Ce Este Tehnologia Cnc

CAP. 1 – INTRODUCERE

Mașinile unelte fac parte din marea grupă a mașinilor de lucru. Scopul lor fundamental este acela de a modifica forma materialului, printr-un proces tehnologic de prelucrare prin așchiere, în condiții economice optime. Mașina unealtă este o mașină de lucru destinată generării suprafețelor pieselor prin procesul tehnologic de așchiere în anumite condiții de precizie dimensională, de calitate a suprafeței și abateri de la forma impusă. Condițiile de precizie dimensională și a suprafeței conduc la mașini-unelte de construcții diferite, generând suprafețe identice. Se pot exemplifica mai multe: – pentru suprafețe cilindrice – strung, mașina de rectificat rotund – pentru suprafețe plane – raboteza, mașina de rectificat plan, mașina de frezat Marea varietate a formelor și dimensiunilor pieselor folosite în construcția de mașini, aparate și instalații, diversitatea materialelor utilizate pentru confecționarea pieselor componente, a contribuit la apariția unei mari diversități de mașini unelte.

1.1.1. Ce este tehnologia CNC (Computer Numerically Controlled)?

Mașinile-unelte controlate numeric se mai numesc și mașini CNC. Controlul numeric rezidă într-un proces de “alimentare” continuă a unui controller programabil în construcție specială, cu un set de instrucțiuni (formate din litere și cifre) astfel încât să poată fi controlate mișcările unei mașini-unealtă.

Mișcările mașinii trebuie să conducă o sculă tăietoare:

– pe un anumit traseu;

– cu o viteză precisă de rotație a sculei

– cu o viteză precisă de înaintare a sculei.

CNC este abreviație de la “Computer Numerically Controlled” (Control Numeric cu Computer). Denumirea CNC se referă întotdeauna la modul de operare al unei mașini, adică, la metoda de bază pentru controlul mișcărilor, și nu spune nimic despre tipul mașinii: freză, strung sau altceva. O mașină CNC face uz de matematică și de diverse sisteme de coordonate pentru a înțelege și procesa informația pe care o primește, pentru a determina ce trebuie să miște, unde și cât de repede.

Cea mai importantă funcție a oricărei mașini CNC este controlul precis și riguros al mișcării. Toate echipamentele CNC au două sau mai multe direcțiie de mișcare, numite axe. Aceste axe pot fi mișcate precis și poziționate precis, de-a lungul intervalului de deplasare. Cele mai cunoscute tipuri de axe sunt cele liniare și de rotație (mișcare curbilinie). În loc de a produce aceste mișcări prin utilizarea de manivele și discuri, așa cum necesită mașinile clasice de prelucrare prin așchiere, mașinile CNC sunt acționate de servomotoare controlate prin computer și ghidate de un program memorat. În general, tipul de mișcare (rapid, liniar, circular), axele care se mișcă, distanțele de mișcare și vitezele de mișcare (de prelucrare) sunt programabile la majoritatea mașinilor CNC. În figura 1 se arată diferențele dintre o mașină-unealtă convențională și una controlată CNC.

Fig.1.1. Diferențe între o mașină clasică, acționată manual (a) și o mașină controlată numeric (b).

Marea majoritate a mașinilor CNC sunt capabile să se miște în 3 direcții simultan. Aceste direcții sunt numite axele mașinii. Axele au numele coordonatelor X, Y, Z. Axa X este întotdeauna aceea pe care mașina, sau o parte a mașinii, se deplasează (acoperă) cea mai mare lungime. De exmplu, axa X poate reprezenta mișcarea față – spate iar axa Y mișcarea stânga – dreapta. Axa Z reprezintă mișcarea verticală, sus – jos. Unealta de prelucrare este montată, de obicei, pe axa Z.

O mașină CNC trebuie să fie capabilă să comunice cu ea însăși, pentru a putea opera. O unitate centrală cu computer, pentru control numeric, trimite comenzi de poziționare către motoare. Traductoare speciale, fixate pe axele mașinii, trebuie să comunice înapoi, către unitatea centrală, faptul că motoarele au acționat corect și au mișcat axele cu distanța comandată. Abilitatea unei mașini de a mișca un punct central (scula de prelucrare) în trei direcții, în același timp, permite acesteia să urmărească orice traiectorie sau suprafață din spațiul de lucru. Toate mișcările sunt mult mai rapide și mult mai precise decât cele care pot fi realizate de un operator uman.

Un robot industrial este o formă de mașină cu control numeric, prin aceea că mișcările robotului sunt comandate cu același tip de controller cu care sunt echipate și mașinile-unelte. Diferența rezidă în limbajul de programare utilizat. Un robot constă, în esență, dintr-un braț mecanic articulat care are la capăt un dispozitiv mecanic numit end-efector cu ajutorul căruia robotul poate apuca diverse obiecte sau poate mânui un aparat de sudură, în diverse puncte de pe caroseria unui automobil, sau un aparat de vopsit pe care îl deplasează de-a lungul unei traiectorii complexe, în vederea unei vopsiri uniforme.

Se poate spune și invers, că o mașină unealtă este un fel de robot. Oricum, ambele au în comun faptul că funcționarea lor depinde de un program numeric care se poate modifica foarte ușor, astfel încât, în numai câteva secunde, mașina-unealtă sau robotul pot să îndeplinească alte sarcini.

1.1.2. Apariția și dezvoltarea mașinilor cu control numeric.

Idea de control numeric are rădăcini vechi. În anii 1720 s-a inventat un dispozitiv care folosea cartele găurite de hârtie pentru a broda pe țesăturile de pânză diverse modele simple. Originar din anii 1860, pianina automată (sau flașneta mecanică) utiliza o rolă de hârtie cu șiruri de găuri pentru a controla acționarea diverselor clape, adică note muzicale.

Controlul numeric, așa cum îl cunoaștem azi, a apărut înainte de inventarea microprocesoarelor utilizate în computerele actuale. Un mare impuls pentru dezvoltarea acestuia a fost dat de US Air Force, care dispunea de suficiente resurse financiare pentru stimularea cercetării. US Air Force avea nevoie de îmbunătățiri în construcția avioanelor cu motoare cu reacție. Datorită vitezelor mari de zbor ale acestora, structura mecanică și geometria trebuiau îmbunătățite. Acest lucru cerea prelucrări mecanice complexe la un preț de cost foarte mare.

