny vysoké požadavky jak na přesnost, tak na dlouhou životnost a na jejich nízké provozní náklady. Úvodem mé bakalářské práce bych chtěl říci, že bakalářská práce pojednává o problematice a řešení konstrukce počítačem řízených obráběcích strojů. V bakalářské práci jsem se zajímal, jak číslicově řízené stroje prošly vývojovou generací. Ale práce především pojednává o požadavcích a o konstrukci na počítačem řízený obráběcí stroj. Cílem této práce je nastínit počítačem řízené obráběcí stroje, které nám pomohou k seznámení a orientaci v dané problematice. V dnešní době se počítačem řízené obráběcí stroje používají čím dál tím častěji, tudíž bychom měli znát jejich hlavní části, které tvoří samostatný celek, tj. počítačem řízený obráběcí stroj.
9
2. CHARAKTERISTIKA
POČÍTAČEM
ŘÍZENÝCH
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Počítačem řízené obráběcí stroje nebo také CNC stroje, jejíž zkratka znamená Computer Numerical Control, jsou číslicově řízené obráběcí stroje starších generací, které užívaly NC řídicí systémy, zatímco dnes jsou výhradně využívány CNC řídicí systémy. U CNC řídicích systémů je část pro zpracování informací tvořena vestavěným počítačem, který má v sobě nahraný software, uloženy v paměti a všechny důležité funkce systému. Na rozdíl od NC řídicího systému, který má tyto funkce pevně určeny a stanoveny. Další výhodou CNC řízení je to, že softwarovými bloky lze tento systém přizpůsobit strojům s různými počty řízených os, vřeten, výměnných hlav, otočných stolů a funkcí. [2] Počítačem řízené obráběcí stroje jsou charakteristické tím, že ovládání pracovních funkcí stroje je prováděno řídicím systémem pomocí vytvořeného programu. Informace o jednotlivých pracovních operacích jsou zapsány v programu pomocí alfa – numerických znaků. Vytvořený program je dán posloupností oddělených skupin znaků, které se nazývají bloky nebo věty. Podprogram je určen pro řízení silových prvků stroje a zaručuje, aby proběhla požadovaná výroba součásti. Informace které program obsahuje, lze rozdělit na: Geometrické – Popisují dráhy nástroje, způsob obrábění a popisuje příjezd a odjezd nástroje k obrobku a od něho. Technologické – Stanovují technologii obrábění z hlediska řezných podmínek (například: otáčky, řezná rychlost, posuv). Pomocné – Jsou informace a pomocné funkce pro stroj (například: zapnutí čerpadla chladicí kapaliny, směr otáček vřetene, mazání, výměna hlavy, výměna nástroje) Stroje se uplatňují ve všech oblastech strojírenské výroby (obráběcí, tvářecí, montážní, měřící). [1]
10
Pro CNC stroje typické, že se ovládání všech funkcí stroje (pohyby, rychlost, směr pohybů, výměna nástrojů a obrobků) provádí výhradně řídicím systémem stroje. Numericky řízené stroje nesnižují výrobní náklady jenom tím, že jsou ‚‚pružné‘‘ ale i tím, že užitím nových konstrukčních principů jsou spolehlivé a tím uzpůsobeny pracovat na třísměnný provoz, dále pracují v automatickém cyklu a tím podstatně snižují vedlejší časy. Rovněž nelze opomenout, že rychlým seřízením docílíme taktéž nezanedbatelných úspor. Tyto aspekty vedou ke zvýšení využití časového fondu. [2] CNC obráběcí stroj je tedy obráběcí stroj, který je numericky řízen a konstrukčně uzpůsoben tak, aby pracoval v automatickém cyklu a měl automatickou výměnu nástrojů, výměnu hlav a obrobků. [2] Charakteristické znaky konstrukce počítačem řízených strojů:
Vysoká tuhost a přesnost provedení – šikmá, svislá nebo betonová lože
Zdroje tepla jsou kompenzovány – ovlivňují přesnost práce stroje
Nastavení optimální řezné rychlosti – plynulá změna otáček
Nízké pasivní odpory přímočarých a kruhových vedení – valivá vedení a jejich velká životnost
Automatické polohování
Automatická výměna hlav
Automatická výměna nástrojů
Automatická výměna obrobků – ne u všech
Přizpůsobení stroje k automatickému odvodu třísek
Adaptivní řízení
Technická diagnostika – monitorování stroje, obrobku, nástroje, řezného procesu [7]
11
3. HISTORIE OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Vývoj číslicové techniky se odehrával ve čtyřech hlavních oblastech: stavební komponenty, vlastní zdroje, řídicí systémy a výrobní soustavy. Hlavní milníky vývoje jsou rozděleny: •
1950 – Stroje první vývojové generace
Jako pohony jsou používány elektricky řízené hydromotory a začínají nastupovat elektricky řízené motory. Pro odměřování se používá optické odměřování. První NC stroje jsou spíše uzpůsobené konvenční stroje. Řídicí systém pracuje na principu vakuových lamp, releových desek. Objevují se NC systémy řízené magnetickým záznamem. Tento typ strojů přestal posléze vyhovovat, protože u něj nebyly využity charakteristické znaky pro konstrukci NC obráběcích strojů. •
1960 – Stroje druhé vývojové generace
Na počátku 60. let byly tyto stroje konstruovány výhradně pro číslicové stroje, později se začínají objevovat tranzistorové NC systémy a dále těsně před rokem 1970 jsou nasazovány integrované obvody včetně parabolických a splineových interpolací. Stroje začínají být vybavovány automatickým výměníkem nástrojů, dopravníkem tříšek a objevují se první výrobní linky s NC stroji a stanicemi. •
1970 – Stroje třetí vývojové generace
Důležitým zlomem ze stavby strojů je přizpůsobení stroje do automatizovaných výrobních soustav zavádějí se kuličkové šrouby valivé a hydrostatické vedení. Dochází k aplikacím inprocesního měření a korigování rozměrů. Je vyrobeno první soustružnické obráběcí centrum s rotujícími nástroji. NC řídicí systémy mají systémy s pamětí a editací partprogramů. Tato generace strojů se již vyznačuje automatickou výměnou obrobků. •
1980 – Stroje čtvrté vývojové generace
V konstrukci NC strojů jsou aplikovány senzory pro indetifikaci a sledování pohybů mechanických objektů. Tyto stroje jsou vybaveny automatickou výměnou nástrojů, obrobků a manipulaci s třískami. Tudíž jde o plně automatizovaná 12
technologická pracoviště. Řídicí systémy jsou založeny na bázi CLC/PLC multiprocesorových mikropočítačových výrobních soustav pro nerotační i rotační součásti. •
1990 – Stroje páté vývojové generace
Stroje jsou vybaveny velkokapacitními zásobníky a mezioperační dopravou nástrojů i obrobků. NC stroje mají vysoké parametry přesnosti a produktivity pro všechny typy výrobních operací. Začínají se zde využívat mechatronické prvky, to znamená zejména elektronickou kompenzaci chyb při polohování, při měření obrobku při obrábění pomocí sond a korekce programu pro dodržení rozměrů a přesnosti. Začíná se objevovat i laserové odměřování polohy. CNC systémy mají otevřenou architekturu a integrované CAD/CAM systémy na bázi PC. Pružné výrobní soustavy mají bohaté technologické vybavení, což umožňuje velkou variantnost dílů ve výrobě. •
2005 – Stroje šesté vývojové generace
