Cercetari Teoretice Si Experimentale Privind Utilizarea Masinilor cu Comanda Numerica (cnc) In Fabricarea Pieselor de Dimensiuni Mici

Cercetări teoretice și experimentale privind utilizarea mașinilor cu comandă numerică (CNC) în fabricarea pieselor de dimensiuni mici

CUPRINS

INTRODUCERE

Până în zilele noastre, prelucrarea pieselor prin îndepartarea de material sub forma de așchii (prelucrările prin așchiere) reprezintă procedeul fundamental de prelucrare din cadrul prelucrărilor mecanice, ocupând un loc predominant în cadrul procedeelor de obținere a pieselor. Creșterea performanțelor mașinilor-unelte, a sculelor așchietoare și a programelor CAD-CAM-CAE a impus tot mai mult creșterea totodată a competitivității și obținerea unei productivități crescute, alături, bineînțeles, de a unei mai bune calități. În această direcție au fost făcute multe cercetări și lucrări, obținându-se progrese remarcabile în domeniu.

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-unelte.

Mișcările mașinii trebuie să conducă o sculă tăietoare pe un anumit traseu, cu o viteză precisă de rotație a sculei și cu o viteză precisă de înaintare a sculei.

CNC este abreviația de la ,,Computer Numerically Controlled” (Control numeric cu Computer-ul). Denumirea CNC se referă întotdeauna la modul unic 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 diverse sisteme de coordonate pentru a întelege și procesa informația pe care o primește, pentru a determina ce trebuie să se 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 direcții de mișcare, numite axe. Aceste axe pot fi mișcate și pozitionate 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 miscare (rapid, liniar, circular), axele care se mișcă, distanțele de miscare și vitezele de mișcare (de prelucrare) sunt programabile la majoritatea mașinilor CNC.

Marea majoritate a mașinilor CNC sunt capabile să se miște în trei direcții simultan.

Aceste direcții sunt numite axele mașinii. Axele au numele coordomatelor X, Y, Z. AxaX este întotdeauna aceea pe care mașina, sau o parte a mașinii, se deplasează (acoperă) cea mai mare lungime. De exemplu, axa X poate reprezinta mișcarea față-spate, iar axa Y, miscarea 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 comandă 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 controler 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 ca funcționarea lor depinde de un program numeric care se poate modifica, astfel încât, în numai câteva secunde, mașina-unealtă sau robotul pot să îndeplinească alte sarcini.

Lista notațiilor

CNC – Computer Numerically Controlled

CAD – Computer Aided Design

CADD – Computer Aided Design and Drawing

CAM – Computer Aided Manufacturing

CAE – Computer Aided Engineering

CIM – Computer Integrated Manufacturing

FEM – Finite Element Method

FEA – Finite ElementAnalysis

MUCN – Mașina-unealtă cu comandă numerică

Lista figurilor

Figura 1. Schema structurală a unei mașini de frezat cu comandă numerică 10

Figura 2. Reprezentarea schematică a unui echipament clasic cu comandă numerică 11

Figura 3. Programare numerică 12

Figura 4. Piesa de prelucrat 13

Figura 5. Timpi de realizare a piesei pentru prelucrarea pe MU convenționale și CN 13

Figura 6. Productivitatea pentru diverse categorii de MU funcție de automatizare 15

Figura 7. Reglajul originii programului pentru frezare 16

Figura 8. Sistemele de coordonate ale mașinii și ale piesei 17

Figura 9. Principiul de punere în poziție prin interpolare 18

Figura 10. Interpolarea liniară și circulară 18

Figura 11. Măsurarea directă a poziției la o mașina CNC 19

Figura 12. Schema de principiu a deservirii axelor 19

Figura 13. Abaterea traiectoriei reale executată de sculă față de traiectoria programată 20

Figura 14. Timpul de temporizare al unei acțiuni 22

Figura 15. Specificații pentru o interpolare circulară 22

Figura 16. Alegerea planului de interpolare la frezare 23

Figura 17. Necesitatea corectării traiectoriei sculei în raport cu profilul piesei 23

Figura 18. Poziționarea sculei în raport cu piesa 24

Figura 19. Angajarea după o dreaptă 24

Figura 20. Angajarea după un cerc 24

Figura 21. Corecția traiectoriei la intersecția a două segmente 25

Figura 22. Decalajul traiectorie în cazul unghiurilor obtuze interioare 25

Figura 23. Tipuri de contururi care ridică probleme comenzilor numerice actuale 26

Figura 24. Influența corecției sculei asupra vitezei de avans 26

Figura 25. Prelucrarea pe o mașina-unealtă cu comandă numerică cu 5 axe 27

Figura 26. Programarea deplasărilor absolute și relative 27

Figura 27. Luarea în considerare a diverselor decalaje 28

Figura 28. Reducerea erorii de urmărire a conturilor prin utilizarea funcției G9 29

Figura 29. Evoluția sistemelor CAD/CAM 31

Figura 30. Subansamblu dispozitiv de gaurit si filetat 34

Figura 31. Piesa de matrițat 34

Figura 32. Fisierul format 2D 35

Figura 33. Piesa de matrițat în format 3D 35

Figura 34. Definirea corpului semi-matriței 36

Figura 35. Importarea piesei din format 2D 36

Figura 36. Comanda Extrusion pentru profile selectate 36

Figura 37. Executarea teșirilor muchiilor utilizând comanda Filet 37

Figura 38. Piesa de executat pe mașina CNC BZT 37

Figura 39. Proiectarea corpului matriței prin extragerea modelului 37

Figura 40. Semimatrița superioară și inferioară 38

Figura 41. Mediu informatic CAM 38

Figura 42. MUCN BZT PFE 500 39

Figura 43. Setarea originii 41

Figura 44. Setarea formei semifabricatului 41

Figura 45. Setarea regimului de aschiere 42

Figura 46. Setarea nivelurilor de siguranță 42

Figura 47. Alegerea tipurilor de strategii de lucru ale sculei 42

Figura 48. Setarea traiectoriilor sculei 43

Figura 49. Parametrii și forma sculei așchietoare 44

Figura 50. Optimizarea traiectoriei sculei 44

Figura 51. Simulare degroșare cu freza 12mm 44

Figura 52. Simulare finisare cu freza 6mm 45

Figura 53. Lansarea opțiunii de comparare Compare Part/Stock 45

Figura 54. Rezultatele comparării semifabricatului prelucrat cu piesa 46

Figura 55. Post-procesarea individuală folosind meniul contextual 46

Figura 56. Programul cod generat 47

Figura 57. Calcularea parametrilor procesului 48

Figura 58. Supravegherea procesului de frezare 49

Figura 59. Degroșare freză 12 mm 49

Figura 60. Finisare cu freză 6mm cu cap rotund 50

Figura 61. Program cod pentru degroșare (freza 12 mm) 50

Figura 62. Program cod pentru degroșare (freza 6 mm) 51

Figura 63. Program cod pentru finisare (freza 6 mm) 52

Figura 64. Program cod pentru finisare (freza 3 mm) 52

Figura 65. Reprezentarea grafică a economiilor de timp realizate 53

Figura 66. Verificarea macroscopică 54

Figura 67. Mașina de Măsurat în Coordonate (MMC) 54

Figura 68. Rezultatele măsurătorilor în format grafic 55

Figura 69. Rezultatele măsurătorilor în format tabelar 55

Lista tabelelor

Tabel 1. Caracteristici tehnice BZT PFE 500 40

Tabel 2. Fișa reperului 49

Tabel 3. Parametri prelucrare degroșare freză 12 mm 51

Tabel 4. Parametri prelucrare degroșare freză 6 mm 51

Tabel 5. Parametri prelucrare finisare freză 6 mm 52

Tabel 6. Parametri prelucrare finisare freză 3 mm 53

Tabel 7. Centralizator parametri prelucrări 53

CAPITOLUL 1. STADIUL ACTUAL AL PRODUCȚIEI DE PIESE CU SISTEME DE PRODUCȚIE ASISTATE DE CALCULATOR

Generalități

Se poate spune că un echipament este cu comandă numerică dacă instrucțiunile care permit punerea în funcțiune a mașinii sunt transmise în formă codificată. Conform acestei definiții, prima mașină-unealtă cu comandă numerică a fost mașina de țesut a lui Jacquard (1800) care avea ca port-program o bandă perforată.

Comanda numerică a mașinilor-unelte este un procedeu de comandă apărut în anii 1950. Ea a fost dezvoltată în USA începând cu 1942 pentru a satisface nevoile industriei aeronautice: realizarea suprafețelor complexe cum ar fi paletele elicei elicopterelor sau buzunarele de diverse forme în panouri mari de aluminiu.