În 1952, Massachusetts Institute of Technology a construit și prezentat prima mașină cu comandă numerică ce avea posibilitatea să controleze mișcarea unei freze pentru prelucrarea de suprafețe complexe. Finanțarea construcției și cercetării a fost făcută de US Air Force. Mașina a avut succes și în 1955, la târgul National Machine Tool Show, au apărut spre comercializare mașini cu comenzi numerice.

Prima generație de mașini CNC foloseau lămpi electronice cu vacuum care produceau multă căldură și ocupau un spațiu destul de mare. Mașinile nu erau prea fiabile. La a doua generație tuburile electronice au fost înlocuite de tranzistori, ceea ce a condus la o încălzire mai mică și o fiabilitate mai mare a etajului de control. De asemenea controller-ul ocupa un spațiu mai mic.

Prima și a doua generație de mașini-unelte nu aveau memorie de stocare a programelor. Instrucțiunile erau stocate pe bandă de hărtie perforată și erau transmise mașinilor una câte una. Mașina primea o instrucțiune, o executa și apoi cerea următoarea instrucțiune.

La a treia generație s-au folosit circuite integrate și modulare și s-a introdus memoria de stocare a programelor. Memoriile au fost la început magnetice, cu role de bandă magnetică, iar apoi electronice, cu circuite integrate.

Pe măsură ce tehnologia a evoluat s-au introdus și folosit plăci imprimate cu circuite electronice. Acestea erau proiectate pentru executarea unui program fix (pre-programate). Se foloseau la execuția anumitor acțiuni uzuale și comune: găurire, frezare, rectificare etc. Plăcile se introduceau în sloturi speciale și când nu mai era nevoie de ele se înlocuiau. Se mai numeau și canned cycles (programe la conservă).

Astăzi se poate vorbi de o a patra generație de mașini cu comandă numerică în care controller-ul mașinii are la bază tehnologia microprocesoarelor și a calculatoarelor actuale.

1.1.3. Avantajele și dezavantajele utilizării mașinilor CNC

Primul beneficiu oferit de toate tipurile de mașini CNC este îmbunătățirea automatizării. Intervenția operatorului în producerea pieselor poate fi redusă sau eliminată. Multe mașini CNC pot funcționa nesupravegheate pe parcursul întregului ciclu de prelucrare. Acest aspect oferă utilizatorului mai multe beneficii cum ar fi: reducerea gradului de oboseală, reducerea greșelilor provocate din eroare umană, un timp de ciclu constant, deci o producție previzibilă. Deoarece mașina rulează un program de control, nivelul de cunoștințe necesar majorității operatorilor CNC (privind tehnologia de prelucrare a metalelor) este de asemenea redus în comparație cu cea a unui prelucrător prin așchiere (strungar) care lucrează pe mașini clasice.

Al doilea avantaj al tehnologiei CNC este rapiditatea și precizia obținută pentru piesele finite. Odată ce un program este verificat și corectat, cu aceeași precizie și rapiditate se pot face una, zece sau o mie de piese de aceeași calitate și același timp de prelucrare pentru fiecare piesă.

Al treilea beneficiu este flexibilitatea. Deoarece mașinile execută programe, schimbarea prelucrării este la fel de ușoară ca și încărcarea unui alt program. O dată ce un program a fost realizat și prima piesă a fost executată corect, acesta poate fi salvat în memorie, pe dischete sau bandă magnetică și încărcat oricând mai este nevoie de el. Acest lucru implica un alt beneficiu: schimbări rapide în producție. Deoarece punerea în funcțiune a unei mașini CNC este ușoară și rapidă, producția cu astfel de mașini este pretabilă la diminuarea stocurilor și onorarea comenzilor imediat ce sunt primite.

Se prezintă în continuare, mai detaliat, principalele avantaje și dezavantaje ale mașinilor CNC în comparație cu mașinile-unelte clasice.

AVANTAJE

a) Flexibilitate.

O mașină CNC poate fi folosită pentru producerea unei piese conform programului încărcat în memorie. Pentru producerea unei cu totul alte piese este nevoie doar de o operație simplă de reîncărcare în memorie a noului program.

b) Mașinile CNC pot face ceea ce o mașină-unealtă nu poate.

O mașină CNC poate face conturare în spațiu 3D (în trei dimensiuni), lucru imposibil cu o mașină-unelată clasică. Acest lucru permite inginerilor să proiecteze piese cu geometrii care erau prohibitive înainte, datorită costurilor foarte mari de fabricație.

c) Repetabilitate.

O mașină CNC va face 10, 100, 1000, sau mai multe piese exact la fel, fără abateri (cu excepția uzurii mașinii și a sculei). Un strungar nu poate executa două piese exact la fel. Probabil 10% din piese vor trebui să fie reajustate sau vor fi rebuturi. Repetabilitatea atinsă de mașinile cu comenzi numerice nu se poate compara cu cea a unui operator uman.

d) Reduce și elimină costurile aferente unei producții de stoc.

Fabicantul unui automobil trebuie să asigure clienților săi piese de rezervă pentru o perioadă de mai mulți ani de zile, chiar dacă marca respectivă de automobil nu se mai fabrică. În trecut se realizau mai multe piese și se depozitau în stocuri de rezervă. Acest lucru este neeconomic deoarece ocupă spațiu, blochează bani și materiale. În prezent, cu o mașină CNC, se poate realiza o piesă de rezervă imediat ce s-a primit comanda de la client. Se încarcă în mașină programul, se realizează una sau mai multe piese și se livrează în aceeași zi.

e) Reducerea costurilor pentru scule speciale și a timpilor de pregătire a mașinii.

Uneltele și dispozitivele cu care se fixează piesele pe mașinile-unelte clasice sunt destul de complexe și fabricarea lor (pentru o piesă nouă) poate necesita un timp de lucru însemnat. De asemenea sunt dificil de modificat. Aceasta înseamnă mulți bani și mult timp pentru a începe producția.