Zahájení vývoje nové generace počítačem řízených obráběcích center. Dochází k integraci technologických operací (multi - funkční stroje). Snaha o sjednocení HW a SW. Tyto stroje mají konstrukci založenou na přecházejících generací s těmito charakteristickými znaky:
Snižování času výměny nástroje a obrobku na minimum
Koncepce šitá zákazníkovi na míru
Vysokorychlostní, víceré a suché obrábění
Dálková diagnostika hlavních skupin strojů, jejich opravy a nastavení
Ultra - přesné obrábění [2]
13
4. ROZDĚLENÍ
POČÍTAČEM
ŘÍZENÝCH
OBRÁBĚCÍCH
STROJŮ Obráběcí stroje se dříve dělily dle druhu hlavního pohybu na obráběcí stroje s hlavním pohybem přímočarým (hoblovky, obrážečky) a s hlavním pohybem rotačním (soustruhy, vrtačky, brusky, frézky). Díky, ale velkému rostoucímu rozvoji strojírenské výroby vznikla celá řada pracovních metod, u nichž se nedá odlišit kam daný stroj zařadit, proto nejhlavnější rozdělení je dle: - Pracovního rozsahu obráběcího stroje - Rozhodující operace [12] Počítačem řízené obráběcí stroje rozdělujeme dle hlavní pracovní operace, která při třískovém obrábění převažuje: •
Soustružení
•
Frézování
•
Vrtání, zahlubování, vyhrubování, závitování
•
Vyvrtávání
•
Broušení
•
Výroba ozubení (zejména odvalováním)
•
Elektro – erozivní obrábění (drátové řezání)
Pro vybranou operaci je třeba vybírat mezi hlavními činiteli obráběcího stroje, na jehož volbu má vliv zejména daný druh obrábění, počet obráběných součástí, rozměry pracovního prostoru stroje, rozsah řezných podmínek, skutečný výkon obráběcího stroje, přesnost a tuhost obráběcího stroje. [12] Podle úrovně dělíme číslicové stroje na následující: •
Dle počtu technologických operací - jedno - profesní stroje, obráběcí centra, víceúčelová obráběcí centra
•
Dle hlavního pohybu: hlavní pohyb koná nástroj nebo obrobek
•
Dle kinematiky - sériové, paralelní, smíšené
•
Dle technologie obrábění: vysokorychlostní nebo vysokovýkonné obrábění – HSC, HPC [2]
14
5. POŽADAVKY KLADENÉ NA OBRÁBĚCÍ STROJE
Mezi hlavní důležité požadavky řadíme výkonnost stroje a pracovní přesnost. Mezi další velmi důležité požadavky můžeme zařadit malou půdorysnou plochu, snadnou ovladatelnost, přístupnost pracovního prostoru, provozní spolehlivost, trvanlivost, životnost, bezpečnost práce, vhodné odstraňování třísek od stroje. Výkonnost pracovního obráběcího stroje je množství hodnot vyprodukovaných za jednotku času. Pracovní přesnost stroje je dodržení přesných rozměrů a tvaru obráběných ploch a také dodržení vzájemných poloh a kvality povrchu obráběných strojů. Pracovní přesnost ovlivňuje řada činitelů:
Konstrukční zpracování, statická tuhost, dynamická stabilita
Volba materiálu
Kvalita zpracování a montáže funkčních částí
V jakém prostředí je stroj provozován
Volba druhu a tvaru nástroje
Návrh technologie obrábění [4]
Počítačem řízený obráběcí stroj by tudíž měl umět provádět různé druhy operací, pracovat v automatickém cyklu, měl by být vybaven automatickou výměnou nástrojů a obrobků. Dále by měl pracovat samostatně v bezobslužném provozu a měl by být vybaven prvky diagnostiky a měřícím systémem. [2] V současné době mají stroje mechatronické znaky a tudíž je výroba nesmírně technicky i investičně náročná. [12]
15
6.
BLOKOVÉ
SCHÉMA
POČÍTAČEM
ŘÍZENÉHO
OBRÁBĚCÍHO STROJE
Obrázek 1: Blokové schéma počítačem řízeného obráběcího stroje [1]
Počítač Jedná se o průmyslový počítač s nahraným softwarem (SW), který je součástí řídicího systému. Z hlediska obsluhy představuje obrazovku a ovládací panel. Pomocí ovládacího panelu lze provádět potřebné příkazy nutné při ruční obsluze, pro seřizování obrobku a pro práci v dalších režimech stroje. Též umožňuje pomocí příslušného řídicího systému vytvářet požadovaný technologický program. Program také můžeme vytvořit mimo stroj a ten do řídicího systému možno napsat ručně (což je zdlouhavé), u starších řídicích systémů nahrávání kabelem přes sériový či paralelní port (z diskety, PC) u novějších pomocí USB Portu (PC, Flash disk). Program se ukládá v paměti a pro vlastní práci se vyvolá příkazem (například číslem programu). Řídící obvody V těchto obvodech se logické signály převádějí na silnoproudé elektrické signály, kterými se přímo ovládají jednotlivé části stroje – motory vřetene a posuvů, ventily a další. 16
Řídí stroj pomocnými funkcemi, na obrázku 1 jsou znázorněny otáčky vřetene a otáčení zásobníku nástrojů do pracovní polohy pro určený nástroj
Řídí dráhu nástroje pohybovými funkcemi, které popisují geometrii pohybu v osách X a Z
Interpolátor Řeší dráhu nástroje, která je zadaná geometrií a výpočty délkových a rádiusových korekcí nástroje. Vypočítavá tedy ekvidistantu pohybu bodu výměny nástroje, která je vzdálena o vypočítané korekce od požadovaného geometrického obrysu. Zaručuje geometrickou přesnost výrobku. Porovnávací obvod Stroj musí být vybaven zpětnou vazbou, která přenáší informace o dosažených geometrických hodnotách suportů v souřadných osách, v jednotlivých bodech dráhy pohybu. Tyto souřadnice se porovnají s hodnotami, které jsou zadány programem a upraveny v interpolátoru. Pokud je zjištěn rozdíl, pohony posuvů dostanou povel k dosažení požadovaných hodnot souřadnic. Stroj musí být vybaven odměřováním, například pomocí pravítek umístěných na suportech, které slouží ke zjištění dosažených hodnot souřadnic. Odměřovací zařízení Na počítačem řízených obráběcích strojích slouží k odměřování číslicové (impulsní) odměřovací systémy, jak rotační snímače, tak lineární pravítka. Pohony vřetene Většinou jsou realizovány asynchronním třífázovým elektromotorem řízeným frekvenčním měničem napojeným přímo na PLC část. PLC část Je tvořena samostatným výkonným počítačem obsahující 64 binárních vstupů/výstupů (možno i více). PLC část přímo řídí krokové servopohony, zpracovává různé signály z dotykové sondy, ručního ovládacího panelu, atd. Aby všechny tyto vstupy/výstupy, proměnné, a potažmo další prvky mohly pracovat, musí být v počítači 17
ještě uložen PLC program daný výrobcem stroje, bez něhož by byl jakýkoliv CNC stroj nefunkční. Řídící panel – dělí se na několik částí, lišících se svým významem: Vstup dat – část alfanumerická, pomocí níž se ručně zapisuje program, data o nástrojích, o seřízení stroje a další. Ovládání stroje – část speciální, pomocí které se pohybuje nástrojem nebo obrobkem, spouští se otáčky vřetene, ovlivňuje se ručně velikost posuvů, otáček a další. Volba režimu práce – lze zvolit buď režim ruční, automatický, nebo dílenské programování Aktivace paměti – vyvolání jednotlivých druhů pamětí Aktivace testů – vyvolání testů programů a testů stroje, simulací programů Obrazovka – slouží ke kontrole prováděných činností Přenosný panel – slouží k ovládání základních pohybových funkcí stroje tak, jako základní část klávesnice. Umožňuje při seřizování a ovládání stroje přejít obsluze do míst, která poskytují možnost vizuální kontroly. [1]
Obrázek 2: Řídící panel počítačem řízeného obráběcího stroje [1]
18
7.