Figura 1. Schema structurală a unei mașini de frezat cu comandă numerică

Inițial, aceste echipamente dispuneau de organe de comandă acționate prin cablu iar introducerea datelor se făcea prin cartele perforate. Cu apariția microprocesoarelor și progresul electronicii, costul acestor echipamente a scăzut până prin anul 1970. Suporturile și transmiterea de date au putut fi asigurate cu ajutorul disketelor, benzilor magnetice etc.

Această evoluție care a autorizat tratamentul de date în timp real, a permis creșterea posibilităților oferite de acest tip de comandă și a favorizat integrarea acestor în construcția de echipamente automatizate.

Utilizarea comenzii numerice (CN) nu se limitează numai la mașini-unelte cu care se îndepărtează material cu ajutorul unor scule cu tăiș, ci ea este prezentă și la instalațiile de decupat cu fascicol laser, la prelucrarea prin electroeroziune, la mașinile cu fir, la operațiile de asamblare etc. Ea se întâlnește de asemenea astăzi la comanda meselor mașinilor de măsurat tridimensionale, la roboți și alte echipamente.

In zilele noastre, producția de piese mici nu poate fi considerată realizabilă fără mașini rapide cu comanda numerică. Cu aceste mașini de unelte se poate realiza producția în orice forma cu precizie ridicată. În prezent, mașinile-unelte CN asigură o precizie de prelucrare ridicată, de la ±(0,015–0,02) mm, în cazul centrelor de prelucrare, până la ±0,003 mm, în cazul mașinilor de găurit în coordonate.

Figura 2. Reprezentarea schematică a unui echipament clasic cu comandă numerică

La prelucrarea suprafețelor complexe cu masini unelte convenționale, înainte de proces a fost necesar realizarea unui prototip din lemn sau alt material care a fost supus unei scanări si copiat cu precizie variabilă într-o piesa noua. Acest proces era considerat mult prea consumator de resurse umane și/sau materiale. Astfel, multi angajați lucrau mai multe zile la o piesa complexa, care, cu technologia actuală, se poate produce în timp considerabil mai scurt si cu mare precizie. Este necesar insă un model construit cu ajutorul calculatorului.

Controlul Numeric Computerizat (CNC) este controlul unei mașini-unelte prin utilizarea de numere și litere. Este un sistem în care valorile numerice programate sunt direct introduse și înmagazinate într-un anumit format, apoi automat citite și decodificate pentru a determina mișcarea corespunzătoare a mașinii pe care o controlează.

Figura 3. Programare numerică

1.2. Avantajele tehnice și economice ale comenzii numerice

În anii ’70 – 80’, era frecventă afirmația referitoare la comanda numerică cum că aceasta nu era rentabilă decât la realizarea seriilor mari de piese sau la generarea suprafețelor complexe cu profil evolventic. Această judecată era în parte justificată, dacă se ține cont de greutatea cu care se realiza pregătirea fabricației și programarea (numeroase calcule geometrice făcute de mână, timpi de schimbare a tehnologiilor mari, iar dispozitivele de înregistrare și citire a informațiilor dificile și laborioase).

La vremea respectivă, capacitățile slabe de calcul ale echipamentelor electronice de comandă nu permiteau să se efectueze în timp real corecții legate de geometria sculelor și restricționa programatorul să definească traiectoriile axelor pentru fiecare sculă sau punct generator de pe fiecare sculă. Astfel spus, el trebuia să scrie programul pentru o sculă dată iar iar ascuțirea obliga la corecția programului. În paralel cu aceasta, costul ridicat al echipamentelor nu putea fi autorizat decât la seriile mari și consecutive de fabricație.

Astăzi, comanda numerică poate fi utilizată într-o manieră economică și în cazul seriei mici sau pentru fabricații individuale de piese, fără ca acestea din urmă să aibă forme complicate.

În exemplul din figura 4, relativ la o placă pe care se efectuează găuriri simple și filetare, se observă că la realizarea unei piese aveam un câștig de 1h 15’ față de prelucrarea pe mașini-unelte convenționale, în timp ce la prelucrarea a 2 piese câștigul este de 4h și 15’ iar la o serie de 10 piese deja se ajunge la un câștig aproximativ de 40h.

Acest câștig de timpi în execuție provin din cheltuielile mai reduse de punere în fabricație și tratament de date pentru un reper.

Material prelucrat: – lemn esență tare;

Viteza de așchiere: 8 – 15 m/min.;

Seria de fabricație 3 – 12 piese;

Figura 4. Piesa de prelucrat

Informațiile inițiale, cum că prelucrările pe mașini-unelte cu comandă numerică sunt nerentabile, trebuie deci actualizate.

Figura 5. Timpi de realizare a piesei pentru prelucrarea pe MU convenționale și CN

Asistența informatică permite definirea mai rapidă a modelului geometric al piesei, a proiectării rapide a tehnologiei de prelucrare, calcule rapide și în timp real pentru stabilirea condițiilor de operare. În acest context, timpii necesari pentru asigurarea programării pot fi reduși la jumătate și timpii de execuție a celor 10 piese de asemenea pot fi reduși la jumătate.

Aceste avantaje sunt datorate, în general, aportului tehnic adus de comanda numerică, dar sunt mult mai vizibile în cazul programării asistate de calculator care elimină restricțiile legate de timpii de programare, permițând:

scoaterea în exteriorul postului de lucru a sarcinilor legate de modelarea geometrică, cinematică și tehnologică a procesului de prelucrare;

reducerea timpilor pentru mersul în gol, prin realizarea în regim automat a secvențelor procesului de prelucrare, prin punerea în poziție de lucru a sculelor cu viteze de avans rapide, prin schimbarea automată a sculelor, prin schimbarea automată a vitezelor cu ajutorul variatoarelor;

reducerea numărului de operații care erau necesare pentru efectuarea de lucrări precise: trasare, utilizare de lunete, eliminarea dispozitivelor de copiat;

realizarea de suprafețe complexe – prin deplasarea după mai multe axe simultan și posibilitatea realizării de piese cu suprafețe mult mai apropiate de necesitățile funcționale;

definirea condițiilor optimale de lucru, pentru că aceste mașini oferă posibilitatea de a face să varieze continuu viteza de lucru și astfel crește dura de viață a sculelor;

diminuarea gradului de implicare a factorului uman, prin creșterea gradului de automatizare a echipamentelor și diminuarea sarcinilor de control, care sunt efectuate în timpul derulării operațiilor de prelucrare, de echipamente speciale;

posibilitatea de a asigura flexibilitatea în raport cu evoluțiile tehnice actuale în materie de moduri de schimbare a sculelor, de proiectare geometrică și tehnologică sau utilizarea unor sisteme de tratament de date CFAC (Concepția Fabricației Asistată de Calculator).

integrarea echipamentelor periferice (dispozitive pentru măsurarea sculelor, manipulatoare, roboți etc.) sau integrarea MUCN în ansamble automatizate (celule flexibile, linii de fabricație).

În paginile următoare, sunt prezentați timpii efectivi de producție pentru diverse mașini, în funcție de gradul lor de automatizare și numărul de ore de disponibilitate dintr-un an calendaristic.

Se observă în figura 6 că o mașină unealtă prelucrează propriu-zis doar 10-15% din timpul efectiv de producție, diferența până la 100% fiind timpi pentru reglat, poziționat, schimbat sculă sau piesă. Automatizarea și comanda numerică a permis creșterea de la 15% la 35% a timpului real de așchiere. Schimbarea automată a sculelor, reglajul automat și schimbare piesei la sfârșitul procesului de prelucrare a condus la un timp real de prelucrare propriu-zis de aproximativ 65%. Evident, această analiză a ignorat durabilitatea sculei și opririle din motive de pană sau organizare.

Figura 6. Productivitatea pentru diverse categorii de MU funcție de automatizare

Relativ la aportul tehnic și economic al comenzii numerice, se pot concluziona următoarele:

– comanda numerică permite progresul spre excelență în fabricație pentru că ea asigură: precizie ridicată, repetitivitatea ei, fiabilitate – flexibilitate și calitate, indispensabile într-o economie de piață.

– comanda numerică asigură fabricație de piese cu eforturi materiale și financiare minime.

1.3. Principiul de funcționare a MU cu comandă numerică

În funcție de mijloacele puse la dispoziție tehnologului, acesta realizează programul de execuție pe MUCN, prin una din metodele:

manual, prin analiza și calculul traiectoriei sculelor și redactarea unui program în limbaj CN. Acest program poate fi scris direct pe tastatură sau poate fi editat în funcție de mașina utilizată (memorie RAM)

utilizând un calculator ajutat de un postprocesor (program de traducere sintaxă) și un program pentru editarea programului ce va fi adoptat, transformat prin postprocesor la nevoile mașinii (cazul de față).