Mașinile CNC nu necesită foarte puțin (sau deloc) timp pentru fixarea pieselor. De obicei se folosesc dispozitive simple de prindere, de tip clește sau menghina. Din punctul de vedere al sculelor, nu este nevoie de fabricarea unor scule speciale deoarece mașina poate folosi eficient câteva tipuri de unelte pentru mai multe operații. Capacitatea de mișcare a mașinilor CNC permite acestora să parcurgă cu precizie traiectorii de tip contur, ne mai fiind nevoie de unelte speciale pentru poziționarea și ghidarea sculei tăietoare. O schimbare de ultimă oră a proiectării piesei nu necesită decât modificarea câtorva linii de program. Aceasta înseamnă pentru ingineri posibilitatea de a îmbunătăți permanent calitatea produselor prin ajustări necostisitoare în proiectarea pieselor.

f) Reducerea timpului de calificare pentru operatori.

Operatorii de pe mașinile CNC nu controlează operațiile. Ei doar încarcă și descarcă piesele din mașină, întrețin și schimbă sculele de lucru, apasă pe butoanele de pornire, oprire și poate pe butonul de Opride de Urgența dacă o sculă este foarte uzată sau s-a rupt în timpul ciclului. Aceste activități nu necesită mult timp de calificare. Dacă operatorul este motivat și inteligent, instruirea durează doar câteva săptămâni. Salariile operatorilor de mașini CNC sunt mai mici decât salariile cerute de muncitorii calificați în prelucrări prin așchiere, ce lucrează pe mașini-unelte clasice.

g) Reducerea necesarului de forță de muncă (a numărului de ore om-mașină)

O mașină CNC poate elimina mai mulți pași de procesare (treceri de la o un proces tehnologic la altul). Acolo unde, de exemplu, o bucată de tablă trebuia să fie mutată de la un post de lucru la altul, utilizând o mașină CNC se pot realiza mai multe faze tehnologice la același post de lucru, prin aceasta se elimină timpul de demontare, transport și fixare a piesei de prelucrat între două posturi de lucru. Cu alte cuvinte, un singur operator pe o mașină CNC poate face munca mai multor oameni.

Pentru a lucra corect, mașinile CNC au nevoie de operatori calificați. Dar de îndată ce informația completă pentru lucru este înregistrată în fișiere, în format electronic, tehnica de prelucrare este înglobată în mașină și nu mai depinde de factori umani. Instruirea noilor angajați are legătură mai mult cu modul de operare al mașinii CNC și cu așteptările companiei privind calitatea produselor finite. Nu toți operatorii trebuie să cunoască în detaliu tehnologiile de bază ale prelucrărilor metalice prin așchiere.

h) Creșterea calității produselor

Nici un om nu poate egala o mașină CNC în ceea ce privește precizia mișcărilor. Aceste mașini lucrează cu unități de măsură foarte mici. O mașină poate face o gaură la capătul unei mese de lucru, după care se poate muta la celălalt capăt al mesei și se întoarce la aceeași gaură pentru continuarea prelucrării cu o eroare de poziționare mai mică de 10 micrometri. În cuvinte simple, precizia unei mașini CNC este comparabilă cu a zecea parte din grosimea unui fir de par.

i) Creșterea productivității

O mașină CNC poate fi programată să lucreze piese din lemn, cu scule specifice lemnului. Un operator uman nu se poate adapta ușor la schimbări rapide de regimuri de lucru (ca de exemplu, trecerea de la un tip de material la altul) în mod repetat, pentru perioade lungi de timp. Mașinile CNC pot lucra 2 sau trei schimburi pe zi, fără oprire. Singurii factori care limitează producția cu mașini CNC sunt: alimentarea cu material și uzura sculei.

De obicei mașinile CNC erau asociate cu producția în serie mare deoarece programarea mașinii, mai ales pentru piese complexe, necesita un timp mai îndelungat. În prezent, dezvoltarea tehnologiilor de construcție a computerelor și cea a programelor software, permit programarea mai ușoară a mașinilor CNC. În fapt, abilitatea unei mașini CNC de a accepta informații matematice precise, furnizate de un software specializat, pentru a crea un nou produs, reduce costurile de exploatare prin reducerea erorilor de programare.

j) Creșterea siguranței în exploatare

O mașină CNC nu necesită poziționarea manuală a sculei și deci nu necesită prezența operatorului lângă zona de prelucrat. Principala preocupare a operatorului este de a monitoriza activitatea mașinii și de a realiza corecții. Majoritatea mașinilor sunt prevăzute cu un buton de Oprire de Urgență pentru oprirea completă a mașinii în cazul unei erori de funcționare.

DEZAVANTAJE

a) Invesiții mari.

Prețul unei mașini CNC de dimensiuni mici este de 30 – 50 de mii de dolari și ajunge la 500.000 USD pentru o mașină CNC complexă, de dimensiuni mari. Acest lucru înseamnă că mașina cumpărată trebuie să lucreze cât mai mult timp, uneori în două sau trei schimburi, pentru a merita banii investiți. Multe firme mici nu își permit un asemenea cost, îndeosebi în timpuri când dobânzile bancare sunt mari.

b) Mașinile CNC trebuie programate.

Programatori sunt personal cu calificare înaltă, iar cei foarte buni sunt greu de găsit. Ei vor pretinde întotdeauna salarii mari. Problema costurilor cu programarea mașinii poate fi parțial rezolvată prin utilizarea de software CAM (Computer Assisted Manufacturing) dar și aceste software-uri sunt destul de scumpe.

c) Costuri mari de întreținere.

Mașinile CNC pot fi foarte complexe. Ele trebuie menținute în foarte bună stare fizică pentru a putea beneficia de avantajele controlului numeric. Deși controller-ul este un dispozitiv electronic și are fiabilitate mare, ocazional se poate defecta. În acest caz, reparația trebuie să fie realizată cât mai repede deoarece, s-a văzut de ce, o mașină CNC trebuie să lucreze cât mai mult. Pentru reparația mașinilor CNC este nevoie de specialiști atât în domeniul mecanic cât și în domeniu electronic. Acești specialiști vor pretinde de asemenea salarii mari.

d) Costuri mari de producție pentru serii mici.

