Studiul Preciziei de Pozitionare a Masiniilor Unelte cu Comana Numerica

STUDIUL PRECIZIEI DE POZIȚIONARE A MAȘINILOR UNELTE CU COMANDĂ NUMERICĂ

În ziua de astăzi, oamenii cu tehnologia și aparatele de ultimă generație sunt într-o strânsă corelație , astfel o importanță semnficativă o are reducerea costurilor de inginerie și fabricație, unde mai toate departamentele sunt în mod constant în căutarea avantajelor profitabile.

În a doua parte a secolului XX , și-a făcut apariția procedeul de comandă numerică a mașinilor unelte, care a fost dezvoltat mai întâi în S.U.A. începând cu anul 1942 , pentru a putea satisface și dezvolta nevoile industriei aeronautice prin realizarea diverselor suprafețe complexe ale paletelor elicei elicopterelor sau buzunarele de diferite forme în panouri mari de aluminiu.

Nu orice echipament poate fi cu comandă numerică , ci doar dacă instrucțiunile acestuia permite sau pune în funcțiune mașina într-o forma codificată. Prima mașină-uneltă cu comandă numerică a fost mașina de țesut a lui Jacquard , în anul 1800, care a avut ca port-program o bandă perforată.

Utilizarea acestei mașini cu comandă numerică (CN) nu se poate limita numai la mașini- unelte la care se poate îndepărta materialul cu ajutorul unor scule cu tăiș, ci ea este prezentă pe la toate instalațiile de decupat cu fascicol laser, la mașinile cu fir, la diferite operațiuni de asamblare , la prelucrarea prin eroziune, și se mai poate întâlni și la comanda meselor mașinilor de măsurat tridimensionale, la roboți și alte echipamente.

Odată cu apariția microprocesoarelor și progresului electronicii, costul acestora a scăzut treptat până în anul 1970, toate oferind capacități pentru tratamentul informațiilor importante. Transmiterea informațiilor și suporturile au fost asigurate cu ajutorul benzilor magnetice, disketelor etc. Toată această evoluție care a autorizat și asigurat tratamentul de date în timp real, a permis la creșterea posibilităților oferite de acest tip de comandă numerică și a favorizat integrarea lor în construcția de echipamente automatizate,care se întâlnesc astăzi pe piața muncii.

Mașina cu comandă numerică (CNC)

Scurt istoric

Aceasta idee a controlului numeric are rădăcini destul de vechi. Începând cu anul 1720 a fost inventat un dispozitiv care folosea anumite cartele găurite având ca suport material hârtia, pentru a putea broda pe țesături de pânză diferite modele clasice.

Așa cum este bine cunoscut astăzi, controlul numeric a apărut cu puțin înainte de inventarea microprocesoarelor utilizate în ziua de astăzi. Un impuls impresionant în dezvoltarea acestuia a fost dat de către US AIR FORCE, care poseda destule resurse pentru încurajarea cercetării. Aceasta avea nevoie de unele perfecționări în construcția și dezvoltarea avioanelor cu motoare de reacție. În funcție de viteza mare de zbor, geometria și structura mecanică trebuiau ameliorate, fapt pentru care acest lucru cerea un preț de cost destul de mare pentru prelucrările mecanice complexe.

Prima mașină cu comandă numerică ce avea aptitudinea de a controla mișcarea unei freze pentru realizarea de suprafețe complexe, a avut loc în anul 1952 de către Massachussetts Institute of Technology. Alimentarea dezvoltării cercetării și construcției a fost făcută de către US Air Force.

Acestă mașină a avut succes și pe piața natională, astfel în anul 1955, la târgul National Machine Tool Show , au apărut spre distribuire mașinile cu comenzi numerice.

Prima generație de mașini CNC nu erau prea fiabile , însă acestea foloseau lămpi electronice cu vacuum,care ocupau un spațiu destul de mare și produceau foarte multă căldură.  

La a doua generație însă, controller-ul ocupa un spațiu mai redus, tranzistori au înlocuit tuburile electronice, fapt pentru care și încălzirea a fost mult mai mică iar fiabilitatea etajului de control a fost mai mare.

Primele două serii de mașini-unelte nu aveau memorie de stocare a programelor, astfel încât toate instrucțiunile erau depozitate pe banda de hârtie perforată și apoi comunicate mașinilor pe rând. Fiecare mașină primea câte o instrucțiune, care o executa iar mai apoi, cerea alta.