JEDNOTLIVÉ
ČÁSTI
POČÍTAČEM
ŘÍZENÝCH
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Konstrukce se vyznačuje vysokou tuhostí a přesností provedení, navrženými tak, aby docházelo k minimálnímu oteplování jednotlivých uzlů stroje (stabilizace teploty). Z hospodárného řezného režimu se používají pohony s velkým regulačním rozsahem, nazývané servopohony. K dalšímu zhospodárnění a ke zvýšení výrobnosti se může používat adaptivní řízení obráběcího procesoru. Jde o řídicí systémy, které zabezpečují v každém okamžiku obrábění automatickou volbu optimálních řezných podmínek. U číslicově řízených strojů je třeba velkou pozornost věnovat opotřebení. Vysoké odolnosti vůči opotřebení se dosáhne užitím valivých prvků ve vedení, případně obložením kluzného vedení umělou hmotou (Turcit) nebo hydrostatickým vedením. Vodící plochy jsou alternativně kalené a broušené, případně škrabané a měly by vhodnou konstrukcí zabezpečovat rychlou vyměnitelnost – např. profilové valivé vedení.[2]
7.1 Konstrukce jednotlivých částí stroje Konstrukční řešení CNC strojů je odlišné oproti klasickým obráběcím strojům. [1] CNC stroje vyžadují podstatně zvýšenou tuhost, kterou především zajišťují tuhé rámy. Jelikož již tradiční litina nestačí, bývají to svařence, plněné polymery, kovovými pěnami a podobně. [1] Konstrukci jednotlivých částí počítačem řízeného stroje můžeme zahrnout do několika hlavních skupin a podskupin.
7.1.1 Rámy obráběcích strojů Rám obráběcího stroje je soustava těles. Tyto tělesa mezi sebou přenášejí účinky všech působících statických i dynamických sil. Tyto síly se přenášejí do základu stroje, tudíž u velkých strojů je základ považován za součást rámu. Rám stroje svým uspořádáním a konstrukčním provedením dává stroji charakteristický tvar. Z hlediska celkového pojetí lze rozlišit stroje se sériovou a s paralelní kinematikou. [11] 19
Základní část všech číslicově řízených strojů tvoří lože i stojany, popřípadě příčník, sloupy a konzoly, které jsou základní částí rámu počítačem řízeného obráběcího stroje. Na jejich tuhosti, odolnosti proti opotřebení vodících ploch, dynamické stabilitě a stálosti tvaru závisí v převážné míře přesnost obrábění. Takže při návrhu těchto částí musí konstruktér respektovat řadu nezbytných hledisek, která lze shrnout do základních a všeobecných podmínek: •
Kvalitní materiál rámu
•
Dobrá statická tuhost
•
Vyhovující dynamická a tepelná stabilita
•
Umožnění dobrého odvodu třísek
•
Jednoduchá a efektivní výroba
•
Malá hmotnost
•
Snadná manipulovatelnost
•
Dobré uložení na základ [2]
Rám obráběcího stroje můžeme rozdělit dle určitého stroje na lože, to může být buď dělené, nebo celistvé, dále na stojan, který může být jedno nebo dvou - stojanový, dále na příčník, který může být dělený, celistvý a v neposlední řadě na pomocné prvky, do kterých můžeme zařadit sloupy, konzoly. Rámy obráběcích strojů mohou být vyrobeny z různých materiálů. V první řadě záleží k čemu se daný stroj bude používat a za jakých podmínek. Dále záleží jak velké, těžké obrobky bude stroj vyrábět. Rámy obráběcích strojů mohou být vyrobeny: •
Kovové: litina, ocelolitina, ocel (svarky odlitky)
•
Nekovové: hydro - beton, plast - beton, kompozitní materiály
•
Kombinované: ocelový svarek a výplň tlumícím materiálem
•
Přírodní: kámen (žula) [2]
20
Obrázek 3: Lože z vysoko - pevnostního betonu (TOS Hulín) [14]
Pro konstrukci rámu obráběcího stroje lze využít různé druhy materiálů, nejčastěji se používá šedá litina, ocel i ocelolitina, ale v poslední době se stále ve větší míře začali používat i neželezné materiály, zejména beton a polymer - beton. Při volbě druhu materiálu je vždy nutno posuzovat a uvažovat z výrobně – technického a ekonomického hlediska. To zejména cenu materiálu, hospodárnost ve výrobě, obrobitelnost. Ale při volbě druhu materiálu je nezbytně nutné posuzovat zejména základní fyzikální vlastnosti daného materiálu, které přímo ovlivňují technické a provozní vlastnosti stroje. Požadavky na vlastnosti konstrukčních materiálů se neustále zvyšují vlivem vývojových tendencí ve smyslu zvyšování výrobnosti a přesnosti obráběcích strojů.[2]
7.1.2 Uložení obráběcích strojů na základ Při uložení obráběcího stroje na základ musíme dbát na vlastnosti obráběcího stroje, od provozních požadavků a od okolí závisí také volba uložení obráběcího stroje na základ, při které je důležité dbát zejména na tyto požadavky. Musíme se především zaměřit na tuhost lůžka obráběcího stroje, dále na velikost a dráhu přemisťování hmot na obráběcím stroji, velikost rázů při obrábění, na požadované přesnosti obrábění, na možnosti vyrovnání obráběcího stroje hmotnosti základu a vlastnosti podkladu a na amplitudu a frekvenci rušivých kmitů v okolí. [10]
21
Počítačem řízený obráběcí stroj můžeme umístit na: 1) uložení na podlahu - přímo na betonovou podlahu 2) uložení na základových blocích – použití při velkých obráběcích strojích 3) tuhé uložení základového bloku – základový blok leží přímo na zemi, nebo na vrstvě hrubého písku 4) pružné uložení základového bloku – základový blok je uložen na podlaze pomocí pružných elementů, toto uložení má tu výhodu, že méně přenáší budící síly do podkladu stroje [10]
Obrázek 4: Šroub UNISORB k uchycení stroje na základ [2]
7.1.3 Vřetena obráběcích strojů Úlohou vřetena je zaručit nástroji u frézky, vrtačky, brusky nebo obrobku a soustruhů přesný otáčivý pohyb, při němž se dráhy jednotlivých bodů nástroje nebo obrobků liší od kružnice jen v přípustných mezích. Funkce vřetena je shodná s funkcí kruhového vedení a vřeteno se od něj liší pouze tvarem. [3] Vřetena u obráběcích strojů bývají zpravidla ve velké míře ukládána na valivá ložiska a v malé míře jsou naopak ukládána do rotačních hydrostatických ložisek. Vřetena jsou uložena ve dvou radiálních a v jednom axiálním ložisku, vyjímečně ve dvou. Vřeteno představuje velice důležitý prvek ve skladbě obráběcích strojů, a proto jsou na konstrukční provedení kladeny velmi náročné požadavky: 22