Dacă se execută doar una sau două piese, atunci timpul și costurile cu realizarea programului pot fi mai mari decât cele obținute prin utilizarea unei mașini-unealtă clasică. Pe măsură ce complexitatea geometriilor și numărul de piese crește mașina CNC devine mai economică.

Generalitãți despre dispozitive

mod de așezare, de fixare

Dispozitivul reprezinta un component auxiliar al unui sistem tehnic, o unitate din punct de vedere functional, alcatuit din elemente, cel putin in parte solide, ale caror legaturi le permit o mobilitate limita si care raman in serviciu de repaus relativ.
Caracteristicile de baza ale unui dispozitiv sunt:
– este un grup de elemente (organe de masini), cel putin in parte solide, legate între ele într-un fel determinat si care formeaza o unitate;
– elementele care-l compun nu se deplaseaza între ele în timpul lucrului, întrucat în acest caz dispozitivul se transforma în mecanism;
– îndeplineste o anumita functie intr-un sistem tehnic , în care este inclus
În sistemul tehnologic al masinilor-unelte pentru prelucrari prin aschiere, dispozitivele sunt incluse în doua locuri. În unul din locuri dispozitivul leaga semifabricatul de masina-unealta avand rolul de orientare si fixare a semifabricatului fata de traiectoria descrisa de taisul principal al sculei, iar în cel de al doilea loc leaga scula de masina-unealta avand rolul de orientare si fixare a acesteia pe masina-unealta.
La asamblare, dispozitivele au rolul sa orienteze reciproc piesele, sau subansamblurile care urmeaza sa fie asamblate si sa le mentina în pozitia respectiva pe tot timpul cât dureaza operatia de asamblare. Astfel de dispozitive se folosesc atât la asamblarile fixe cat si la cele demontabile.
Rolul dispozitivelor de control este de orientare si fixare a pieselor în vederea controlului parametrilor care caracterizeaza una sau mai multe suprafete ale unei piese sau ansamblu.
Dispozitivele utilizate în tehnologia constructiilor de masini se pot clasifica dupa:

– locul unde sunt utilizate în tehnologie

– gradul de universalitate

– felul actionarii

– gradul de automatizare etc.

Dupa locul unde sunt utilizate în tehnologie se deosebesc:
– dispozitive de orientare si fixare a semifabricatelor la prelucrare, denumite dispozitive pentru masini-unelte ( dispozitive de: frezat, gaurit, alezat, strunjit, danturat etc ;

– dispozitive de orientare si fixare a sculelor, denumite portscule ( portcutite, porttarozi, mandrine si dornuri pentru freze etc. )
– dispozitive de orientare si fixare a pieselor sau subansamblelor la asamblare, denumite dispozitive de asamblare ( dispozitive de: nituit, sudat, presat, etc. )
– dispozitive de control ( dispozitive de control al paralelismului, coaxialitatii, planitatii, etc. )

Dupa gradul de universalitate se deosebesc:

– dispozitive universale pentru prelucrarea semifabricatelor cu forme si dimensiuni foarte variate. Din aceasta categorie fac parte: mandrinele, menghinele de masini, mesele rotative, capetele divizoare, capetele de gaurit universale cu mai multe axe. Dispozitivele universale sunt folosite in productia de unicate si de serie mica.

– dispozitive specializate care prin adaptarea unor elemente reglabile sau schimbabile, permit prelucrarea unor grupe de piese fiind aplicate in conditiile tehnologiei de grup.

– dispozitive speciale construite pentru efectuarea unor operatii la anumite piese. Dispozitivele speciale sunt specifice productiei de serie mare si de masa.

– dispozitive modulare

Dupa felul actionarii se deosebesc:
– dispozitive actionate manual
– dispozitive actionate mecanic
Dupa gradul de automatizare dispozitivele pot fi:
– automate
– mecanizate
– manuale
Avantajele utilizarii dispozitivelor
Utilizarea dispozitivelor la prelucrare, precum si la asamblare, control etc., prezinta o serie de avantaje printre care:
– duc la cresterea productivitatii muncii
– permit obtinerea certa a preciziei de prelucrare impuse piesei
– necesita o calificare mai scazuta a muncitorului decât la prelucrare fara dispozitive
– reduc efortul fizic al muncitorului si îmbunatatesc conditiile de munca ale acestora
– îmbunatatesc esential conditiile de protectie a muncii

Dispozitivele folosite pentru asezarea si fixarea pieselor de prelucrat pe masini-unelte au rolul de legatura intre semifabricat si masina-unealta.

Pentru a corespunde scopului, dispozitivele trebuie sa indeplineasca o serie de conditii. Trebuie sa fie suficient de rezistente si de rigide pentru a nu se deforma sau vibra sub actiunea fortelor si momentelor care iau nastere in procesul prelucrarii. In acelasi timp, dispozitivele trebuie sa fie in asa fel concepute incat sa permita manevrarea comoda si rapida cu un efort minim din partea muncitorilor.

De asemenea dispozitivele trebuie sa corespunda din punct de vedere al securitatii muncii, sa aiba o constructie simpla, sa fie usor de executat si reparat.

In stadiul de proiectare se disting doua faze:

– elaborarea schemei de bazare si fixare

– determinarea elementelor componente (bazare, fixare) pe baza schemei de principiu si elaborarea desenului de ansamblu al dispozitivului si a unor desene de executie.

Daca pentru ultima faza, munca de conceptie are o pondere ceva mai mica, reducandu-se adesea la o alegere selectiva a elementelor componente. In prima faza a proiectarii este necesar sa se rezolve problema bazarii corecte a semifabricatului, adica stabilirea bazelor cu ajutorul carora sa fie orientata suprafata de prelucrat a semifabricatului, adica stabilirea bazelor cu ajutorul carora sa fie orientata suprafata de prelucrat a semifabricatului in raport cu traiectoria tãișului principal al sculei.