Următoarea generație a introdus memoria de stocare a programelor și a folosit circuitele modulare și integrate. Memoriile la început au fost magnetice (role pe bandă magnetică) ,iar mai târziu , electronice ( circuite integrate).

Odată cu evoluția tehnologiei, au fost introduse și folosite diferite plăci imprimante cu circuite electronice. Plăcile erau introduse în sloturi speciale, și cand nu mai erau utile, erau înlocuite. Erau special proiectate pentru executarea unui program fix și erau folosite la execuția unor anumite acțiuni comune și uzuale gen : rectificare, frezare, găurire etc. Plăcile se mai numeau și canned cycles (* programe de conservă).

Datorită tehnologiei dezvoltate din ziua de astăzi, putem vorbi despre a patra generație de mașini cu comandă numerică unde controller-ul mașinii are la baza tehnologia calculatoarelor actuale și a microprocesoarelor.

În ziua de astăzi, prelucrarea cu acest tip de mașini, a devenit una dintre cele mai importante activități pentru susținerea și dezvoltarea industriei. Cea mai importantă industrie, care beneficiază de aceste servicii ale produselor executate cu acest tip de mașini cu comandă numerică este industria constructoare de mașini. Industria aeriană, auto și navală utilizează motoare care au în alcătuire piese prelucrate foarte amănunțit și precis. Toate echipamentele mecanice, motoarele electrice, componentele penumatice și hidraulice, chiar și cele din domeniul casnic gen mașinile de spălat și cusut, au fost construite cu piese prelucrate prin intermediul mașinilor-unelte.

Ce reprezintă tehnologia CNC?

Mașinile-unelte cu comandă numerică mai sunt numite și mașini CNC. Acest control numeric constă într-un proces de « întreținere » cu un anumit set de instrucțiuni, alcătuite din cifre și litere, a unui controller programabil într-o construcție specială, astfel încât mișcările unei mașini-unelte să poată fi controlate.

Aceste mișcări ale unei mașini trebuie să orienteze o sculă tăietoare pe un anumit traseu, cu o viteză de rotație a sculei precisă și cu viteză similară de înaintare a sculei.

CNC este prescurtarea de la „Computer Numerically Controlled”. Acesta se referă mereu la modul incomparabil de operare al unei mașini, adică, la metoda de bază și unică pentru controlul mișcărilor, și care nu denotă nimic despre tipul mașinii : strung, freza etc. O mașina de acest gen face apel la diverse sisteme de coordonate și la matematică pentru a procesa informația cât mai ușor , și pentru a determina ce trebuie să lucreze, unde și cât de repede se poate.

Controlul riguros și precis al mișcării reprezintă cea mai importantă calitate a oricărei mașini cu comandă numerică. Toate echipamentele au două sau mai multe direcții de mișcare, numite axe, care pot fi deplasate și poziționate precis, de-a lungul intervalului de mișcare. Cele mai populare tipuri de axe sunt cele de rotație ( mișcare curbilinie) și cele liniare. Mașinile cu comandă numerică sunt acționate de servomotoare controlate și ghidate prin computer printr-un program memorat. În mare parte, tipul de mișcare al axelor care se mișcă ( rapid, circular, liniar) , distanțele și vitezele de mișcare sunt programabile la marea majoritate a mașinilor cu comandă numerică.

În figura 1 se pot observa diferențele dintre o mașina controlată CNC și o mașină-unealtă convențională

b)

Fig.1. Diferenta între o masina clasica, actionata manual(a) si o masina controlata numeric(b).

Majoritatea mașinilor cu comandă numerică au capacitatea să se deplaseze în trei direcții simultane, numite și axele mașinii. Axele sunt coordonatele:

Axa X – mișcarea față-spate; acoperă cea mai mare parte a lungimii;

Axa Y- mișcarea stânga-dreapta;

Axa Z – mișcarea sus-jos. Unealta de prelucrare fiind montată de obicei pe această axă.

Axele de coordonate se stabilesc după anumite reguli, astfel :

Axa X – aceasta axa este de obicei, paralela si orizonalta cu suprafata de asezare a piesei. Ea reprezinta axa principala de deplasare in planul in care se face pozitionarea piesei fata de scula.