Programul în comandă numerică a mașinii este realizat în raport cu triedrul triortogonal drept de referință, ales de programator, denumit „originea programului O” cu originea într- un punct singular în raport cu care se definesc cotele punctelor caracteristice ale traiectoriilor sculelor. Acest sistem de referință indică în mod egal și orientarea semifabricatului pe masa mașinii. Programul descrie tipul operației ce urmează a se efectua, traiectoriile de asigurat pentru scule sau localizarea operațiilor de prelucrare, numărul sculei și condițiile de operare. Programul este deci o succesiune de instrucțiuni bine definite sau astfel spus nimic nu este lăsat la întâmplare.

Figura 7. Reglajul originii programului pentru frezare

Pentru a realiza un program corect, operatorul pe mașina-unealtă cu comandă numerică (MUCN) trebuie:

– să poziționeze corect semifabricatul în sistemul referențial de axe al mașinii, respectând orientarea stabilită de programator și urmărind ca traiectoriile programate să nu iasă în afara suprafețelor de lucru ale mașinii;

– să stabilească cu acurateșe poziția originii O în raport cu reperul legat de masa mașinii, care este de obicei originea dispozitivului de măsură.

– să poziționeze originea programului O și originea piesei OP astfel incât acestea să coincidă – originea piesei este punctul unei piese brute, modelul sau începutul prelucrării.

Figura 8. Sistemele de coordonate ale mașinii și ale piesei

1.4. Structura unei mașini unelte cu comandă numerică

O mașină cu comandă numerică este înainte de toate o mașină unealtă de precizie. Asociată la o comandă automată de calitate, tehnologia unei mașini CN nu este simplă: o atenție particulară se acordă rigidității, reducerii frecărilor și controlul adaptiv al forțelor de așchiere și inerție înainte de a executa mișcări frecvente cu viteze și accelerații ridicate.

Pentru realizarea deplasărilor, marea majoritate a constructorilor de mașini-unelte au adoptat ghidajele pe glisiere cu galeți și antrenarea prin șuruburi cu bile pretensionate.

Directorul de comandă

Toate comenzile numerice sunt cu microprocesor încorporat fie integral în directorul de comandă, fie aparținând unui calculator situat în tabloul de comandă al mașinii în comandă directă. Legătura între partea informatică proprie și mașină este asigurată printr- un automat programabil are asigură gestiunea captorilor și acționărilor prin programe specializate care asigură controlul și deservirea axelor.

Fiecare linie din program cuprinde mai multe instrucțiuni relative, fie la deplasări, fie la condițiile de operare. Directorul de comandă cunoscând poziția actuală a sculei în raport cu piesa, calculează punctele intermediare pentru atingerea punctelor definite în blocul de instrucțiuni. Ordinul de deplasare se execută transmițând la axe succesiunea de schimbări de viteză care generează, prin micro-deplasări consecutive, deplasarea globală programată. Aceste valori sunt calculate de interpolatoare de axe.

Interpolarea

Pentru a prelucra un profil de piesă care nu este paralel cu nici una dintre axe este necesar să se realizeze deplasări simultane și sincronizate pe mai multe axe.

Figura 9. Principiul de punere în poziție prin interpolare

În scopul de a nu fi obligat să codificăm în program, toate punctele unei curbe în vederea realizări punct cu punct, directorii de comandă au fost dotați cu interpolatoare, adică cu instrumente de calcul, care plecând de la coordonatele a două puncte (de plecare și de sosire) calculează un număr mare de puncte intermediare într-o manieră în care traiectoria sculei să fie efectuată cu o precizie fixă depinzând de performanțele calculatorului utilizat și de calitatea părții operative (variatoare, traductoare etc.).

Toate mașinile oferă astăzi posibilități de interpolare liniară și care sunt materializate prin funcțiile G1, G2 sau G3 fără mașinile „punct cu punct” utilizate la găurire, sudare punct cu punct etc.

Figura 10. Interpolarea liniară și circulară

Traductoare de poziție și viteză

Precizia susceptibilă a fi atinsă pe MUCN este dependentă de precizia de măsurare a poziției sau, altfel spus, de controlul deplasărilor. Pe mașinile de calitate, directorul de comandă cunoaște poziția de atins și poziția reală a elementului mobil. Aceste valori sunt comparate, pentru a deduce deplasarea de efectuat.

Natura acestui program (abaterea între poziția proiectată și cea reală) depinde de natura traductorilor de poziție utilizați: care pot fi de natură analogică, cu traductori inductivi (rigle INDUCTOSIN), sau de tip numeric (variația prin increment), cu traductoare optice (discuri sau rigle gradate).

Figura 11. Măsurarea directă a poziției la o mașina CNC

1 – motor; 2 – masă; 3 – sistem de măsurare; 4 șurub cu bile; 5 – piuliță specială

Pentru a îmbunătăți poziționarea și traiectoria, este convenabil, de asemenea, să se controleze viteza de deplasare, captorul de viteze putând fi de 2 tipuri: analogic dacă se utilizează un dinamometru, sau incremental prin descompunerea impulsurilor luminoase plecând de la un disc perforat sau cu dinți periferici.

Figura 12. Schema de principiu a deservirii axelor

Eroarea de urmărire sau de avans

Pentru deplasarea în lungul unei axe, întârzierea dinamică antrenează un ușor decalaj în timpul dintre ordinul de execuție și execuția propriu-zisă, ceea ce nu are nici un efect asupra poziției așteptată de respectiva acțiune. Pentru toate deplasările care nu au loc parale cu axele, aceste întârzieri dinamice antrenează o deformare a traiectoriei reale, în raport cu traiectoria programată, funcție de viteza de deplasare.

Figura 13. Abaterea traiectoriei reale executată de sculă față de traiectoria programată

Pentru a remedia acest decalaj (abaterea) se utilizează o buclă de feed-back pentru a face să varieze câștigul de accelerație dintr-un lanț de deservire a unei axe.

Structura generală a limbajului cod

Programul este constituit dintr-o suită de acțiuni total definite, linie cu linie, fiecare linei constituind un bloc de informații denumit „frază”. Fiecare bloc cuprinde cuvinte care constituie o informație, fiecare cuvânt începe printr-o adresă care dă un sens fizic datelor numerice care urmează. De exemplu X 25,30 – semnifică o deplasare după axa X la cota 25,3 mm, iar S 1000 înseamnă că turația pentru arborele principal este de 1000 [rot./min]. Adresa asigură fără ambiguitate identificarea informației și separarea cuvintelor.

Începutul de program este menționat prin utilizarea simbolului „%”. Comentariile ca definițiile explicite de nume de piese, pot, în cazul anumitor directoare de comandă, să fie menționate utilizând un simbol distinctiv, de exemplu punându-le între paranteze. Fiecare frază poate începe printr-un cuvânt-număr (litera „N” urmat de un număr, ex. N10). Număr de frază pentru a efectua bucle în program și astfel să evităm să rescriem anumite părți. De asemenea, el servește pentru a indica utilizarea modului „căutarea numărului de secvență” care permite demararea unui program pe secvențe, altul decât cel de început.

Adresele utilizate uzual în componența unei fraze sunt:

• N – pentru număr de bloc;

• G – pentru funcții preparatorii;

• X, Y, Z – pentru coordonatele principale ale punctului de atins;

• A, B, C – pentru coordonate unghiulare;

• u, v, w – pentru deplasări secundare paralele cu axele X, Y, Z;

• i, j, k – pentru coordonatele centrului cercului sau a unui arc la interpolare circulară;

• S – pentru turația arborelui principal;

• F – pentru viteza de avans;

• T – pentru a desemna scula: numărul sculei este definit prin două cifre, număr de registru unde sunt numerotate, mărcile de scule,

• M – pentru funcții auxiliare

Sub forma cea mai generală, o frază are formatul următor:

Datele numerice alocate fiecărei funcții din frază depind de tipul echipamentului numeric specificat în manualul de programare. Coordonatele liniare pot fi programate cu o precizie de 1 µm iar cele unghiulare cu o miime de grad.

Funcțiile preparatorii

Definesc apelul programului curent încărcat în directorul de comandă în vederea executării unei acțiuni bine definite. Ele sunt toate apelate prin adrese de tip „G„ urmate de un număr din intervalul [0 – 100]; de exemplu G01 sau G1 apelează programul de interpolare liniară, atunci când se dorește interpolarea circulară – G2 sau G3 (după cum se dorește în sens trigonometric sau invers trigonometric).

Anumite funcții pot defini informații care figurează în aval de apelare: de exemplu G90 care indică coordonatele care urmează citite sunt în valoare absolută, sau G91 care înseamnă că valorile coordonatelor sunt relative.