Vysoká přesnost chodu – je určena velikostí radiálního a axiálního házení Dokonalé vedení Ztráty v uložení vřetena musí být co nejmenší Dlouhodobá životnost a provozní spolehlivost [3] Vřeteno musí být co nejtužší – jeho deformace s přesností chodu má rozhodující vliv na přesnosti práce jak v radiálním, tak v axiálním směru [4] Způsob uložení vřetene je nejzávažnějším problémem při konstrukčním řešení. V závislosti na konkrétních podmínkách práce daného vřetene, může být vřeteno uloženo buď to na kluzných hydrodynamických ložiskách, nebo na valivých ložiskách, nebo může být uloženo na hydrostatických ložiskách. Uložení vřetene může být také hydrodynamicky axiálně – radiálně, to se používá jen u vřetene brusky. Také můžeme uložit vřeteno do aerostatického ložiska, použití také jen u brusek, ale to jsou vysokootáčková ložiska. [13]
Obrázek 5: Vestavěné vřeteno [16]
7.1.4 Posuvové soustavy lineární Vedení je soustava vodících ploch, na kterých se dotýká pohyblivá část například saně, smykadlo, stůl s částí nepohyblivou například ložem, která zaručuje pohyb po geometricky přesných drahách. [13] V současné době se využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci posuvu elektromechanická posuvová soustava nebo náhon lineárními servomotory. [3] Na posuvové soustavy jsou kladeny vysoké požadavky: 23
Přesnost – vedení se musí vyrobit s takovou přesností a danou tolerancí, se kterou má stroj pracovat
Odolnost proti opotřebení
Vysoká tuhost [13]
Velký regulační rozsah
Přesnost signálů bez zkreslení
Kvalitní regulace
Elektromechanická posuvová soustava se skládá z částí CNC systému určeného pro řízení polohy, servomechanismu, mechanické části posuvu a zpětné vazby na stroji či odměřování. [3] Vedení počítačem řízených obráběcích strojů mohou být: Kluzná vedení Toto vedení rozdělujeme do dvou hlavních skupin a ty jsou buď hydrodynamické, nebo hydrostatické. Při použití tohoto vedení může být jakost práce podstatně snížena nestabilitou pohybu, zejména pak u hydrodynamického typu. Tato nestabilita se projevuje ve dvou podobách:
Nerovnoměrný trhavý pohyb
Necitlivost [3]
Při trhavých pohybech musí saně, které jsou v klidu překonat odpor tření za klidu. Jak jsou saně v pohybu, je součinitel tření roven součiniteli tření v pohybu. Posuvový mechanismus však není dokonale tuhý a přebytek hnací síly je příčinou vzniku poskoku. Trhavý pohyb je výsledkem kombinací poklesu součinitele tření a poddajnosti posuvového mechanismu. Zmírnění nebo někdy i odstranění trhavých pohybů dosáhneme pomocí speciálních aktivovaných mazacích olejů nebo obkládáním vodicích ploch umělými hmotami (Turcit, Biplast, Gamapest). Vodící plochy u valivého vedení mohou být válcové, prizmatické, ploché nebo rybinové. [3] Valivá vedení Mezi přednosti valivého vedení můžeme zařadit především součinitel tření a nepatrný rozdíl mezi součinitelem tření za klidu a za pohybu, což má velký vliv na 24
odstranění trhavých pohybů při nepatrných rychlostech pohybu, možnost vymezení vůle, vysoká přesnost pohybu i při malých rychlostech, minimální opotřebení, dlouhá životnost. Velkou výhodou tohoto vedení je bez - vůlový chod, vysoká přesnost polohování, snadná instalace, vysoké posuvové rychlosti, snadná údržba. U tohoto vedení se jako valivý element používá převážně kulička, váleček a jehla. Válečkové vedení s omezenou délkou zdvihu má nejčastější použití i pro dobrou tuhost a přesnost. Jehlová vedení se užívají jako provedení s prizmatickým vedením. Kuličková vedení mají menší únosnost a konstrukční provedení vyžaduje obložit plochy vedení kalenými plechy, pokud nejsou tvořeny hmotnými lištami.[3]
Obrázek 6: Valivé vedení - Mazak Hybrid Roller Guide System [13]
Kombinovaná vedení Toto vedení má všechny výhody i nevýhody jednotlivých předchozích druhů vedení. Kombinované vedení rozdělujeme do jedné pohybové souřadnice, sem řadíme kluzně – valivá vedení. Do druhé skupiny řadíme na jeden stroj a sem řadíme kluzně – valivá a valivě – hydrostatická vedení. Kombinované kluzně – valivé vedení uzavřené se používá tam, kde je potřeba utlumit kmitání od zatížení z řezného procesu a nezvyšovat při tom zatížení spodních a bočních lišt. [3] Jiná vedení Do této skupiny řadíme aerostatická vedení. U těchto vedení se používá místo kapaliny stlačený vzduch. Toto vedení se používá u menších strojů, převážně u měřících
25
automatů, protože ve srovnání s hydrostatickým vedením je méně tuhé. Může regulovat vůli uložení a tím i vliv hmotnosti obrobku. Hlavní výhodou je čisté prostředí. [3] Kuličkový šroub Je důležitou částí posuvového mechanismu, pohyb motoru je přenášen pomocí kuličkového šroubu na suport s nástrojem nebo na stůl s obrobkem a dává stroji požadovanou přesnost. [18] Kuličkové šrouby jsou konstrukční prvky pohybových ústrojí převádějící s vysokou účinností rotační pohyb na přímočarý, vyznačující se vysokou tuhostí, přesností a trvanlivostí. Vyžadují přesné a tuhé uložení s rovnoběžností osy kuličkového šroubu a vodících ploch, rovněž uložení maticové jednotky musí zajišťovat její kolmost k podélné ose šroubu. Dokonalá kvalita valivých drah je zárukou odolnosti proti vývinu tepla a proti opotřebení. Vysoká tuhost, malý záběrový krouticí moment i při provedení bez vůle a vysoký stupeň přesnosti pohybu jsou dalšími výhodami. [17] Požadavky na konstrukci kuličkových šroubů: -
Normalizované stoupání 10 mm
-
Jsou tepelně zpracovány a broušeny
-
Matice je dvoudílná, její šířka je 1,5 – 3 násobek průměru závitu, vyrábí se z chromované oceli U počítačem řízených obráběcích strojů se používá kuličkový šroub s