Axa Y – aceasta axa se alege in asa mod incat sa formeze impreuna cu celelalte axe un sistem ortogonal drept, care poate fi determinat si cu regula mainii drepte din fizica.

Axa Z – aceasta axa este paralela cu axa arborelui principal al masinii. Astfel, la o masina de frezat sau de gaurit, la un strung , axa Z coincide cu axa piesei, iar la arborele principal antreneaza scula. In momentul in care masina nu are arbore principal, axa Z se alege perpendicular pe suprafata de asezare a piesei, astfel sensul pozitiv al axei Z corespunde deplasarii prin care se mareste distanta dintre scula si piesa.

O mașina cu comandă numerică trebuie să aibă capacitatea să comunice singură cu ea, pentru a putea merge operarea. Traductoarele speciale, fixate pe axele mașini, au obligația să comunice înapoi, către unitatea centrală, tot demersul motoarelor și modul în care au acționat și au deplasat axele cu comanda cerută. Abilitatea acesteia de a mișca scula de prelucrare în același timp, în toate cele trei direcți, permite să urmărească orice traseu sau întindere din zona de lucru. Toate mișcările sunt mult mai precise și mai rapide în comparație cu cele făcute de un operator uman.

Robotul industrial este o formă de mașina cu control numeric, datorită faptului că mișcările acestuia sunt comandate cu același tip de controller ca și mașinile unelte. Diferența se observă în limbajul de programare utilizat în această cauză. Un astfel de robot constă în demersul acestuia de a mânui sau apuca un aparat de sudură, în diverse puncte de pe un aparat de vopsit sau de pe caroseria unei mașini, pe care îl deplasează de-a lungul unui traseu complex , în vederea unei vopsiri uniforme, datorită dispozitivului mecanic de la capătul brațului mecanic articulat numit end-efector.

Putem spune și altfel, că o mașină unealtă este un fel de robot, deoarece ambele au în comun aceleași caracteristici. La ambele funcționarea lor depinde de un program numeric, care se modifică usor, fapt pentru care, în numai câteva momente , robotul sau mașina-unealtă pot să îndeplinească și alte sarcini.

Avantajele și dezavantajele mașinii CNC

Avantaje :

Mobilitate

o mașină cu comandă numerică poate fi utilizată pentru producerea unei piese potrivit programului încarcat în memorie ;

iar pentru producerea altei piese, cu totul diferită, este nevoie de o simplă operație de reîncarcare în memorie a noului program.

Masinile CNC sunt capabile de lucruri de care mașina-unealtă este incapabilă:

unei mașini-unealte clasice ii este imposibil să facă conturarea în spatiu 3D, motiv pentru care mașina CNC il poate face ;

Repetabilitatea :

Repetabilitatea făcută de mașinile cu comenzi numerice nu poate fi comparată cu cea a unui operator uman ;

De exemplu un strungar nu va putea face două piese exact la fel niciodată, însa o mașina CNC va face n modele,fără abateri ( cu excepția uzurii sculei și a mașinii)

Reducerea și eliminarea costurilor aferente unei producții de stoc

Garanția firmei de automobile în vederea asigurării clienților cu privire la piesele de rezervă pentru o perioadă de câțiva ani, chiar dacă marca respectivă de automobile nu se mai fabrică;

Cu mulți ani în urmă se realizau piese la schimb și se asezau în stocuri de rezervă, dar cu timpul s-a ajuns la concluzia că acest lucru ocupa mult spațiu, blochează materiale și bani, și este neeconomic. În momentul de față, o mașina cu comandă numerică , poate realiza o piesa de rezervă, imediat cum a primit comanda de la client.

Reducerea prețurilor și a timpului de pregătire a mașinii :

Dispozitivele și uneltele care ajută la fixarea pieselor pe mașinile-unelte clasice sunt destul de pretențioase iar fabricarea lor poate necesita un timp de lucru consistent, ele fiind mai apoi dificil de modificat și foarte costisitoare.

În schimb, mașinile CNC nu necesită timp pentru fixarea pieselor, fiind folosite de obicei dispozitive simple de prindere ( clește, menghină). Capacitatea lor de mișcare permite să parcugă cu precizie trasee de tip contur, fără a mai fi nevoie de unelte speciale pentru ghidarea și poziționarea sculei tăietoare. În comparație cu mașina-unealtă clasică , la mașinile cu CNC, o schimbare minoră de ultim moment a proiectării piesei nu necesită decât modificarea unor linii de program, aceasta însemnând pentru ingineri în mod special, posibilitatea de dezvoltare și îmbunătățire a calității produselor.