Se impune din partea proiectantilor de dispozitive sa acorde atentie deosebita parcurgerii fazei de elaborare a schemelor de bazare si fixare.

Ca baze pot fi folosite oricare dintre suprafetele semifabricatului, indiferent de forma geometrica si de rugozitate.

Din punct de vedere al rolului functional, bazele pot fi principale sau tehnologice. Bazele principale sau functionale sunt acelea cu ajutorul carora piesa se orienteaza in raport cu alte repere , in timpul functionarii in ansamblul unei masini, aparat, dispozitiv sau fata de care sunt orientate alte repere.

Bazele tehnologice sau auxiliare nu au rol functional sau il au intr-un grad de precizie scazut.

Intrucat bazele principale determina rolul functional al piesei, folosirea lor ca baze in constructia dispozitivelor are ca rezultat eliminarea erorilor de bazare, in timp ce folosirea bazelor tehnologice duce intotdeauna la aparitia unor erori de bazare.

Aspecte constructive si functionale specifice dispozitivului

Alegerea variantei optime de construcție pentru dispozitiv

În cele ce urmează pentru stabilirea variantei optime constructive de mecanism autocentrant și de fixare se vor avea în vedere următoarele aspecte:

mecanismul trebuie să realizeze autocentrarea și în același timp fixarea piesei;

mecanismul trebuie să nu aibă un gabarit prea mare pe motiv că astfel ar exista posibilitatea creșterii erorilor în timpul prelucrării;

mecanismul trebuie să permită montarea de cepuri sub piesă pentru a putea permite accesul sculei în zona de prelucrat, pe toată lungimea ei,

pentru punerea în mișcarea a componentelor mecanismului se va face uz de mișcarea de translație pentru ușurarea calculelor ulterioarea și înlăturarea eventualelor erori;

mecanismul trebuie să permită legătura cu mecanism de transmitere a mișcării necesare strângerii – centrării;

mecanismul trebuie să aibă în structură un reazem de tip prismă.

Alegerea tipului de acționare mecanizată

Pentru fiecare tip de acționare se precizează avantajele:

a) acționarea pneumatică:au gabarit redus, pot fi folosite la acționarea dispozitivelor staționare și rotitoare, pompele folosite sunt pompe mici, care oferă o presiune mare, forța de strângere desfacere este realizată de uleiul aflat sub presiune care apasă asupra unor pistoane ale motoarelor, permite creșterea rigidității sistemului tehnologic, reduce vibrațiile, transport ușor;

b) acționarea hidraulică: realizează presuini de lucru foarte ridicate (20 … 100 daN/cm2) și deci forțe de acționare mari, motoare ușoare, gabarit redus, durată de exploatare mare, forța de acționare realizată se distribuie liniștit fărăr vibrații;

c) acționarea pneumohidraulică: posibilitatea realizării unor forțe de acționare mari;

d) acționarea mecanohiodraulică: nu necesită rețele de aer comprimat sau circuite hidraulice speciale, pot dezvolta presiuni mari de lucru deci forțe de acționare mari, pot realiza forțe de strângere constante;

e) acționarea mecanică: simplitate constructivă , costuri mici;

f) acționarea electromecanică: dezvoltarea unor forțe și curse mari de acționare, economisire de energie;

g) acționarea cu vacuum: posibilitatea prinderii unor semifabricate cu rigiditate scăzută, și semifabricate plane;

h) acționarea magnetică: asigură forțe de acționare ca la acționarea electromagnetică, permite realizarea comodă a unor dispozitive pentru prinderea semifabricatelor cu alte suprafețe de prindere decât cele plane, costul exploatării mic;

i) acționarea electromagnetică: prinderea și desprinderea ușoară a semifabricatelor, permite prinderea pieselor de diferite forme, asigură repartizarea uniformă a forșei de strângere pe suprafața de prindere a piesei, oferă o bună accesibilitate la suprafețele de prelucrat,permite utilizarea integrală a mesei M-U;

Analizând aceste avantaje ale diferitelor tipuri de acționări s-a ales ca fiind optimă acționarea mecanica.

Dispozitive de protectie, de prindere si fixare, blocare si sigurantã

Caracteristici generale

Pãrtile mobile ale masinilor-unelte care depãsesc gabaritul masinii si care prezintã pericol de accidentare, vor fi prevãzute cu dispozitive de protectie tip apãrãtoate (compacte, cu jaluzele, cu orificii), de rezistentã corespunzãtoare si care, dupã necesitate, se doteazã cu mânere, bride pentru deschiderea, scoaterea, deplasarea si instalarea cu usurintã si fãrã pericol a acestora.

(1) Dispozitivele de protectie, care nu necesitã interventii frecvente, vor fi fixate de masina-unealtã, constituind un întreg cu aceasta.

(2) Interventia la masinã va fi realizatã numai de personal de specialitate si numai dupã oprirea masinii.

(1) Dispozitivele de protectie, care necesitã interventii frecvente, vor fi prevãzute cu sisteme de deconectare sau blocare automatã a masinii-unelte, în cazul unor interventii accidentale.

(2) Suprafetele ce trebuie sã fie protejate, cât si interiorul apãrãtorilor, vor fi vopsite în altã culoare decât masina-unealtã, respectiv în culori de avertizare – rosu sau portocaliu.

Dispozitivele de protectie ale posturilor de lucru vor fi prevãzute cu ecrane din sticlã securizatã, sau alt material transparent, care sã nu piardã repede transparenta sub actiunea aschiilor si a lichidului de rãcire.

Dispozitivele de protectie ale curelelor si angrenajelor cu roti dintate vor fi prevãzute cu un sistem de întrerupere a alimentãrii motorului, care sã nu permitã punerea în functiune a masinii decât numai atunci când aceste dispozitive sunt în pozitia de protectie.

(1) Dispozitivele de prindere vor fi astfel concepute, încât sã asigure o fixare rigidã a pieselor.