Este cazul funcției „G4” utilizată pentru definirea timpului de temporizare a unei acțiuni. Funcția „G4” poate apărea în program și ca funcție de anulare a unei alte funcții preparatorii.

Exemplu:

Figura 14. Timpul de temporizare al unei acțiuni

Observație:

– cuvintele cu F … și S … sunt utilizate pentru temporizare doar în bloc cu G4;

– orice avans F… și turație S… programată rămân active.

Funcții „G” definind natura deplasării

G00 – deplasare rapidă (paralelă cu axele sau la 450). Deplasarea se efectuează cu viteză maximă numai la distanțe mari. La distanțe mici nu se poate ajunge la regim de deplasare rapidă datorită timpilor de accelerare și decelerare.

Figura 15. Specificații pentru o interpolare circulară

G01 – interpolare liniară cu avans de lucru – definită cu ajutorul controlului deplasării printr-o procedură de interpolare.

G02 – G03 – interpolare circulară cu avans de lucru în planele XY, YZ sau ZX. Deplasarea se face după un arc de cerc parcurs în sens orar dacă este apelată funcția G02 și în sens anti-orar dacă este apelată funcția G03. în plus coordonatele punctelor de realizat pot fi calculate după o procedură trebuind doar să fie indicate raza cercului (cu adresa R) și punctele centrului de interpolare (i, j, k).

Apelarea uneia dintre aceste funcții revocă (anulează) celelalte funcții „G” care sunt în acțiune.

Funcții „G” pentru definirea planului de interpolare

G17, G18, G19 – permit alegerea planului de interpolare circulară în care se face și corecția sculei (de rază și lungime). Aceste plane sunt respectiv XY, YZ, ZX iar axa arborelui principal a mașinii-unelte se orientează după normala la planul indicat.

Figura 16. Alegerea planului de interpolare la frezare

Funcția „G” pentru poziționarea optimă a sculei în raport cu piesa

Între profilul geometric teoretic și cel real descris de axa sculei la prelucrare există o abatere. Ea apare la frezare, de exemplu, când se programează originea reperului legat de sculă (situată pe axa sculei) iar prelucrarea se face cu partea cilindrică exterioară.

Comenzile numerice actuale permit efectuarea unor calcule și corecția poziției punctului de referință a sculei în raport cu conturul piesei.

Figura 17. Necesitatea corectării traiectoriei sculei în raport cu profilul piesei

G41, G42 – apelează astfel de funcții de calcul și corecție a traiectoriei sculei în raport cu profilul piesei de prelucrare.

Funcția G40 – corecție de rază – definește poziția axei sculei la frezare în raport cu profilul piesei sau poziția punctului fictiv la strunjire. Funcția G40 este programată asociat cu funcțiile G41 și G42.

– G41 poziționează scula la stânga profilului piesei;

– G42 poziționează scula la dreapta profilului piesei;

– G40 este funcția de anulare corecție poziție comandată prin funcțiile G41 și G42

Figura 18. Poziționarea sculei în raport cu piesa

Angajarea sculei în lucru simultan cu corecția sculei:

a) angajarea după o dreaptă

Figura 19. Angajarea după o dreaptă

b) angajarea după un cerc

Figura 20. Angajarea după un cerc

Pentru unghiuri ascuțite exterioare trebuie realizată o reajustare a traiectoriei plecând de la un unghi determinat de fiecare constructor. Această traiectorie suplimentară va asigura pivotarea în jurul vârfului inducând un arc de cerc de racordare delimitat de cele două normale, figura 21, dacă nu utilizând traiectoriile decalate paralel cu cele două laturi ale unghiului, până în punctul lor de intersecție, caz în care drumul parcurs de sculă este mai mare și deci timpii de lucru au valori majorate și un risc de coliziune cu alte suprafețe ale piesei ridicat.

Figura 21. Corecția traiectoriei la intersecția a două segmente

Pentru unghiuri obtuze interioare trebuie limitată traiectoria decalată înainte de a fi atins punctul situat pe normala trasată la extremitatea segmentului. Această limită, în cazul unui unghi format din două drepte, se găsește pe bisectoarea unghiului. Pentru un unghi definit printr-o dreaptă și un arc de cerc, traiectoria liniară decalată trebui să fie limitată la intersecția dintre dreaptă și raza suprafeței concave.

Figura 22. Decalajul traiectorie în cazul unghiurilor obtuze interioare

La majoritatea directoarelor de comandă aceste proceduri de calcul a traiectoriilor decalate sunt satisfăcute dacă dimensiunea elementelor succesive ale conturului nu este prea mică în raport cu raza introdusă pentru corecție. Această situație nu poate fi rezolvată în cazurile practice.

Figura 23. Tipuri de contururi care ridică probleme comenzilor numerice actuale

Este convenabil deci de a corecta valorile programate cum este indicat în figura 24. Această corecție este luată în calcul automat pe MUCN.

Figura 24. Influența corecției sculei asupra vitezei de avans

Corecția în spațiu

Când așchierea suprafețelor se face prin interpolare liniară succesivă, programul trebui să conțină în plus coordonatele punctelor în X, Y, Z ale direcției vectorului normal la suprafață, după acest vector se efectuează corecția razei. Această posibilitate nu exista la versiunile inițiale de comandă numerică, apoi au început să fie oferite opțional iar acum întră în programare ca o normalitate.

În acest caz pe lângă coordonatele X, Y, Z și cele ale vectorului normal P, Q, R trebui accesată funcția G29. în cazul în care mașina-unealtă cu comandă numerică este cu mai mult de 3 axe, vom accesa funcția G1 cu 5 adrese:

G1 X … Y … Z … A … B …

X … Y … Z … A … B …

unde punctul astfel pilotat se găsește invariabil pe axa de rotație în continuarea arborelui broșei mașinii.

Dificultatea programării în acest caz rezidă din aceea că trebui ținut cont în calcul corecției atât de elementele anterioare atât de lungimea sculei, vectorul normal la suprafață dar și de vectorul de orientare a axei sculei în jurul vectorului normal,

Figura 25. Prelucrarea pe o mașina-unealtă cu comandă numerică cu 5 axe

Funcțiile pentru fixarea modului de cotare

G90 – informațiile asociate adreselor X, Y, Z, I, J, K vor fi luate în calcul ca și coordonate absolute în raport cu originea programului;

G91 – informațiile asociate adreselor X, Y, Z, I, J, K vor fi luate în calcul ca și coordonate relative în raport cu originea programului;

Figura 26. Programarea deplasărilor absolute și relative

În prima frază care se referă la sculă, se poate lua originea-măsură pe axa B fără riscul coliziunii între sculă și piesă (absența valorii după aceste adrese în continuare în program se ia valoarea nulă pentru originea-măsură.

Funcțiile de deplasare a originii sistemelor de axe

G92 – această funcție permite să se modifice în cursul execuției programului, poziția originii OP, adică poziția sistemului de axe în spațiul de lucru. Acest lucru răspunde la două necesități:

a) mai multe piese pot fi montate pe mașină, fiecare dintre ele având sistemul lor de axe asociat. În momentul redactării programului, programatorul nu cunoaște încă poziția piesei în spațiul de lucru. Anumite comenzi îi vor da posibilitatea de a face apel la funcțiile G (G54 și G59 la Siemens, Fanuc etc.) care vor activa în momentul execuției registrele din memorie. Aceste registre vor fi completate de operator în timpul reglajelor .

b) pentru simplificarea programării, sunt adesea utilizate astfel de sisteme de axe, de exemplu în funcție de tipul de cotare (absolută sau relativă). Această situație este indicată în două tipuri de programe:

– la indicarea poziției originii alese în raport cu poziția instantanee a punctului caracteristic de reglare a sculei. Aceste decalaje pot fi invalidate prin funcția G53 apoi revalidate prin G54.

Figura 27. Luarea în considerare a diverselor decalaje

Funcții diverse

G9 – funcția decelerare – accelerare – este utilizată la tranzițiile de contur în scopul reducerii erorilor ce pot rezulta în astfel de situații.

Funcții de oprire M00, M01, M02, M30

Funcțiile auxiliare servesc la definirea întreruperilor de program și acțiunilor generate automat. Principalele grupe sunt:

M00 – oprește programul arborelui principal, la sfârșit de program. Ea permite intervenția operatorului, de exemplu pentru a modifica prinderea sau pentru a controla un anumit lucru.

Figura 28. Reducerea erorii de urmărire a conturilor prin utilizarea funcției G9

M01 – oprire facultativi (trebuie validată de operator de la pupitrul de comandă),

M02 – sfârșit de program (de lucru) – reinițializează sistemul și șterge registrele.

M30 – este identic cu M2 dar antrenează întoarcerea la primul bloc al programului.