Timp redus de calificare pentru operatori

Operatori de pe acest tip de mașini CNC nu controlează operațiile, ci doar descarcă și încarcă piesele din mașina , apasă pe butoanele de pornire/ oprire , și în caz de urgență pe butonul de Oprire de Urgență , dacă scula este uzată sau s-a rupt în timpul lucrării.

Instruirea durează doar câteva săptămâni.

Reducerea forței de muncă

Pentru a lucra eficient, mașinile CNC au nevoie de operatori calificați, astfel un singur operator poate face munca mai multor oameni

Dezvoltarea calității produselor :

O mașina CNC lucrează cu unități de măsură foarte mici ( exemplu : a zecea parte din grosimea firului de par), astfel nimic nu se poate compara cu acest tip de mașina în ceea ce privește exactitatea mișcărilor.

Dezvoltarea productivității :

O mașina cu comandă numerică poate fi programată să lucreze cu scule speciale lemnului, pentru piese din lemn

Acest tip de mașini poate lucra cu maxim trei schimburi pe zi, fără a fi oprite.

Unicii factori care limitează producția acestor mașini sunt : uzura sculei și alimentarea cu material.

Avansarea siguranței în exploatare :

O mașina cu comandă numerică nu necesită poziționarea manuală a sculei, deci prin urmare nu este nevoie nici de prezența operatorului în zona de lucru. Singura activitate a acestuia este de a monitoriza activitatea acesteia și de a corecta în caz de vreo problema.

Dezavantaje :

Investiții mari – prețul unei mașini cu comandă numerică este destul de ridicat ajungând și până la 500.000 USD pentru o mașină complexă de dimensiuni mari, fapt pentru care multe firme nu-și permit un asemenea preț, mai ales când dobânzile bancare sunt într-o continuă creștere pe piața monetară.

Programarea mașinilor CNC – programatori foarte buni sunt greu de găsit iar aceștia vor dori întrodeauna salarii foarte mari. Programarea mașiniilor poate fi rezolvată parțial prin utilizarea software-urilor CAM (Computer Assisted Manufacturing) care și aceste sunt destul de scumpe .

Intreținere costisitoare – mașinile CNC trebuiesc menținute într-o stare foarte bună fizică pentru a putea obține rezultate bune. În orice caz, în caz de reparație mașina trebuie făcută cât mai repede cu putință , deoarece, acest tip de mașină cu comandă numerică, trebuie să lucreze mult. Pentru refacerea acestora este nevoie de un specialist în domeniul electronic cât și în domeniul mecanic, bineînteles pe salarii mari.

Costurile mari de producție pentru serii mici – mașina cu comandă numerică devine eficientă și economică pe măsură ce numărul de piese și complexitatea geometriilor crește. Dacă sunt executate doar două piese, atunci costurile și timpul pot fi mult mai mari decât obținute prin utilizarea mașini-unelte clasice.

2. Principalele comportanente ale unei masini CNC

O masina cu comanda numerica este alcatuita din doua componente majore. Prima este reprezentata de masina-unelta propriu-zisa cum ar fi: freza, strung, masina de rectificat, masina de gaurit, masina de robotat sau mortezat, masina de taiat cu laser si cu jet de apa. A doua componenta este reprezentata de controller, acesta coordonand deplasarea sculei taietoare. Pentru ambele componente pot sa existe accesorii operationale si necesare. Un exemplu ar fi pentru controller unde exista un computer cu o conexiune permanenta , unde se realizeaza programele, si o imprimanta pentru verificarea preciziei programului inainte de a fi utilizat pe masina.

Componenta mecanica

O masina-unealta este de fapt o constructie cu totul deosebita, care cere o proiectare de calitate. O prima cerinta in proiectarea unei masini-unelte ar fi rigiditatea cu care este facuta., astfel axele trebuie sa aiba o anumita deflexie minima pentru a nu influenta precizia de prelucrare. Acestea sunt actionate, in mare parte cu ajutorul unui mecanism de tip surub – piulita cu bile recirculabile.(fiug 3) .