(2) În cazul folosirii dispozitivelor de fixare pneumatice, hidraulice, electromagnetice si combinate, acestea se vor prevedea cu mecanisme care sã împiedice desfacerea accidentalã a dispozitivului si cu blocaje care sã previnã aruncarea piesei când se produce desfacerea sau când se întrerupe alimentarea cu aer, lichid sau energie electricã. În cazul întreruperii alimentãrii, se va opri automat masina.

Masinile-unelte cu comandã numericã si cu schimbarea automatã a sculei, care sunt dotate cu magazie de scule, vor fi prevãzute cu dispozitive corespunzãtoare care sã asigure respectarea urmãtoarelor conditii :

a) schimbarea automatã a sculei numai când arborele principal se aflã în pozitie corectã si nu se roteste ;

b) pentru schimbarea automatã a sculei, zona în care se desfãsoarã aceastã operatie va fi prevãzutã cu elemente de protectie care sã nu admitã accesul lucrãtorului în zona respectivã.

La masinile care nu sunt prevãzute cu dispozitive de mutare a curelei în mers, aceastã operatie se va face numai dupã oprirea completã a masinii.

Masinile-unelte vor fi prevãzute cu dispozitive de sigurantã care sã previnã pornirea accidentalã a arborilor principali, a consolelor, pãpusilor, traverselor si a altor subansamble mobile.

Masinile-unelte sau subansamblele acestora vor fi prevãzute cu dispozitive de sigurantã pentru evitarea oricãrui accident în cazul supraîncãrcãrii acestora peste limitele prescrise.

Subansamblurile masinilor-unelte care se deplaseazã mecanizat vor fi prevãzute cu dispozitive de sigurantã care sã nu permitã depãsirea cursei acestora dincolo de limitele stabilite prin documentatia tehnicã.

În cazul în care pãrtile subansamblelor depãsesc gabaritul masinii-unelte, în timpul functionãrii, prezentând pericol de accidentare prin lovire, se va îngrãdi zona de lucru periculoasã cu elemente care sã nu permitã accesul persoanelor.

(1) La masinile unelte (linii automate) care nu pot fi supravegheate vizual în întregime de la locul de muncã si a cãror cuplare accidentalã poate duce la accidentarea persoanelor care se aflã în preajma lor, zona de lucru va fi îngrãditã si, de asemenea, va fi dotatã cu dispozitive de semnalizare acusticã si vizualã.

(2) Aceste dispozitive vor functiona antomat în momentul actionãrii butonului de pornire de pe pupitrul de comandã, emitând sunete sau luminã intermitentã timp de cel putin 15 secunde.

(3) Masinile-unelte la care se prevede prelucrarea pieselor neechilibrate cu diametrul peste vor fi prevãzute cu un dispozitiv de blocare care sã nu permitã întoarcerea (rotirea) accidentalã a platoului în timpul fixãrii piesei.

Parti componente:

Unitatea centrala – gestioneaza toate datele de intrare-iesire legate de programele de  prelucrare si de manipulare a utilajului; este format din unitatea principala , monitor, tastatura, mouse, butoane de comanda, invertere-le de deplasare pe cele 3 axe ale cabinei de lucru, etc.

Unitate de comanda auxiliara – este partea componenta a masinii care da acceptul comenzii de pornire si rulare a programului de lucru incarcat, avand un rol determinant, atunci cand masina este folosita de operator pentru lucrul in doua campuri;

a) Detaliu a unitatii centrale                       b) Detaliu a unitatii auxiliare de comanda

Masa de lucru – este suportul principal pe care se fixeaza piesele in vederea prelucrarii; fixarea pe masa masinii a pieselor se face pe baza de vacuum, iar prinderea pieselor se poate face fie direct pe masa masinii, fie pe sabloane speciale, fie pe ventuze de fixare;

            In vederea crearii unui spatiu adecvat pentru zona de vid la utilizarea uneia din formele de fixare mentionate, se foloseste un snur de cauciuc, cu g = 8 mm. Piesa este fixata pe masa masinii, care are o constructie speciala, realizata din aluminiu, si care la fabricare a fost prevazuta cu mai multe canale, la distante mici unele de altele. Aceste canale urmeaza doua directii perpendiculare formand pe suprafata mesei un caroiaj. In aceste canale, in functie de forma piesei se introduce acel cordon de cauciuc, ce va forma un contur inchis.

            Astfel, intre suprafata mesei si piesa se va forma o zona inchisa. Din aceasta incinta formata, aerul este evacuat prin duzele prevazute in masa masinii de catre pompa de vacuum. Masa este impartita in doua camere distincte, care astfel permit crearea spatiului vid in cele doua campuri in mod independent.

Covoare de protectie – sunt componente de cauciuc, ce contin senzori de greutate, si au rolul de a opri automat functionarea masinii in momentul in care operatorul intra voluntar sau involuntar in raza de actiune a cabinei de lucru;

Respectand principiile de lucru in doua campuri, covoarele de protectie actioneaza si ele independent, cel activ fiind doar in zona de lucru in care actioneaza electromandrina cu scula prelucratoare.

Cabina de lucru – insoteste electromandrina si tot ansamblul de lucru, si are rol esential de protectie a utilizatorului in caz de accidente; partea frontala este confectionata dintr-un material transparent securizat, care in functie de necesitatile operatorului permite vizualizarea campului in care are loc prelucrarea materialului;

Structura de protectie – fabricata din panouri metalice, are rolul de a preveni accidentele, si de a stopa muncitorii din fabrica de a intra in zona de actiune a masinii.

            Alaturi de partile componente prezentate anterior, masina are in dotarea sa o telecomanda ce ofera posibilitatea operatorului de a comanda anumite operatii de la distanta. Mai mult decat atat, anumite operatii nu pot fi comandate decat cu acest periferic. Dintre acestea, cele mai importante operatii sunt cele de schimbare manuala a sculei, si de deplasare pe cele 3 axe (X,Y,Z) a electromandrinei, respectiv a cabinei de lucru.

            Dupa cum se observa pe imaginea alaturata, telecomanda are incorporata si un buton de oprire de urgenta, in cazul aparitiei unor defectiuni accidentale. Aceste ”butoane de urgenta” se intalnesc si pe statia locala de comanda, precum si pe utilaj in zonele cheie ale celor doua campuri de lucru.