CAPITOLUL 2. SISTEME DE PROIECTARE ȘI PRODUCȚIE CAD / CAM

2.1 Sisteme CAD/ CAM

Ambele sigle provin de la denumirea din engleză, pentru proiectare se folosește C.A.D. (Computer Aided Design), iat pentru productie se folosește C.A.M. (Computer Aided Manufacturing).

Proiectarea și productia asistata de calculator, numite în comun CAD/CAM, reprezintă o tehnologie care s-ar putea descompune în numeroase discipline: designul grafic, operarea bazelor de date pentru proiectare și fabricare, controlul numeric al mașinilor instrumentelor, robotica și viziunea computerizată.

Cronologic, CAD a început ca o inginerie tehnologică computerizată, în vreme ce CAM reprezintă o tehnologie semiautomata pentru controlul numeric al mașinilor. Însă aceste două discipline au fuzionat și au condus la apariția unei tehnologii care reprezintă suma celor două, astfel încât sistemele CAD/CAM sunt asimilate în zilele noastre, unei discipline unice.

Evoluția sistemelor CAD/CAM a fost următoarea:

SISTEME PIS. (Sistem de Informație de Imagini)

Un sistem de acest tip este o formă specială de sistem de informare care permite manipularea, înmagazinarea, recuperarea și analiza datelor de imagini. Lista noilor aplicații în procesul digital de imagini a crescut prin includerea CAD-ului interactiv procesarea de date geografice, senzori la distanță pentru studierea resurselor pământului, procesarea datelor referitoare la economia agricolă, aplicații în cartografie și în realizarea hărților.

SISTEME CATVI. (Analiza Imaginilor Variabile în Timp)

Sistemele CATVI cuprind metode și tehnici de procesare a imaginilor variabile în timp, cu scopul de a găsi diferențele dintre secvențele unei scene transmise printr-un senzor de vizualizare și înmagazinate într-un calculator și care sunt cauzate de mișcarea obiectelor sau a senzorului

SISTEME FMS. (Sistem Flexibile de Fabricație)

Arhitectura rețelei de calculatoare într-un FMS este ierarhică și are trei niveluri. Un calculator principal, are control asupra sistemului de calculatoare, iar al doilea nivel de calculatoare subordonate nivelului principal se numește Modul de Control Numeric, care supervizează operațiile utilajului. Nivelul cel mai scăzut de control prin calculator este sistemul de Control Numeric Computerizat care este legat direct utilaj.

SISTEME AM. (Productie Autonomă)

Sistemele AM relationate cu metodologiile de luare a deciziilor necesare pentru planificare și control. AM-urile se pot descompune în două niveluri, Productie și Celula de Productie

SISTEME ISIS. (Sistem de Inteligență Artificială)

Este sistemul capabil să soluționeze problema întocmirii precise și în timp util a inventarelor reale și de a le gestiona într-un mediu industrial

CELULE TRANSPORTABILE

Este un sistem proiectat pentru a folosi o mare varietate de mașini (fiecare comunică cu sistemul în diferite limbaje), coordonandu-le și operand cu ele fără erori.

Figura 29. Evoluția sistemelor CAD/CAM

2.1.1. Sisteme CAD

Tehnologia CAD se adresează centrelor tehnice și de proiectare pentru diverse sectoare de activitate: metalurgic, mecanic, electronică, textil și altele.

Folosirea tehnologiei CAD presupune schimbarea modului de abordare a desenului tehnic. Înaintea apariției acestei tehnologii proiectanții folosind creionul, hârtia și o planșetă.

Astfel, un calculator, pe care este instalat un program CAD, permite să se creeze, să se rotească și să se reprezinte obiectele în două și/sau trei dimensiuni. Această revoluție în domeniul proiectării a fost rezultatul evoluției informaticii.

Îmbunătățirile care s-au obținut constau în:

Îmbunătățirea în ceea ce privește reprezentarea grafică a obiectului proiectat: cu CAD, modelul poate să apară pe ecran ca o imagine realistă, în mișcare și care poate fi vizualizată din mai multe unghiuri. De asemenea, desenele realizate pot fi imprimate pe hârtie pană la tipul de format „A0” prin intermediul unui dispozitiv de imprimare numit „plotter”.

Îmbunătățirea procesului de proiectare: se pot vizualiza detaliile modelului, se pot verifica punctele de atingere dintre piese, se pot interoga distanțele, greutatea, inerțiile, etc.

În concluzie, se optimizează procesul de proiectare a unui nou produs reducând costurile, câștigând calitate și scăzând substanțial timpul de proiectare. Pe scurt, se obține o mai bună productivitate în trasarea planurilor, interogarea cu alte etape de proiectare, o mai bună flexibilitate, o mai mare ușurință în ceea ce privește modificarea proiectului, ajutor la standardizare, diminuarea revizuirilor și un mai bun control al procesului de proiectare.

Un program CAD nu numai că dispune de instrumentele de creare a suprafețelor, ci dispune și de posibilități de analiză și verificare a acestora, înțelegând că suprafețele corecte sunt acelea care au legături continue între ele în ceea ce privește tangența și curbura, și nu conțin zone în care s-a pierdut continuitatea curburii.

Totuși, dacă nu este posibilă detectarea tuturor defectelor, în multe cazuri este recomandat să se fabrice un model real al piesei pentru a putea analiza mai bine rezultatul obținut, mai ales pentru cazurile în care, plecând de la suprafețele create în CAD, se proiecteaza forma. Pentru a fabrica aceste modele se folosesc tehnologii de fabricare rapidă a prototipurilor.

Pe lângă verificarea suprafețelor, un program CAD avansat permite trasarea suprafețelor paralele cu cele create. De exemplu, în cazul pieselor cu grosime uniformă cunoscută, se generează învelișul intern al piesei plecând de la învelișul extern.

În practică sunt întâlnite 2 tipuri de sisteme CAD, și anume:

Computer Aided Drafting

Sunt sisteme CAD vechi sau mai precis sisteme CAD de bază, elementare. Caracteristicile lor principale sunt:

Lucrează în 2D.

Se folosesc in special pentru crearea planurilor.

Se pot face reprezentări 3D, dar în aceste prezentări se pot vizualiza numai muchiile pieselor (sunt modele mobile sau wireframe).

Rezultatele obținute nu sunt direct aplicabile programelor CAE pentru calcularea elementelor finite

Computer Aided Design

Sunt sistemele CAD actuale. Caracteristicile lor principale sunt:

Lucrează cu solide în 3D.

Piesele sunt construite virtual prin extruziuni, golire,etc. și nu fac doar o simplă reprezentare a piesei, cum se întâmpla la sistmele CAD vechi.

Se pot obține planuri (vederi 2D) cu ajutorul planurile de proiecție.

Se pot obține secțiuni ale piesei.

Se pot obține roprietăți de asă ale iesei onstruite greutate, centru de gravitație, momente de inerție, etc.)

Au o interfață simplă cu programe CAM și CAE,

Pot prezenta o interfață simplă cu programe de calcul pentru elemente finite.

În anumite cazuri, au deja integrat un modul de CAM și de CAE, ceea ce ușurează proiectarea rapidă a pieselor

Astfel, pe baza celor prezentate anterior, se va prezenta itinerariul urmat în vederea proiectării unei piese ipotetice comandate de către un beneficiar.

Pentru început s-au primit detaliile tehnice referitoare la piesă, respectiv piesa de matrițat prezentată în figura 31. Această piesă se regăsește în componența unui subansamblu (figura 30) utilizat pentru un dispozitiv de găurire-filetare.

Figura 30. Subansamblu dispozitiv de gaurit si filetat

Piesa trebuie obținută prin matrițare la cald, deci, prin urmare, sarcina ce a revenit a fost de proiectare a celor două semi-matrițe.

În vederea verificării funcționalității subansamblului de realizat, beneficiarul a solicitat executarea modelelor semi-matrițelor din lemn pentru a putea avea posibilitatea elaborării unei piese – eșantion, considerându-se că validarea doar prin simulare nu este suficient de concludentă.

Figura 31. Piesa de matrițat

Trebuie menționat că forma piesei de matrițat a fost furnizată de către beneficiar sub forma unui desen tehnic (Autocad 2d, fișier cu extensia DXF, figura 32), pe baza căruia s-a realizat modelul cu canale de bavură în mediul Autodesk Inventor, software care permite proiectarea reperelor 3D, beneficiind de o interfață prietenoasă, obținându-se piesa din figura 33.

Figura 32. Fisierul format 2D

Modelarea piesei a pornit de la importarea profilelor 2D într-unul din planele determinate de axele de referință, după care piesa 3D este obținută prin extrudare si teșirea muchiilor. Modelul tridimensional obținut, complet parametrizat, reprezintă primul pas spre obținerea prototipului virtual, care poate fi testat prin simulări dinamice și interactive.