Un astfel de cuplaj intre bacul mobil ( piulita) si axa fixa (surubul), printre care circula bilele de otel, asigura o rigiditate si o frecare mica. Bilele sunt special alese ca sa poate fi potrivite exact cu dimensiunile filetului, care are la baza o forma rotunjita. O rotatie definitiva a axului produce o miscare a bacului cu distanta pasului filetului. In unele solutii constructive, axa este mobila iar bacul este fix.

Masinile CNC de dimensiuni mari se numesc masina-unealta universal sau centre de prelucrare care poate fi de doua feluri : de tip strung sau freza.

Strungurile CNC universal fig 4, sunt dotate cu turele port-scule unde pot fi montate de la zece pana la douazeci de scule diferite si pot fi folosite pentru operatii de filetat , gaurit, strunjit etc. Bineinteles ca si ele au de asemenea un sistem automat de schimbare a sculei.

Frezele CNC universal sunt dotate cu o magazie dotata cu zeci sau chiar sute de scule diferite si au bineinteles sisteme automate pentru schimbarea sculei. De cele mai multe ori, axul de rotatie a sculei de prelucrat este vertical, astfel unele masini au intre patru si cinci axe. Ultimele doua axe sunt de rotatie si perimit masinii sa infaptuiasca in piesa gaurii si diferite suprafete sub unghiuri diferite. Acestea pot realiza atat prelucrare de rectificare/ finisare cat si de degrosare. O masina cu cinci axe poate prelucra de una singura o elice de vapor.

Actionarea masinilor – unelte

Pentru miscarea de pozitionare a axelor sunt folosite trei tipuri de actionari:

Hidraulice

Electrice

Pneumo-hidraulice

Pentru miscarea de rotatie a sculei, la freze, se folosesc intodeauna motoare de curent continuu sau asincrone, deseori acompaneate de angrenaje de tip „cutie de viteze” pentru schimbarea domeniului de rotatie si viteze.

Actionarile electrice folosesc de asemenea motoare electrice cum ar fi:

Pas-cu- pas;

Servomotoare de curent alternativ;

De curent continuu.

In fiecare actionare de pozitionare , controller-ul este nevoit sa cunoasca locatia precisa a sculei taietoare. Acest lucru poate fi realizat prin reglare ( sistem in bucla inchisa) sau comanda (sistem cu bucla deschisa).

Comanda: este folosita in combinatie cu motoarele electrice pas-cu-pas . fig 5. La aceste motoare pe stator exista intre doua, patru sau chiar cinci bobine (infasurari) distincte. Rotorul este alcatuit din magneti permanenti. Odata alimentat cu curent o bobina, rotorul se aliniaza in directia perpenticulara pe aceea bobina, iar polul nord al magnetului permanent fiind orientat catre polul opus (polul sud) al electromagnetului (bobina fiind parcursa de curent intr-o anumita directie). Dupa un impuls primit de la controller curentul se comuta prin alta bobina a statorului, determinanad astfel deplasarea acestuia cu un pas. Sunt unele motoare , unde o rotatie completa a rotorului se realizeaza in aproximativ 500 de pasi (impulsuri). Controller-ul are capacitatea sa emita impulsuri cu frecvente minime de ordinul kilo-hertilor.

Datorita faptului ca fiecare impuls in parte este contorizat, controller-ul stie intodeauna unde se afla axa. De obicei, nu se „pierd” pasii, decat intr-un moment de neatentie cand axa se blocheaza din anumite cauze accidentale sau de coliziune. Precizia unei axe cu surub si a unui sistem cu motor pas-cu-pas poate atinge 0.01 mm precizia unui pas. Cu reglare se poate obtine, cu precizie, cu un ordin de marime mai mare 0.0001 mm . Aceste sisteme de pozitionare cu motoare pas-cu-pas sunt folosite indeosebi la constructia masinilor CNC de marime mica. Sunt simple si la un pret mai ieftin de intretinut.