kuličkovou maticí s předpětím, čímž se dosahuje vyšší tuhosti a tím i přesnosti. Přenos pohybu ze šroubu na matici je nutný bez vůle. Mezi hlavní výhody kuličkového šroubu patří minimální tření, vysokou účinnost, přesnost, minimální opotřebení a plynulý pohyb při nízkých rychlostech. [18]
Obrázek 7: Řez kuličkovým šroubem SKF [13]
26
8. TUHOST POČÍTAČEM ŘÍZENÉHO OBRÁBĚCÍHO STROJE Deformace součástí obráběcího stroje, nástroje a obrobku, které jsou způsobené řeznou silou, mají vliv na přesnost rozměrů a konečný tvar obrobku. Měřítkem odolnosti proti deformaci je tuhost, která se definuje jako poměr mezi zatížením a poničením v místě zatížení. [12] Tuhost dělíme dle druhu zatížení a deformace. Tuhost máme buď to v posunutí, nebo v natočení. U tuhosti v posunutí se většinou uvažuje posunutí ve směru zatížení (tuhost přímá). Měří – li se posunutí v jiném směru, než je směr zatížení, většinou nejčastěji kolmém k opracované ploše, definuje se tuhost jako příčná. a) Dílčí – to je tuhost jednotlivých součástí (vřetena, ložisek,…) b) Celková – to je tuhost skupiny součástí spolu spojených (stojan frézky s vřetenem). Je buď absolutní, pokud se měří deformace vůči základu, která se pokládá za absolutně tuhý nebo relativní deformace dvou součástí vůči sobě (vřeteno vůči suportu). Pokud chce výrobce CNC stroje vyhovět zákazníkovi na vysoké polohovací rychlosti a vřeten, vyrábí se vřetena ve stálé subtilnějším provedení. Vřeteníky, pracovní stoly a palety se odlehčují, ale nepohyblivé části naopak zmohutněly. [12]
8.1 Vliv tlumení vřetena na míru stability a tlumiče vřeten Vřetena, která nemají žádné tlumiče, mají poměrné tlumení v rozsahu cca 0,4 – 3%. Vlastní frekvence jejich tvarů kmitů v osách X, Y jsou v pásmu 200 – 350 Hz. Nástroje kmitají jinými tvary, jde hlavně o vynaložené nástroje, například frézy na hliník, jiné to je zase u stopkové frézy. Tvary kmitů těchto nástrojů mají vlastní frekvence v rozsahu 1500 – 1900 Hz a poměrné tlumení 0,5 – 1,5%.Z uvedené literatury je zřejmé, že tyto hodnoty můžeme přibližně spočítat. Vřeteno bez tlumiče má poměrné tlumení 2,3% a naopak s tlumičem má 11,4%. Konstrukce tlumiče je tedy možná. Tlumič vřetena může být umístěn i mimo ložisko, měl by být umístěn právě v kmitu tvaru, který má tlumit. Má – li tlumit například tvar hřídele vřetene, je důležité umístění mezi hlavním a vedlejším uložením vřetene. [12]
Obrázek 8: Tlumič vřetene [12]
27
9.
PRACOVNÍ PROSTOR STROJE
Každý obráběcí stroj má svůj pracovní prostor stroje. Pracovní prostor stroje můžeme rozložit do dvou hlavních skupin: 1) Nulové body stroje: Řídicí systém CNC stroje po zapnutí stroje aktivuje souřadnicový systém ve stroji. Souřadnicový systém má svůj počátek – nulový bod, který musí být přesně stanoven. Podle použití mají nulové body své názvy. Na CNC strojích jsou i další důležité body: • M – Nulový body stroje Určuje výrobce při konstrukci stroje. Nulový bod je tedy počátkem normální souřadné soustavy stroje a nemůže být měněn, ale může být posunut o zvolenou hodnotu. [2] Je výchozím bodem pro všechny další souřadnicové systémy a vztažné body na stroji. U soustruhů je nulový bod stroje M umístěn v ose rotace obrobku v místě čela vřetena. U frézky je umístěn v místě krajní polohy stolu frézky v obou osách. [1] • W – Nulový bod obrobku Nulový bod obrobku nastavuje programátor pomocí dané funkce G v potřebném místě obrobku a vychází z něj při sestavování CNC programu. Nulový bod obrobku je výhodné umístit do takového místa, aby se co nejvíce zjednodušilo načítání jednotlivých bodů na obrobku. Provádí se buď: a) Posunutím souřadnicového systému b) Indikuje se funkcí polohy nástroje – nástroj je definován v bodě
souřadnicového
systému,
ze
kterého
vyplývá
z umístění nulového bodu Nulový bod obrobku se stanovuje buď kótováním na výkresu – základna, od které je kótováno (tak, aby kóty nebylo nutné přepočítávat), nebo pomocí souměrnosti
výrobku
(použití
zrcadlení
programu),
anebo
pomocí
programátorských zvyklostí – osa Z směřuje do materiálu. Umístění nulového
28
bodu určuje programátor pomocí řídicího systému stroje, nebo z daných možností určitého stroje. 2) Vztažné body stroje: •
R – Referenční bod stroje Je stanoven výrobcem a realizován koncovými spínači. Vzdálenosti
nulového bodu stroje M a referenčního bodu stroje R jsou výrobcem přesně odměřeny v souřadnicové soustavě stroje a vloženy do paměti řídicího systému stroje jako strojní konstanty. Referenční bod používáme kupříkladu na: a) Stroje, které nemají přírůstkové odměřování polohy suportů – po zapnutí stroje v ručním režimu a po najetí do referenčního bodu stroje. Tak stroj pozná svou polohu v souřadnicovém systému podle načtených souřadnic referenčního bodu. b) Stroje, které nemají zpětnou vazbu dosažené polohy nástroje – zařazení referenčního bodu do CNC programu vede k odstranění chyb, které mohou vznikat při poloze dráhy nástroje, při zpoždění posuvů, kterých řídicí systém dosáhl. Častým nájezdem do referenčního bodu se tyto chyby, které posouvají souřadnicovou soustavu, eliminují tím, že se načte správná poloha nástroje. •
P – Bod špičky nástroje (soustruh) Je nutný pro stanovení délkové a rádiusové korekce nástroje. Je to bod,
jehož pohyb se teoreticky programuje, pouze při použití rádiusových korekcí. •
F – Vztažný bod suportu nebo vřetene (pro vložení nástroje) Bod výměny nástroje na hlavě u soustruhu. U frézky je umístěn na čele
vřetene a v ose její rotace. K tomuto bodu se vztahuje délková korekce nástroje. •
E – Bod nastavení nástroje Bod na držáku nástroje, který se při upnutí ztotožní s bodem F, je nutný
pro zjištění korekcí nástroje na přístroji mimo stroj.