Figura 33. Piesa de matrițat în format 3D

După importarea conturului exterior, primul pas a constat în definirea grosimii semifabricatului din care se va executa semi-matrița. Aceasta operație s-a efectuat accesând comanda Extrude din meniu. (figura 34).

Figura 34. Definirea corpului semi-matriței

S-a procedat apoi la importarea profilelor contururilor situate pe suprafața piesei.(figura 35).

Figura 35. Importarea piesei din format 2D

Definirea canalelor s-a efectuat utilizând aceeași funcție Extrude, pentru fiecare profil procedându-se în mod similar (figura 36).

Figura 36. Comanda Extrusion pentru profile selectate

Operația următoare efectuată a fost de realizare a razelor de racordare la canalele obținute. Astfel, după selectarea profilului dorit din structura arborescentă, s-a apelat comanda Filet, s-a selectat meniul Constant, modul Edge, apoi s-a precizat dimensiunea razei de curbură, oprațiunea fiind finalizată prin apăsarea butonului OK (figura 37).

Figura 37. Executarea teșirilor muchiilor utilizând comanda Filet

In final, după efectuarea multiplelor raze de racordare, executate în mod similar cu cel descris mai sus, s-a obșinut modelul 3D al semimatriței (figura 38).

Figura 38. Piesa de executat pe mașina CNC BZT

Verificarea s-a efectuat accesând meniul Derived Assembly prin extragerea piesei de matrițat din corpul matriței (figura 39).

Figura 39. Proiectarea corpului matriței prin extragerea modelului

S-a procedat la selectarea planului median al piesei de matrițat, plan care coincide cu planul de contact al celor două părți ale matriței și s-a procedat la împărțirea acesteia în cele două semi-matrițe componente.

Figura 40. Semimatrița superioară și inferioară

2.1.2 Sisteme CAM

Concret, ingineria CAM se referă la sistemele informatice care ajută la generarea programelor de Control Numeric necesare pentru fabricarea piesele la utilaje cu CNC. Plecând de la această informație a geometriei piesei, de la tipul de operație dorită, de la instrumentul ales și de la condițiile de tăiere definite, sistemul calculează traiectoriile instrumentului pentru a obține o mecanizare corectă, și printr-o post-procesare, generează programele corespunzătoare de CN cu codificarea specifică CNC unde se vor executa. În general, informația geometrică a piesei provine de la un sistem CAD, care poate să fie sau nu integrat cu sistemul CAM.

Figura 41. Mediu informatic CAM

Dacă nu este integrat, respectiva informație geometrică este introdusă prin intermediul unei interfețe grafice. Ca alternativă, unele sisteme CAM dispun de instrumente CAD care permit utilizatorului să introducă direct geometria piesei însă, în general, nu sunt atât de agile ca instrumentele unui sistem propriu al CAD

Unele sisteme CAM permit introducerea informației geometrice a piesei plecând de la un nor de puncte corespunzătoare suprafeței piesei, obținute printr-o procesare digitală prealabilă. Calitatea suprafețelor procesate depinde de densitatea de puncte digitalizate. Totuși, chiar dacă această metodă scurtează timpul necesar pentru a fabrica prototipul, în principiu nu permite reproiectarea piesei inițiale, detaliile necesare executării neprezentând suficientă acuratețe.

Utilizarea mai recentă a CAM într-un proces de inginerie inversă are ca scop obținerea prototipurilor, care se folosesc în principal pentru verificarea conformității suprafețelor create când acestea sunt critice. De asemenea, este posibil, de exemplu, să se înceapă proiectarea și fabricarea matriței simultan cu proiectarea piesei care se dorește a se obține cu ajutorul matriței, plecând de la suprafața externă a piesei proiectându-se în același timp partea internă a acesteia.

2.2 Fabricarea pieselor utilizând mașina BZT PFE 500

Mașinile PFE (Figura 42) produse de firma germană BZT, reprezintă modalitatea ideală de trecere către producția industrială, acestea fiind special dezvoltate pentru frezare, gravură, fabricarea de prototipuri, precum și pentru fabricarea de diferite produse utilizate în industria publicitară.

Figura 42. MUCN BZT PFE 500

Dotate cu motoare liniare pas-cu-pas produse de firma Bosch și cu arbori cu bile pentru toate axele, aceste mașini-unelte pot asigura o frezare precisă (eroarea garantată de producător la repetabilitate de 0,01mm), iar cadrul de oțel robust asigură o operare fără vibrații generate chiar și la viteze mari de deplasare a capului de lucru. Raportul calitate-preț, alături de profitabilitatea și eficiența pe care BZT le-au realizat pentru seria de mașini PFE, fac din aceasta un bestseller absolut. Mașina BZT PFE 500 poate fi folosită pentru frezarea obiectelor în 3D din metale neferoase, plastic sau lemn, precum și, la fel de bine, pentru modele sau gravuri în 2D și 2,5D, sau alte prototipuri.

Datele tehnice ale mașinii BZT PFE 500 sunt prezentate în tabelul 1.

Tabel 1. Caracteristici tehnice BZT PFE 500

În vederea scrierii limbajului cod pentru executarea semimatriței pe mașina cu comanda numerică BZT PFE 500 s-a utilizat mediul informatic Powermill.

S-au avut în vedere pentru elaborarea programului de prelucrare obținerea unei perioade de timp de prelucrare cât mai mică, rugozitatea suprafeței obținute să fie cât mai redusă, dimensiunile să se încadreze în limitele de toleranțe admise. Totodată, s-au studiat temeinic diferitele strategii de prelucrare.

Pașii urmați au fost după cum urmează:

Setarea originii piesei

Este cel mai important pas, dat fiind faptul că în eventualitatea unor setări necorespunzătoare, piesa obtinută nu va fi simetrică.

Figura 43. Setarea originii

Forma semifabricatului

Configurația geometrică a semifabricatului ce va fi utilizat pentru obținerea piesei poate fi creată în VisualMill sau poate fi importată dintr-un fișier extern. Sunt compatibile modele STL, Parasolid XT, VRML, Raw Triangle, DXF / DWG sau Rhino Mesh, precum și suprafețe IGES sau Rhino

3DM.Semifabricatului din care se obține piesa, poate fi, după necesități:

cilindric

prismatic

model 3D,etc.

Figura 44. Setarea formei semifabricatului

Setarea regimului de așchiere

Stabilirea vitezelor diferitelor mișcări de lucru și de poziționare presupune apelarea comenzii Set Feeds/Speeds din meniul Feeds/Speeds sau cu pictograma corespunzătoare de la eticheta MOps a Browser-ului. În fereastra comenzii, există posibilitatea de a modifica unele valori implicite sau de a le păstra (figura 44), în raport cu condiționările pe care le implică procesul tehnologic de prelucrare proiectat. Valorile selectate vor fi utilizate la post-procesarea traiectoriilor sculei.

Rotație S [rot/min]

Avans (radial, axial) F[mm/min]

Viteză de așchiere V[m/min]

Avansul pe rotație f [mm/rot]

Figura 45. Setarea regimului de aschiere

Particularizarea valorilor vitezelor de așchiere și de avans iau în considerare materialul semifabricatului, materialul sculei și tipul operației, existând posibilitatea salvării valorilor alese într-un fișier, în vederea utilizării viitoare. În directorul Data, se găsește un fișier fără extensie, FEEDSPEEDS, ce conține un tabel cu valori implicite determinate în raport cu elementele de intrare precizate, ce poate fi utilizat pentru selecția vitezelor de așchiere și a avansurilor.

Setarea nivelurilor de siguranță

Figura 46. Setarea nivelurilor de siguranță

Alegerea tipurilor de strategii de lucru ale sculei:

Degrosare (se folosește 3D Area Clearance);

Finisare (se folosește Constant Z Finishing, Offset Flat Finishing, Corner automatic Finishing) ;

Gaurire (se folosește Drilling, Tapped, Screws) .

Figura 47. Alegerea tipurilor de strategii de lucru ale sculei

Setarea traiectoriilor sculei:

Toleranța traiectoriei;

Adaosuri (axiale-radiale) ;

Adâncimea de așchiere;

Suprapunere la frezare;

Metoda primului pas;

Metoda de intrare;

Metoda de ieșire.

Figura 48. Setarea traiectoriilor sculei

Programul dispune de un set relativ numeros și variat scule pentru frezare și găurire. Pentru fiecare dintre acestea pot fi prestabilite parametrii standard APT: diametrul, raza de colț, conicitatea, lungimea părții active și lungimea totală. Vizualizarea sculelor definite poate fi făcută alegând eticheta Tools din fereastra Browser. Există și posibilitatea folosirii unui set de scule salvate într-un fișier extern.