Reglarea: este folosita in combinatie cu un traductor de deplasare ( sau de rotatie) si cu servomotoare de curent continuu ( sau de curent alternativ). Traductoarele de rotatie sunt denumite si resolver-e si sunt montate pe axul motorului sau la celalalt capat al axei. Un resolver transforma pozitia unghiulara intr-un semnal electric care mai apoi este transmis la controller. Traductoarele de deplasare vor fi montate paralel cu axa, astfel pe acestea poate culisa un cursor care se fixeaza de sania mobila a axei. Traductorul masoara pozitia sculei exacta si elimina astfel erorile datorate jocului dintre sanie (piulita) si surub si, de asemenea erorile datorate uzurii surubului. Pozitia cursorului este convertita intr-un semnal electric, si apoi transmisa la controller. Dupa primirea informatiilor de la traductorul de pozitie, controller-ul poate corecta eroarea de pozitionare prin comenzi catre servomotoare.

Este foarte important ca un utilizator CNC sa cunoasca toate componentele din care o masina este construita, deoarece acest lucru il ajuta in identificarea posibilitatilor de exploatare ale masinii CNC. Sa luam un exemplu: pentru o masina-unealta universala CNC, utilizatorul trebuie sa cunoasca in principal dimensiunile maxime ale zonei de lucru, numarul de scule, modul de alimentare si fixare, domeniul vitezelor de rotatie ale axului principal si sistemul de prindere pe dispozitivul port-scula.

Utilizatorul poate afla foarte multe informatii din cartea tehnica a masiniii si din desenele tehnice de executie a masinii. Din acest manual , utilizatorul trebuie sa afle la mai multe intrebari cum ar fi :

Care este modul de prindere a sculei?

Cate scule poate utiliza masina?

Cate domenii de viteze de rotatie are axul principal si care sunt maximile pentru fiecare domeniu?

Care este viteza maxima de pozitionare a masinii?

Care este viteza maxima de aschiere a masinii?

Care este distanta maxima de miscare pe fiecare axa?

Ce putere are motorul sculei si ce puteri au motoarele axelor?\

Acestea sunt doar putinele intrebari la care un utilizator al unei masini CNC, poate sa raspunda, ori de cate ori are de-a face cu o noua masina CNC.    

Directii de miscare ( axe)

        Un programator Cnc trebuie sa cunosca in detaliu corespondenta intre directiile de miscare in spatiu real si nominalizarea celor trei axe in program.Initialele axelor pot varia de la o masina-unealta la alta. De obcei, sunt notate cu literele A, B, C pentru axele de rotatie, iar X,Y,Z, U ,V , W , pentru miscari liniare.

Legatura intre cele doua tipuri de axe, liniare si de rotatioe este urmatoarea: daca axa X se roteste, atunci se noteaza axa de rotatie cu litera A, lui Y ii revine B, iar lui X axa C.     Legatura dintre cele doua tipuri de axe liniare si de rotatie este urmatoarea: daca axa X se roteste, atunci se noteaza axa de rotatie cu litera A, lui Y îi corespunde B, iar lui X ii corespunde, axa C.

Programatorul trebuie sa aiba confirmarea alocarii celor doua axe si a directiilor ( minus si plus) inainte de a realiza orice program CNC. Aceste date pot fi obtinute din manualul tehnic al masinii.

Mișcările de rotație sunt notate astfel :

– A – rotație în jurul axei X

– B – rotație în jurul axei Y

– C – rotație în jurul axei Z

Fig.2. Mișcările de rotație

Obtinerea miscarilor se face fie prin deplasarea sculei , fie prin deplasarea piesei. Prin termenul de deplasare se intelege atat rotatia cat si translatia. Astfel, deplasarea sculei pe axa +X, corespunde cu o deplasarea a mesei pe directia –X. Acest fapt produce de cele mai multe ori confuzie in randul programatorilor si al operatorilor de la masina. Pentru a putea stabili corect sensurile de deplasare pe directia axelor va fi respectata urmatoarea regula : Pentru stabilirea sensului miscarilor se considera piesa ca fiind fixa, iar miscarile sunt executate de scula.

Pentru comanda unei miscari trebuie introdusa distanta de deplasarea ( de exemplu : X200.5) si numele axei. In cazul axelor de rotatie trebuie introdus valoarea exprimata in grade unghiulare si numele axei ( de exemplu : comanda de pozitionare absolute B45 inseamna rotirea axei B la 45° fata de origine).

Punctul de referinta ( origine) pentru fiecare axa

De obicei, marea majoritate a masinilor cu comanda numerica utilizeaza o anumita pozitie si directie pentru fiecare axa pentru a o putea inregistra ca punct de referinta. Acest punct de referinta poate sa coincida cu originea sistemului de coordonate, insa nu este obligatoriu.