            Covoarele de cauciuc sunt asa cum am mentionat factori de protectie care au ca efect oprirea de urgenta a operatiilor ce se gasesc in desfasurare (atat deplasarea pe directii a capului de lucru, cat si oprirea sculei din electromandrina), minimizandu-se prin toate aceste masuri posibilitatile de  accidentare.

            Pentru deplasarea manuala pe cele trei axe al capului de lucru telecomanda dispune de un selector de axa, iar pentru gestionarea operatiilor de lucru are incorporate doua  potentiometere ce au efect asupra vitezei de deplasare si a vitezei de rotatie a sculei fixata in electromandrina.

 Inainte de a prezenta datele tehnice de baza ale centrului de prelucrare numerica, trebuie mentionat ca batiul masinii reprezinta piesa cea mai voluminoasa si mai grea, avand rol de sustinere pentru toate elemntele fixe sau mobile ale masinii. Tubulatura destinata exhaustarii si toate cablurile de date care vin in contact cu unitatea centrala sunt sustinute de senile specifice acestor tipuri de masini pentru prevenirea deteriorarii lor in timpul functionarii, mai precis  datorita miscarilor pe axe ale capului de lucru.

            Ungerea axelor de deplasare se face automat pe toate cele trei directii in tot timpul functionarii si mai ales imediat dupa pornirea centrului de prelucrare. Pornirea in vederea utilizarii CNC-ului la inceputul zilei, obliga operatorul sa execute operatia de calibrare a masinii, operatie care ca efect in afara ungerii axelor si stabilirea pozitiei de 0 (zero) a capului de lucru si originea mesei fata de care se vor face prelucrarile ulterioare ale pieselor. Deoarece asa cum am spus, masina este dotata cu o magazie ce poate fi incarcata cu pana la 8 scule diferite simultan, operatia de calibrare are ca efect si stabilirea pozitiei initiale a acestei magazii.

CENTRUL DE PRELUCRARE

Centrul de prelucrare CMS XTB1150 este de tip orizontal având cinci axe și este echipat cu un echipament CNC FANUC 310. Centrul de prelucrare este conceput pentru operațiuni de frezare, alezare, găurire și filetare în conceptul de “five axis machining”.

Batiul centrului de prelucrare este realizat din fontă G26 (Standard Italian UNI 668) fiind detensionat. Ghidajele centrului de prelucrare au o duritate de 480 Brinnel.

Cursele axelor centrului de prelucrare CMS sunt: X=650mm, Y=650mm, Z=450mm. Centrul de prelucrare este echipat cu motoare electrice FANUC-GE .

Mandrina este acționată de către un motor FANUC GE de tip ALPHA IL12/7000 având o putere de 12kW și turația maximă de 16000 rot/min.

Centrul de prelucrare are și următoarele axe de rotație:

Axa B-3600 – axă continuă CNC (360000 impulsuri)

Axa B-3600 – axă discontinuă PLC (1x 3600 )

Axa C- axă continuă CNC (360000 imp) Axele B și C continue, axe CNC sunt utilizate pentru prelucrarea în cinci axe.

Axa PLC B este utilizată la funcțiile APC si ATR respectiv la prelucrarea în trei axe. Echipamentul CNC este configurat astfel încât să se poată realiza trecerea de la prelucrarea în trei axe la prelucrarea în cinci axe.

Principalele funcții ale centrului de prelucrare care sunt deservite de către sistemul hidraulic sunt: Blocarea și deblocarea sculei în axul principal;

Acționarea manipulatorului pentru schimbarea sculei. (funcția ATC);

Încărcarea și descărcarea paletei (funcția APC);

Blocarea și deblocarea paletei. Sistemul pneumatic al centrului de prelucrare funcționează la o presiune de 6 bar. Principalele funcții care utilizează sistemul pneumatic sunt cele de curățare a ghidajelor respectiv ridicarea ecranului de protecție pentru schimbarea paletei.

2.9. Alimentarea automată cu scule a posturilor de lucru în SFF

2.9.1. Probleme generale

Limita de flexibilitate a unui sistem flexibil de prelucrare prin așchiere depinde în mare măsură de echipare cu scule a acestuia. Deși în costul prelucrării unei piese, sculele participă cu o cotă ce variază între 5÷30%, totuși ele determină în mare măsură gradul de utilizare al mașinii-unelte și economicitatea prelucrării.

Prelucrarea familiilor de piese în cadrul SFF determină necesitatea ca mașinile-unelte din componența acestora (centrele de prelucrare) să poată acționa asupra pieselor prelucrate cu un număr mare de scule. Necesarul de scule pentru un post de lucru la unui SFF este determinat de următoarele elemente:

– numărul de operații diferite ce trebuie executate asupra diferitelor tipuri de piese ce se prelucrează;

– asigurarea sculelor de schimb de același fel ( dubleți ) în cazul distrugerii accidentale a părții așchietoare a sculelor;

– asigurarea sculelor de schimb pentru sculele ce lucrează la un moment dat și au atins gradul de uzură limită.

În vederea schimbării automate a sculelor, centrele de prelucrare dispun de magazine de scule proprii și de sisteme de transfer automat al sculelor între magazinul de scule și dispozitivul de centrare și fixare a sculei pe mașină (axul principal sau suporții pentru scule cu coadă prismatică).

Magazinele obișnuite de scule ale centrelor de prelucrare pot avea formă de disc, cu scule amplasate pe suprafața frontală sau pe suprafața laterală, precum și formă de casetă cu lanț, cu aceleași moduri de dispunere a sculelor (frontal sau lateral). Capacitatea de înmagazinare variază între 24 ÷ 40 scule la magazinele tip disc și până la 60 scule la magazinele cu lanț. Capacități de înmagazinare mai mari (100 ÷ 120 scule) se pot obține cu construcții speciale de magazine de scule (cu lanț cu meandre, cu discuri supraetajate, cu tambure cu locașuri dispuse după o elice, cu discuri având pe suprafața frontală mai multe circumferințe de locașuri etc.).