Parametrii și forma sculei așchietoare:

tipul sculei;

diametru;

raza vârfului sculei;

numărul de dinți;

lungimea;

datele de așchiere etc.

Figura 49. Parametrii și forma sculei așchietoare

Optimizarea traiectoriei sculei

Dupa setarea parametrilor corespunzătoari, calculatorul construiește traiectoria sculei, cu ajutorul programului PowerMill.

Figura 50. Optimizarea traiectoriei sculei

Traiectoria sculei, cea generată implicit de program poate fi optimizată. La programe ce dureaza mai multe ore/zi,este necesară o atenție sporită.

Cu ajutorul programului PowerMill se poate efectua inclusiv simularea întregului program de lucru sau doar a traiectoriei sculei, cea ce ușurează depistarea erorilor, corectarea și verificarea corecțiilor efectuate.

Figura 51. Simulare degroșare cu freza 12mm

Simularea traiectoriilor se face imediat după crearea acestora. Sunt posibile două modele de simulare, Voxel și Polygonal. Modelul Voxel utilizează linii de grilă pentru reprezentarea semifabricatului și permite o simulare mai rapidă. Simularea Polygonal este reală, utilizează modele reale ale formei semifabricatului și, prin urmare, este mulr mai lentă.

Figura 52. Simulare finisare cu freza 6mm

Finalizarea simulării are ca rezultat vizualizarea modelului semifabricatului, rezultat după operațiile de așchiere, precum și modificarea pictogramei traiectoriei afișate la eticheta Stock. Acest model va fi utilizat ca semifabricat inițial pentru simularea traiectoriilor operațiilor de frezare ulterioare.

După crearea și simularea traiectoriilor sculelor pentru toate operațiile itinerarului tehnologic de realizare a piesei, se poate recurge la compararea modelului rezultat după prelucrare cu modelul piesei, cu ajutorul pictogramei Compare Part/Stock (figura 52).

Figura 53. Lansarea opțiunii de comparare Compare Part/Stock

În fereastra Part/Stock Comparision, în caseta Tolerance Band se stabilește valoarea absolută a abaterilor admisibile, câmpul de toleranță prescris fiind considerat simetric. În interiorul acestui câmp de toleranță se stabilesc abateri limită, intervalelor de abateri astfel obținute atașându-li-se câte o culoare diferită.

Executând click pe butonul Apply, diferitele zone prelucrate prin frezare se vor colora corespunzător intervalelor de abateri prescrise, în care se încadrează valorile efective ale abaterilor. În figura 53, întreaga suprafață frezată se încadrează în domeniul zero (0,033, –0,033), fiind colorată în concordanță cu acest lucru.

Figura 54. Rezultatele comparării semifabricatului prelucrat cu piesa

Post-procesarea

După generare, traiectoriile sculelor pot fi post-procesate, programul permițând selectarea post-procesorului specific controller-ului mașinii, dintr-o listă pusă la dispoziție de acesta. Traiectoriile pot fi procesate individual sau simultan.

Figura 55. Post-procesarea individuală folosind meniul contextual

Post-procesarea simultană a unei liste de traiectorii este posibilă tot prin folosirea meniului contextual, executând click-dreapta pe directorul rădăcină Machining Operations și alegând comanda Post All

Post-procesorul dorit se alege din lista Select Post Processor și, apoi, se atribuie un nume fișierului de ieșire, cu extensia implicită .nc. Opțiunile implicite ale post-procesorului pot fi, parțial, modificate alegând Post Process / Set Post Options.

CAPITOLUL 3. AMELIORAREA PROCESULUI DE PRODUCȚIE DIN PUNCT DE VEDERE AL PRODUCTIVITĂȚII

3.1 Rezultate experimentale

În timpul simulării se poate seta viteza de lucru a frezei de la 50% până la 300%. În scopul de a accelera procesul de simulare, se pot înlătura mișcările care se produc pe o singură axă. După mai multe verificări si corecții, după alegerea post-procesorului corespunzător a comenzii mașinii BZT, se afișeză programul cod.

Figura 56. Programul cod generat

Există și posibilitatea particularizării parametrilor post-procesorului cu comanda Post Processor Generator a meniului Post Process, prin editarea și salvarea opțiunilor într-un fișier nou, cu extensia .spm. De asemenea, folosind traiectoriile proiectate ale sculei se poate genera un fișier CL în standard APT, acceptat pe scară largă pentru comanda numerică a echipamentelor, pentru care există numeroase post-procesoare comerciale.

Astfel, în cazul de față, verificat și modificat în mod amănunțiț toți parametri procesului tehnologic de fabricare a semimatriței.

Deoarece s-a plecat de la premisa că traiectoriile calculate sunt deja cele optime, nemaifiind posibilă o optimizare a acestora, s-au modificat doar parametrii regimurilor de așchiere.

Calculul regimurilor de așchiere

Viteza de așchiere este parametrul cel mai important al întregului regim de așchiere, deci alegerea valorii sale deține un rol primordial, dat fiind faptul că de modul în care este aleasă viteza de așchiere depinde productivitatea procesului.

Relația de calcul a vitezei de așchiere este:

N- turatia [rot/min]

D- diametrul frezei[mm]

V- viteza de aschiere [m/min]

Figura 57. Calcularea parametrilor procesului

Alegerea vitezelor optime pentru fiecare prelucrare efectuată a însemnat găsirea acelei valori a vitezei care poate satisface două condiții concomitent, și anume:

a) productivitate maximă

b) durabilitate maximă pentru scula de prelucrare

De asemenea, s-au verificat și recalculat atât avansurile de prelucrare cât și vitezele de avans.

Mișcarea de avans, sau avansul, presupune o deplasare între sculă și piesă, notată cu f, având unitatea de măsură [mm/rot]. Pentru fiecare dinte al frezei revine un avans pe dinte egal cu fz care poate fi exprimat in funcție de avansul pe rotație f și numărul de dinți ai frezei z.

Formula de calcul a avansului este:

Formula de calcul a vitezei de avansului este:

Figura 58. Supravegherea procesului de frezare

În tabelul de mai jos se prezintă fișa reperului elaburată de soft-ul mașinii BZT PFE 500.

Tabel 2. Fișa reperului

În cele ce urmează sunt prezentate aspecte ale prelucărilor din diferite faze de lucru.

Figura 59. Degroșare freză 12 mm

Figura 60. Finisare cu freză 6mm cu cap rotund

3.2. Analiza eficienței metodei utilizate

După cum am menționat anterior, deoarece traiectoriilor calculate de program sunt cele optime și nu mai există posibilitatea unei eficientizări, atenția s-a concentrat asupra parametrilor regimului de așchiere, prin modificarea relativ mică a vitezei de lucru, a avansului și a vitezei avansului față de parametri luți în calcul ca DEFAULT (IMPLICIT) de către mediul de programare PowerMill.

Acest lucru este posibil datorită faptului ca în modul IMPLICIT sunt aplicați niște coeficienți generali de calcul pentru asigurarea productivității maxime și mai ales a durabilității maxime a frezei de lucru, valori care pot fi modificate și aduse mai aproape de valorile limită admise.

În cele ce urmează, sunt prezentate atât programele cod pentru fiecare operație cât și valorile celor două situații, Programarea implicită și Programarea revizuită.

Degroșare 12 mm

Figura 61. Program cod pentru degroșare (freza 12 mm)

Tabel 3. Parametri prelucrare degroșare freză 12 mm

Degroșare 6 mm

Figura 62. Program cod pentru degroșare (freza 6 mm)

Tabel 4. Parametri prelucrare degroșare freză 6 mm

Finisare 6 mm cap rotund

Figura 63. Program cod pentru finisare (freza 6 mm)

Tabel 5. Parametri prelucrare finisare freză 6 mm

Finisare 3 mm cap rotund

Figura 64. Program cod pentru finisare (freza 3 mm)

Tabel 6. Parametri prelucrare finisare freză 3 mm

Tabel 7. Centralizator parametri prelucrări

Din ultima linie a tabelului, se pot observa foarte ușor economiile de timp realizate pe fiecare operațiune în parte, toate însumate având valoarea de 25 minute și 31 secunde.

Figura 65. Reprezentarea grafică a economiilor de timp realizate

Figura 66. Verificarea macroscopică

După fabricarea semi-matrițelor, operația finală este de verificare a matrițelor, verificarea făcută în cazul de față macroscopic și cu ajutorul unei mașini de măsurare în cordonate (M.M.C.) tip Metris (figura 65).

Măsurarea este un proces în care mărimea măsurată este comparată cantitativ cu o mărime de referință de același tip.

Din rezultatele unei măsurători pot fi trase concluzii privind:

calitatea suprafețelor obiectului măsurat, de exemplu dacă piesa este conformă sau neconformă, dacă poate fi corectată;

parametrii procesului de prelucrare, de exemplu dacă procesul este adecvat, starea mașinii-unelte, reglarea parametrilor procesului, alegerea sculei;

capacitatea furnizorului de a fabrica produse cu caracteristicile cerute.