29
Obrázek 9: Souřadnicový systém a nulové body soustruhu [1]
9.1 Souřadnicový řadnicový systém stroje stroj Číslicovým řízením obráběcích obráb strojů,, automatickou manipulací s nástroji a obrobky byla vyloučena čena nutnost přítomnosti p člověka – obsluhy – při ři řízení ř pracovních a pomocných cyklůů stroje, při př výměně a upínání obrobků a nástrojů, ů, nasazením počítačů po pro řízení výrobních systémů systém pak i v oblasti plánování a operativního řízení ř výroby, a to za podmínky bezporuchové funkce vlastního zdroje. [2] 9.1.1 Kartézská souřadnicová sou soustava Výrobní stroje používají použ kartézský systém souřadnic. Kartézská soustava je definována pravidlem pravé ruky. Systém je pravotočivý, ivý, pravoúhlý s osami X, Y, Z, otáčivé ivé pohyby, jejichž osy jsou rovnoběžné rovnob s osami X, Y, Z, se označují označ jako A, B, C (obrázek 3).. Platí, že osa Z je rovnoběžná rovnob s osou pracovního vřetene, tene, přičemž p kladný smysl probíhá od obrobku k nástroji. Hodnoty se vyskytují i v záporném poli souřadnic. so
Obrázek 10: 10 Definování kartézských souřadnic - pravotočivá ivá soustava [1]
Kartézský systém souřadnic sou je nutný pro řízení ízení stroje, nástroj se v něm n pohybuje dle zadaných příkazů ř ů z řídícího ř panelu CNC stroje nebo dle příkazů říkazů uvedených ve spuštěném CNC programu. Dle potřeby pot lze souřadnicový adnicový systém posunovat a otáčet. otá [1]
30
S kartézským souřadnicovým systémem se nejčastěji potkáváme při tvorbě CNC programu. Počátek souřadnic kartézského systému se zpravidla zapisuje do nejvýhodnějšího místa obrobku, který se nazývá nulový bod obrobku.[1] 9.1.2 Polární souřadnicová soustava Poloha bodu je určená délkou průvodiče R, úhlem natočení, průvodce a výškou v ose Z. Úhel natočení se programuje jako osa C, protože otáčivý pohyb je kolem osy Z. Souřadnicová soustava soustruhu: U soustruhů probíhá osa Z vodorovně ve směru osy pracovního vřetene. Osa na ni kolmá je osou X a určuje průměr obrobku. Při soustružení se většinou používá průměrové programování, hodnoty průměrů uvedené na výkrese nedělíme dvěma, ale přímo je uvedeme jako polohu nástroje. Souřadnicová soustava u frézky: Souřadnicové soustavy svislé a vodorovné frézky se liší. Kladný směr osy X směřuje podélně vpravo, osa Z je vodorovná nebo svislá, záleží na typu frézky, je osou vřetene a směřuje od obrobku do vřetene. Osa Y má směr takový, aby byl dodržený princip pravotočivé pravoúhlé soustavy. Příklad programování v polárních souřadnicích:
N..
Vyvolání vrtacího cyklu, úhel natočení v ose C je nula.: - natočení otočného stolu o úhel 72°
31
G81
X20
Z12.5 R10
N..
C72
G0
10.
AUTOMATICKÁ VÝMĚNÁ NÁSTROJŮ
Řezné nástroje u obráběcích strojů používáme k různým pracovním úkonům, bez kterých, by jsme si jen těžko mohli představit dnešní náročné a namáhavé výrobky.[5] Skupina uzlů pro manipulaci, polohování a pro upnutí nástrojových jednotek v pracovním vřetenu obráběcího centra má za úkol automatické výměny nástrojů, která patří k nezbytné vlastnosti této kategorie strojů. Je tvořena širokým sortimentem konstrukčních řešení pro využití optimální skladby při daných podmínkách. [2] Základní rozdělení automatické výměny nástrojů:
Zásobníky nástrojů přenášející síly obrábění
V případě umístění nástrojů v revolverových hlavách není zapotřebí mít nástroj okódován, poněvadž revolverová hlava má své polohy, do kterých se otáčí dle řídícího programu. Mezi výhody revolverové hlavy patří rychlá výměna nástroje, nezvětšuje půdorys stroje, jednodušší konstrukce. Mezi nevýhody můžeme zařadit omezený počet nástrojů, je umístěna v pracovním prostoru stroje, zatěžuje stojan stroje, výměna otupeného nástroje během práce stroje není možná. Revolverové hlavy se hlavně používají u soustruhů, vrtaček a frézek. [7]
Obrázek 11: Šestiboké nástrojové hlavy [7]
Zásobníky skladovací
Skladovací zásobníky nepřenášejí síly obrábění. Abychom mohli naprogramovat daný sled operací pro opracování jednoho obrobku je nutné automatické vyhledávání nástrojů v zásobníku, dle daného kódování nástrojů a jeho umístění do pracovní polohy pomocí manipulátoru.
32
Mezi výhody skladovacích zásobníků můžeme zařadit například neomezený počet skladovaných nástrojů, krátká výměna nástrojů, nezatížený suport či vřeteník, možnost doplnění nebo náhrady otupeného nástroje během práce stroje. Mezi nevýhody můžeme zařadit větší možnost poruch, zařízení je složitější, tudíž je těžší a dražší, musí se dbát o čistotu držáků, zásobník má velké rozměry, tudíž zvětšuje půdorysnou plochu stroje.[7]
Obrázek 12: Automatická výměna nástrojů: zásobník -podavač – vřeteno [7]
Na automatickou výměnu nástrojů jsou kladeny důležité požadavky:
Minimální čas na výměnu nástroje
Funkční spolehlivost
Optimální kapacita zásobníku
Prostorové úsporné řešení
Odolnost proti opotřebení
Obrázek 13: Zásobník nástrojů [2]
33
10.1 Kódování nástrojů Kódování
nástrojů
je
jedna
z
hlavních
podmínek
k úspěšnému
a
bezproblémovému využití CNC strojů. Nástroj musí být seřízen mimo stroj. Pro každou operaci je k dispozici daný seřízený nástroj, který je kódován. Kódování nástrojů může být buď na nástroji, respektive na nástrojovém držáku a nebo na dané místo uložení v zásobníku. V případě kódování na nástroj, nebo nástrojový držák nás nemusí zajímat uložení v zásobníku, poněvadž daný kód je umístěn na nástroji. V zásobníku je nainstalováno čtecí zařízení, které je schopno potřebný nástroj určit a tudíž je připraven k provedení pracovního úkonu. Kódování místa v zásobníku je nevýhodné, poněvadž informace o daném nástroji nejsou na nástroji, nýbrž na stanoveném místě, kde je nástroj uložen v zásobníku. Nástroje se pak musí vkládat na přesně určená místa, aby nedošlo k havárii stroje.[7] Druhy kódování: Pevné kódování místa nástroje Každý nástroj obdrží v zásobníku pevně stanové místo – kódovací číslo. Je nutné dodržet pořadí nástrojů při jejich vkládání do zásobníku. Po vykonání práce se nástroj vrací na stejné místo. Variabilní kódování nástroje Nástroj nemá v zásobníku předepsáno svoje místo. Buď je kódován přímo nástroj, nebo řídicí program přiřadí nové místo po každé výměně nástroje. Variabilní kódování místa Do programu, který řídí výměnu nástrojů se při ukládání nástroje do zásobníku zapíše místo, kam byl nástroj uložen. Při výměně nástrojů, se nástroj který je ve vřetenu, uloží na nejbližší volné místo v zásobníku a toto místo si program uloží do paměti a přiřadí k němu program všechny nutná data o nástroji. Elektronické kódování U tohoto kódování jsou využity programovatelné elektronické paměťové moduly. V tomto modulu lze vedle čísla nástroje elektronicky ukládat všechna potřebná data o nástroji. [18] 34
11.