Poziția magazinului de scule față de planul de lucru al sculei pe mașina-unealtă poate fi diferită, fiind preferate soluțiile la care axele sculelor în magazin și în axul de lucru al mașinii sunt paralele, caz în care cinematica mecanismului de transfer este mai simplă. Pentru transferul automat al sculelor între magazinul de scule și mașina-unealtă se utilizează mâinile mecanice duble, acestea asigurând cicluri de schimbare de durată mică prin faptul că numărul fazelor ciclului de schimbare este minim posibil.

Schimbarea automată a sculelor pe centrele de prelucrare impune satisfacerea următoarelor condiții, pentru a căror realizare există un mare număr de soluții tehnice:

– existența unui sistem de codificare a sculei sau a locașului acesteia din magazin necesară pentru recunoașterea sculei programate;

– existența unui sistem de recunoaștere ( de citire ) a codului sculei în magazin, amplasat,de regulă, pe suportul magazinului sau pe mâna robotului manipulator;

– rotirea periodică sau continuă a magazinului de scule pentru căutarea sculei programate și oprirea magazinului în momentul găsirii acesteia;

– oprirea orientată ( indexată ) a axului principal al mașinii în cazul antrenării sculei prin pene frontale;

– existența unor sisteme de asigurare a sculelor în locașurile magazinului și de centrare și de fixare a acestora în axul principal al mașinii-unelte;

– mâna mecanică de transfer să fie prevăzută cu sisteme de asigurare a sculelor manipulate de cele două apucătoare ale sale;

– existența unor sisteme de urmărire a stării sculei în timpul lucrului acesteia, care să dea comanda pentru schimbarea sculei în cazul deteriorării tăișului sau al atingerii gradului de uzură limită; mărimea uzurii sculei se poate măsura direct cu senzori corespunzători sau, indirect, măsurând curentul absorbit de motorul de acționare, momentul de torsiune sau forța de așchiere, reacțiunea din lagărul din față al axului principal etc.

În cazul prelucrării pieselor de revoluție, numărul de scule necesare este mai redus, dar în cazul prelucrării pieselor de tip carcase complexe acest număr poate ajunge la 80 ÷ 100 scule. Pe de altă parte, având în vedere necesitatea asigurării sculelor duble pentru înlocuirea sculelor uzate (normal sau accidental) fără intervenție umană, precum și faptul că numărul de scule diferite crește odată cu lărgirea familiei de piese prelucrate, rezultă că centrele de prelucrare integrate în SFF trebuie să fie alimentate automat cu un număr mare de scule.

Una din soluțiile posibile în acest sens este mărirea capacității magazinului de scule al mașinii prin conceperea unor soluții ce permit creșterea acestei capacități până la 120 scule. Dar, mărirea capacității magazinului de scule prezintă două dezavantaje:

– crește timpul necesar pentru căutarea sculei programate și aducerea acesteia în poziția de schimbare;

– crește gabaritul magazinului și greutatea acestuia, ceea ce conduce la consumuri energetice mari pentru executarea mișcării de căutare a sculei programate.

Timpul de căutare a sculei trebuie să îndeplinească condiția:

tsc = tb+ tp+ tr (1.1) in care :

tb – timpul de bază;

tp – timpul necesar deplasării sculei noi schimbate în poziția de lucru;

tr – timpul de revenire a sculei ce a lucrat în poziția de cshimbare;

Timpul de căutare a sculei programte este dată de relația:

tsc= zpc*lm/ vcs (1.2)

în care:

zpc-numărul pașilor ce trebuie parcurși la căutarea codului sculei programate pentru faza următoare;

lm -pasul dintre două locașuri de sculă succesive în magazin;

vcs-viteza de deplasare a magazinului la căutarea sculei.

După cum se observă în relația ( 1.2 ), singura soluție posibilă pentru respectarea condiției ( 1.1 ) este mărirea vitezei de căutare, ceea ce nu se poate face fără limite.

Având în vedere limitările menționate mai sus, precum și mărirea familiilor de piese prelucrate pe un SFF și micșorarea seriilor de piese, rezultă necesitatea introducerii unor soluții de alimentare cu scule a posturilor de lucru care să asigure capacități practic nelimitate și o mare viteză de circulație a sculelor în cadrul sistemului.

Asemenea soluții sunt realizate în prezent de un mare număr de firme din lume și se pot împărți în două grupe distincte: – sisteme pentru înlocuirea automată a magazinului de scule pe centrul de prelucrare; – sisteme pentru înlocuirea automată a sculelor în magazinul de scule propriu al mașinii în timp ce mașina lucrează

2.2. FUNCȚIA DE REACTUALIZARE AUTOMATA A SCULEI (ATR)

Funcția de reactualizare a sculei se abreviază ATR (Automatic Tool Readjustment). Aceasta funcție este specifică nivelelor CFF si SFF și constă în pregătirea automată a noului set de scule in magazinul ATC pentru piesa următoare celei curente (în curs de prelucrare)3]. Din punct de vedere al echipamentului necesar pentru realizarea funcției ATC se observă o mare varietate, în funcție de soluțiile de realizare a funcției ATR. Soluțiile și variantele uzuale depind de tipul de ATC al mașinii de baza de nivel CP.

2.2.1. Soluția de reactualizare având magazin de scule dublu

Soluția de reactualizare având magazin de scule dublu (activ-pasiv) și manipulator ATR presupune echiparea CFF cu două magazine de scule, unul care va deservi direct mașina în cadrul procesului de producție ( magazia activă) respectiv cea de a doua magazie va avea ca rol depozitarea sculelor și utilizând aceasta magazia se va face reactualizarea sculelor din magazia activă. Cea de a doua magazia poartă numele de magazie pasivă. Transferul sculelor între cele două magazii se realizează prin intermediul unui manipulator.

Mașina este deservită de CNC care conduce și magazinul de scule dublu (funcția de “activ-pasiv” este realizată prin programul piesa tehnologic), PLC de conducere a robocarului și conducere a funcției APC, DNC (calculator PC) de conducere ierarhica cu transmisii on-line de programe, diagnoză, dispecerat automat.