Figura 67. Mașina de Măsurat în Coordonate (MMC)

După modelul 3D s-au selectat câteva puncte de palpare. Cu ajutorul punctelor s-a putut efectua setarea originii piesei. După selectarea în mediul virtual a punctelor dorite, mașina de măsurat în cordonate a executat măsurarea semi-matriței în mod automat (81 puncte).

Figura 68. Rezultatele măsurătorilor în format grafic

Rezultatele măsurătorilor se pot vizualiza atât în format grafic (figura 66) cât și tabelar (figura 67), în amândouă moduri rezultatele reliefând diferențele între model și realitate. Valoarea maximă a toleranțelor corespondente a fost 0,087.

Figura 69. Rezultatele măsurătorilor în format tabelar

CAPITOLUL 4. CONCLUZII ȘI PROPUNERI

Înainte de apariția programelor de proiectare, proiectanții se bazau doar pe talent și o bună echipă de desenatori care puteau pe hârtie ideile cu o anumită rigoare. Este probabil că primele programe de proiectare au apărut ca o replică la abilitățile desenatorilor tehnici, având însă avantajul rapidității, ușurinței în folosire și editare.

Odata cu evoluția hardware-urilor, scăderea costurilor calculatoarelor, programele au devenit din ce în ce mai rapide și bazele de date au devenit din ce în ce mai ample, apărând astfel un fenomen de insatisfacție în rândul utilizatorilor, simplul program de desen devenind insuficient. S-a simțit astfel nevoia unui un sistem care să deseneze produsul de la început (schiță) până final (piesă terminată), urmărind câteva reguli de proiectare.

Programarea asistată de calculator a mașinilor-unelte cu comandă numerică are drept obiectiv elaborarea programului-piesă pornind de la planul de operații al reperului ce urmează a fi executat, utilizând pentru aceasta calculatorul electronic în regim conversional.

Dezvoltarea în mai multe direcții a programării asistate de calculator a dus la apariția câtorva zeci de limbaje de programare implementate pe diferite sisteme de calculatoare. În esență acestea cuprind un set de definiri geometrice cu care se poate acoperi, mai mult sau mai puțin satisfăcător, geometria plană (2D) și, parțial, cea în spațiu (3D) și un al doilea set de ordine de mișcare cu ajutorul cărora se generează deplasări ale subansamblelor mobile ale MUCN. Această parte constituie procesorul propriu-zis care generează un set de date într-o anumită formă intermediară.

Pentru ca aceste date să poată fi exploatate în scopul generării unor programe în sensul arătat în exemplele de la paragrafele anterioare, trebuie apelate anumite programe specializate numite postprocesoare sau simulatoare. Acestea preiau informațiile din forma intermediară generată de procesorul propriu-zis și le prelucrează, generând fraze în concordanță cu particularitățile sintactice ale echipamentului de comandă numerică.

Odată cu adoptarea unui nomenclator de repere a căror complexitate impune trecerea la fabricația asistată de calculator, cunoștințele specialiștilor din acest nou domeniu în reglarea mașinilor cu comandă numerică devin foarte importante. Desigur, specialiștii în fabricație asistată nu se vor substitui reglorilor întreprinderii, dar activitatea lor presupune deseori intervenții directe la mașină privind reglarea și operarea acesteia. Ei trebuie să poată asigura reglarea inițială a mașinii și prelucrarea unei piese de probă prin care se validează programul piesă realizat.

Tehnologiile de fabricație moderne sunt preponderent guvernate de sisteme informatice din ce în ce mai performante. Nu mai există o delimitare exactă între domeniile tehnice și cele informatice, pecialiștii din domeniile mecanice și de fabricație trebuie să posede largi cunștiințe de CAD și CAM;

Fenomenul de delocalizare a echipelor de proiectare față de companiile constructoare propriu-zise este în continuă creștere. Echipamentele de producție comandate numeric reduc nevoile de resurse umane. Astfel costurile de fabricație scad și apare nevoia de a redirecționa forța de muncă către alte domenii ale economiei.

Totodată, sistemele de fabricație rapidă a prototipurilor permit scurtarea timpilor de validare a noilor produse industriale complexe, permit scăderea radicală a costurilor pentru realizarea producției de serie mică și de unicate.

Tehnologiile de prelucrare pe echipamente comandate numeric elimină subiectivismul factorului uman din lanțul fabricației, rebuturile tehnologice tinzâd către zero.

Întreaga filosofie de fabricație digitală gravitează în jurul metodei de extragere a pachetelor de informații din modelele 3D, și astfel se elimină metoda tradițională guvernată de reprezentările 2D.

Sistemele software sunt din ce în ce mai complexe, realizând o serie de funcții de maximă importanță în proiectarea și fabricația produselor industriale, singurul dezavantaj major este prețul extrem de ridicat de achiziție al unui astfel de produs software.

În cadrul acestei lucrări, după ce s-au trecut în revistă o serie de realizări și concepte prezentate în literatura de specialitate, s-a dorit a se aduce o contribuție metodologic – aplicativă în domeniul optimizării producției produselor industriale. Demersul lucrării se înscrie în cercetările aplicative de aprofundare a cunoștințelor privind procesul de concepție a produselor, de la identificarea nevoii și funcțiilor îndeplinite de acesta, până la calcule complexe efectuate cu ajutorul instrumentelor de proiectare asistată, parametrizări, simulări de prelucrare pe mașini cu comandă numerică și calcule tehnice.

În urma activităților descrise în această lucrare, s-a dovedit faptul că un mediu de programare, indiferent cât de dezvoltat este sau de bine este pus la punct, se mai pot găsi soluții de îmbunătățire a productivității programelor CN de lucru generate implicit. Însă datorită diversității mașinilor cu comandă numerică, atât în ceea ce privește arhitectura cât și în ceea ce privește echipamentul de comandă numerică folosit, această parte a pregătirii unui specialist este destul de îndelungată.

BIBLIOGRAFIE

Alămoreanu, E., Buzdugan Gh., Iliescu, N. Mincă, I., Sandu, M., (1996), „Indrumar de calcul în ingineria mecanică”, Editura Tehnică, ISBN 973-31- 0971-1, București, 1996

Belgiu, G., (2008), „Curs Bazele proceselor de fabricație”, Universitatea Politehnică Timișoara, 2008

Boros, I., Gherman, A. G., Babeu, H. E., (2008), „Mijloace și tehnici moderne de măsurare și control la piesele obținute prin prelucrări mecanice”, Buletinul AGIR nr. 1-2/2008, http://www.agir.ro

Bondrea, I., 1998, „Modelarea și simularea proceselor de producție”, Ed. Universității din Sibiu

Burchard, B., Pitzer, D., (2000), „Totul despre AutoCAD2000”, Editura Teora, Bucuresti, 2000

Buzatu, C., Popescu, I., (1983), „Toleranțe și ajustaje pentru mecanica fină”, Universitatea Transilvania, Brasov, 1983

Chung, A. Ch., (2004), „Simulation, Modeling. Handbook. A Practical Approach” Industrial and manufacturing engineering series. CRC Press LLC, ISBN 0-8493-1241-8, Boca Raton London, New York Washington. 2004

Constantin, G., (2004), „Bazele proiectării asistate”. Editura Bren, ISBN 973-648-249-9, București , 2004

Drăgoi, M. V., (2006), „Curs și Îndrumar de laborator C.N.C”, Universitatea Transilvania, Brasov, 2006

Foley J.D.; van Dam A.; Feiner S.K.; Hughes J.F.: (1990) „Computer Graphics. Theory and Practice”. Addison-Wesley, 1990.

Marcu, T., (2007), „Tehnologii și practici moderne în proiectarea produselor complexe”, Computer Press Agora, 2007

Massip R.F.: „Design Industrial pe Calculator”. Marcombo, 1987.

Mompin J. (1986): „Sisteme CAD/CAM/CAE. Design și fabricare pe calculator". Marcombo, 1986.

Păunescu T, (2007), „Robotizarea proceselor tehnologice”, Editura Universității Transilvania, Brașov, 2007

Salmon R.; Slater M.: „Computer Graphics: Systems And Concepts”, Addison-Wesley, 1987

Vlase, A., Sturzu, A., Mihail, A., Bercea, I., (1983), „Regimuri de așchiere, adaosuri de prelucrare și norme tehnice de timp”, Editura Tehnica, Bucuresti, 1983

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_design

http://ro.wikipedia.org/wiki/Proiectare_asistat%C4%83_de_calculator

Startseite

http://www.autodesk.com/

http://www.powermill.com