AUTOMATICKÁ VÝMĚNA OBROBKŮ
Upínání obrobků přímo na pracovní stůl obráběcího centra je většinou nehospodárné, neboť během upínání stroj nepracuje. Z toho důvodu jsou vyvíjeny různé systémy, které umožňují zkrácení času na minimum. [2] Skupina uzlů pro manipulaci, polohování a upnutí obrobku v pracovním prostoru obráběcích center představuje velkou typorozměrovou strukturu, umožňující skladbu pracovního prostoru stroje dle podmínek využití v optimálním stupni pružnosti a automatizace. [2] Stejně jako automatizace u výměny řezných nástrojů, tak i automatická výměna obrobků slouží ke zkracování vedlejších časů, a tak k vyššímu využití strojů a vyšší produktivitě práce. Způsob manipulace ovlivňuje především tvar a rozměry polotovarů. [7]
11.1 Manipulace rotačních součástí U součástí vyráběných z tyče je materiál samočinně podáván ze zásobníku do vřeten, poté upínám kleštinou a je přesně polohován a vysouván. Součásti přírubové, hřídelové jsou upínány do sklíčidel. Buď jsou čelisti dle průměru součásti přestavovány, nebo vyměňovány, výměnu provádí zařízení pro výměnu součástí, nebo se vymění celé sklíčidlo, které má například funkci technologických palet.
Obrázek 14: Principy dosažení krátké doby výměny obrobků na soustružnických poloautomatech [7]
35
a) Půdorys dvojitého otočného vřeteníku kolem svislé osy b) Vřeteníkový c) Schéma výměny upínačů s obrobkem u středních až velkých svislých soustruhů d) Systém dvou vřeteníků umístěných proti sobě e) Vřeteníkový buben se čtyřmi vřeteny
11.2 Manipulace nerotačních součástí Při automatizaci výměny obrobků je vhodné využít mezičlánek mezi strojem a obrobkem. Při použití palet u automatické výměny obrobků je vhodné zejména u všech obrobků skříňového a plochého tvaru a u přírubových součástí. Při používání technologických palet klademe vysoké požadavky na čas výměny palety, musí být co nejkratší, abychom neměly velké ztráty při výměně a nevznikal ztrátový čas na další výrobek. Palety musí být dostatečně tuhé a musí umožňovat přesné ustavení obrobků různých tvarů na paletě a jeho tuhé upnutí k paletě. Upnutí palety na pracovní stůl stroje musí být přesné, rychlé a tuhé. Manipulace s paletami u stroje musí mít vysokou pracovní spolehlivost a životnost. Výměna palet probíhá automaticky a je řízena z řídicího systému stroje dle daného řídícího programu. Konstrukce a tvar palety má být takový, aby bylo možné spojení stroje s dopravníkem obrobků v pružném výrobním systému i s jinými stroji. Paletu je nutné vybavit identifikací, může být provedena pomocí snímatelných kolíků, které jsou přišroubovány na paletě. [7]
36
12.
VYUŽITÍ
A
KONTROLA
VÝROBY
TECHNOLOGICKÉHO PROCESU 12.1 Využití Využití plně automatizovaných výrobních linek vyžaduje úplnou spolehlivost a bezporuchový chod všech jejich částí. Polotovary určené k obrábění na automatizované obráběcí lince musí bezesporu splňovat tolerance předepsané na výkrese jak rozměrově, tak i materiálově. Zkušenosti dokazují, že i velmi složité automatizované linky mohou pracovat bez závad stroje a naprosto spolehlivě jsou – li splněny tyto podmínky. [6] Důležitým celkem je řídicí systém, který musí zabezpečit několik fází pohybu. Mezi první fáze musíme zařadit vyjmutí obrobku ze stroje, poté se obrobek předává na odváděcí dopravník. Za těmito fázemi se přemisťují všechny součásti do dopravního proudu. Dále musíme sejmout obrobek z přiváděcího dopravníku a poté ho založit do stroje. [6]
12.2 Kontrola Ve výrobním procesu je jednou z podmínek funkce automatické sledování technologického procesu. Náhrada člověka si vyžaduje vyvinout prostředky, nahrazující jeho kontrolní funkci. Je nutné zabezpečit hlavní činnosti a ty jsou kontrola chodu technologického procesu (polohu polotovaru, přídavky na obrábění, odchylky obroubených ploch, kmitání a síly obrábění), kontrola stavu nástrojů (opotřebení, vylomení), kontrola stavu výrobního zařízení, kontrola hotových výrobků (rozměr a tvar). [15] Kontrola chodu technologického procesu Cíle kontroly vycházejí z náhrady za operátora. V případě účasti operátora v technologickém procesu, může na základě svých znalostí a zkušeností zasahovat do procesu. Je nutné zabezpečit bezporuchovost operací, dále je nutné zabezpečit kvalitu výroby, zamezit prostojů a zabezpečit kontrolu technologického procesu. Během technologického procesu rozlišujeme tři fáze obrábění: 1) Kontrola před procesem obrábění 2) Kontrola během obrábění 3) Kontrola po obrábění [15]
37
13.VÝROBA A SPOTŘEBA OBRÁBĚCÍCH STROJŮ V téhle kapitole se budeme zabývat především současnými trendy v konstrukci obráběcích strojů. Dále výrobou a spotřebě obráběcích strojů a také vliv ekonomického hlediska na obráběcí stroje. Výroba a spotřeba obráběcích strojů a výrobních strojů vůbec je důležitým ukazatelem stupně průmyslového rozvoje zemí. Světová výroba dosáhla v roce 1998 hodnoty 32,6 miliardy USD. V současné době došlo k útlumu výroby, o jehož příčinách se lze jen domnívat, což není jasně vysvětleno. [12]
13.1 Hlavní trendy současné výroby obráběcích strojů Hlavní
trendy
vývoje
vycházejí
z potřeb
průmyslově
a
finančně
nejrozvinutějších zemí. Jsou to hlavně významné firmy těchto zemí, které investovaly nemalé finanční prostředky, tím prokázaly největší invenci, vývojové úsilí a tím dosáhly vynikajících výsledků ve vývoji a zavedení výroby nejprogresivnějších obráběcích strojů. Jde převážně o vysokorychlostní stroje nejvyšších parametrů přesnosti a produktivity. Dnes to jsou stroje s nejvyšším stupněm integrace technologických operací a stroje s nejlepší adaptabilitou, pružností i rekonfigurační schopností. Tím pádem kladené vysoké požadavky nemohou být splněny inovačními úpravami a rekonstrukcemi strojů. Stroje musí být konstruovány dle zcela nových zásad. Stroje nazývající se HSC představují novou generaci strojů, očekává se využití jak v malosériové výrobě, tak v sériové výrobě. [12]
13.2 Vliv ekonomické situace na vývoj nových strojů Světová situace ve spotřebě a odbytu obráběcích strojů má poslední roky klesající tendenci, a tím je i velmi ztížená a má tendenci se nadále komplikovat. Ovšem na druhou stranu technický rozvoj se stále urychluje a vznikají nové možnosti zvyšování intenzifikace řezného procesu, přesnosti a produkčnosti strojů. Obtížná ekonomická situace s sebou přináší mnoho rizik a změn a to v celém spektru strojírenské výroby. Mnohé výrobní programy zanikají a stávají se nepotřebnými. Nové výrobní programy jsou naopak přijímány s pocity velkého rizika a nejistoty. Vyplývá to i za stále rychleji postupující globalizace, která vede k likvidaci mnohých tradičních výrob a jejich přenášení do jiných regionů s novými požadavky a podmínkami. Proto je dnes kladen důraz na pružnost, technologickou šíři a rekonfigurabilitu nových výrobních strojů a jejich přeskupitelnost v rámci výrobních buněk a pružných výrobních systémů. [12] 38
14.
ZÁVĚR
Tato bakalářská práce na téma ,,Konstrukce počítačem řízených obráběcích strojů“ byla rozložena do třech hlavních bodů, ve kterých je zachycen počátek vývoje číslicově řízených strojů, až po současné moderní trendy. První bod byl věnován charakteristice počítačem řízených obráběcích strojů, jejich historií a postupným vývojem z konvenčních strojů, až po dnešní obráběcí centra, která jsou řízena pouze řídicím programem. Dále jsem pak věnoval pozornost rozdělení číslicově řízených strojů (CNC), které můžeme rozdělit do hlavních hledisek dle dané práce na určitém stroji. V neposlední řadě jsem se zajímal o požadavky, které jsou často kladené na číslicově řízené stroje. V prostřední části jsem nastínil jednotlivé základní části počítačem řízeného stroje, kde postupně došlo k jejímu podrobnému popsání a vyjádření jejich hlavních funkcí při práci obráběcího stroje. V poslední části jsem se zaměřil na využití číslicově řízených strojů ve strojních linkách a na jejich velké míře uplatnění. Dále jsem zde zmínil současné trendy ve výrobě a ekonomickou situací, která je také velice důležitá na vývoj a správný chod číslicově řízeného stroje. V současné době jsou kladeny na počítačem řízený obráběcí stroj čím dál tím větší požadavky. Těchto požadavků je několik, můžeme mezi ně zařadit například nízké náklady na výrobu, dlouhou životnost stroje, velmi přesná výroba a kvalita obrobků a hlavně úsporu času, která nám především vznikne automatickou výměnou nástrojů, obrobků. CNC stroje používáme buď to pouze jako jeden samostatný stroj, který vyrábí jeden typ výrobku, nebo můžeme zařadit více CNC strojů k sobě a může vzniknout plně automatizovaná linka, která je řízena řídicím systémem. V dnešním životě technologií jde pokrok stále dopředu, tudíž se stále vyvíjí nové CNC stroje, nové metody třískového obrábění, které jsou také závislé na nových informačních technologiích. CNC techniku nepoužíváme jen u obráběcích strojů, využití je celá škála například u lakovací techniky, tvářecích strojů, svařovacích strojů. Postupem času se jednoznačně novými trendy v ohledně CNC techniky a jejího využití, můžeme v blízké době dočkat k plné automatizaci výroby, bez pomoci lidské ruky, která by se podílela na výrobě obrobku.
39
15. POUŽITÁ LITERATURA [1] ŠTULPA, Miloslav. CNC obráběcí stroje a jejich programování. Praha: Technická Literatura BEN, 2006. ISBN 978-807300-207-7. [2] JIŘÍ MAREK A KOLEKTIV. Konstrukce CNC obráběcích strojů. Praha: MM publishing, s.r.o., 2010. ISBN 978-80-254-7980-3. [3] MAREK, Jiří a Petr BLECHA. Konstrukce CNC obráběcích strojů. Vyd. 2., přeprac. a rozš. Praha: MM Publishing, 2010, 420 s. ISBN 978-80-254-7980-3.. [4] KUBÍČEK, Josef. Základy stavby výrobních strojů: obráběcí stroje. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, 2001, 159 s. ISBN 80-7082-710-6. [5] ŘASA, J. -- GABRIEL, V. Strojírenská technologie 3, 1. díl. Praha: Scientia, 2000. ISBN 80-7183-207-3. [6] ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3. 2. vyd. Praha: Scientia, 2005, 221 s. ISBN 80-7183-336-3. [7] KOLÍBAL, Zdeněk. Technologičnost konstrukce a retrofitting výrobních strojů. V Brně: VUTIUM, 2010, 335 s. ISBN 9788021437654. [8] KRÁL, P. -- ŠRAJER, J. CNC obráběcí centra. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2008. 79 s. ISBN 978-80-7375-163-0. [9] POKORNÝ, Přemysl. Obráběcí stroje pro automatizovanou výrobu. Vyd. 1. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2003, 92 s. ISBN 80-7083-785-3. [10] BRYCHTA, Josef. Výrobní stroje obráběcí. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita, 2003, 147 s. ISBN 80-248-0237-6. [11] BRYCHTA, Josef. Výrobní stroje obráběcí. 2. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2009, 147 s. ISBN 978-80-248-1893-1. [12] BRYCHTA, Josef, Robert ČEP a Jana PETRŮ. Výrobní stroje obráběcí. 1. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2013, 145 s. ISBN 978-80-248-2941-8. [13] http://www.mmspektrum.com/ [14] http://www.technickytydenik.cz/ 40
[15] ADAMEC, Jaromír. Technologie automatizovaných výrob. 1. vyd. Ostrava: VŠB Technická univerzita, 2006. ISBN 80-248-0871-4. [16] http://www.profika.cz/ [17] http://www.ks-kurim.cz/ [18] http://technik.ihned.cz/
41
16. SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Blokové schéma počítačem řízeného obráběcího stroje [1] ........................ 16 Obrázek 2: Řídící panel počítačem řízeného obráběcího stroje [1] .............................. 18 Obrázek 3: Lože z vysoko - pevnostního betonu (TOS Hulín) [14] ................................ 21 Obrázek 4: Šroub UNISORB k uchycení stroje na základ [2] ........................................ 22 Obrázek 5: Vestavěné vřeteno [16] ................................................................................ 23 Obrázek 6: Valivé vedení - Mazak Hybrid Roller Guide System [13] ............................ 25 Obrázek 7: Řez kuličkovým šroubem SKF [13] .............................................................. 26 Obrázek 8: Tlumič vřetene [12] ...................................................................................... 27 Obrázek 9: Souřadnicový systém a nulové body soustruhu [1] ...................................... 30 Obrázek 10: Definování kartézských souřadnic - pravotočivá soustava [1].................. 30 Obrázek 11: Šestiboké nástrojové hlavy [7] ................................................................... 32 Obrázek 12: Automatická výměna nástrojů: zásobník -podavač – vřeteno [7] ............. 33 Obrázek 13: Zásobník nástrojů [2] ................................................................................ 33 Obrázek 14: Principy dosažení krátké doby výměny obrobků na soustružnických poloautomatech [7] ......................................................................................................... 35
42