Pozitia de referinta este foarte necesara masinilor CNC de fiecare data cand acestea sunt pornite, ea trebuind sa fie foarte precis determinata. De obicei, atingerea punctului de origine este semnalizata intern cu ajutorul unui limitator de contact electric sau a unui senzor de proximitate. Precizia acestui senzor de proximitate poate determina precizia de identificare a punctului de referinta.

La pornire, masinile realizeaza o secventa automata de miscare a axelor pana in pozitia de referinta, dupa care se opresc si inregistreaza in memorie datele de la traductoarele de pozitie.Daca traductoarele sunt incrementale ( adica transmit un anumit numar de impulsuri la unitatea de plasare), atunci masina reseteaza de la zero memoria in care sunt inregistrate impulsurile. Odata stabilita referinta (originea), controller-ul se va sincroniza cu pozitia fizica a masinii.

Punctul de referinta (origine) specific fiecarei axe , esta stabilit in mod diferit de la masina la alta, dar, de obicei, este atins la una din extremitatile axei. Marea majoritate a constructorilor de masini-unelte fixeaza acest punct la extremitatea pozitiva a fiecarei axe.

Daca pentru o axa, traductorul de deplasare determina pozitia absoluta, atunci acea axa nu are nevoie de punctul de referinta. In memoria controller-ului se inregistreaza un offset cu ajutorul caruia se va stabili ulterior originea axei.

Indiferent de masina trebuie consultata cartea tehnica, in scopul verificarii daca axele au sau nu au nevoie de miscare de referinta , si daca este cazul, unde este situat punctul de referinta pe fiecare axa.

Accesoriile unei masini CNC        

   Cunoasterea accesoriilor disponibile pentru o masina CNC este foarte important. Importanta acestor accesorii este atat de mare, incat existenta sau inexistenta acestora poate insemna diferenta intre esec si succes al unei afaceri. Pentru a oferi o flexibilitate utilizatorilor, marea majoritate a producatorilor de masini CNC vand separat mai multe accesori necesare masinilor-unelte. Unii utilizatori pot cumpara o masina de la un producator, iar alte echipamente si accesori de alt producator. In cataloagele firmelor ne sunt prezentate accesorii optionale ( ce pot fi comandate contra cost la livrarea masinii sau dupa livrare) si accesorii standard ( incluse in fabricatie).

Exemple de accesorii standard ale masinilor CNC:

Lampa de lucru;

Scule de mana;

Sisteme de racire, ungere, ventilare;

Diverse tipuri de scule;

Suport port-scula si mecanisme de prindere piesa pe masa de lucru ( frezare) sau in mandrina ( strunjre);

Diverse tipuri de scule;

Accesorii de siguranta ( viziera din material transparent rezistent la impact, blocal mecanic al usii, acoperire totala a zonei de lucru, etc.).

 Exemple de accesorii optionale ale masinilor CNC:

Usii automate ;

Evacuator de aschii ;

Scule speciale pentru materiale speciale ;

Sisteme cu senzori de contact pentru determinarea automata a lungimii unei scule ;

Sistem de incarcare/descarcare automata a pieselor ;

Sisteme de verificare a dimensiunilor piesei cu senzori de contact ;

Functii speciale pentru programarea CNC (rotirea sistemului de coordonate scalare, managementul durabilitatii sculei, interpolare in coordonate polare sau cilindrice) ;

Capacitatii marite de stocare programe.

Structura unei masini-unelte cu comanda numerica

O masina cu comanda numerica este înainte de toate o masina unealta de precizie asociata la o comanda automata de calitate tehnologia unei masini MUSC nu este simpla: o atentie particulara se acorda rigiditatii, reducerii frecarilor si controlul adaptiv al fortelor de aschiere si inertie înainte de a executa miscari frecvente cu viteze si acceleratii ridicate. Pentru realizarea deplasarilor marea majoritate a constructorilor de masini-unelte au adoptat ghidajele pe glisiere cu galeti si antrenarea prin suruburi cu bile pretensionate.

Directorul de comanda

Toate comenzile numerice sunt astazi cu microprocesor încorporat fie integral în directorul de comanda, fie apartinând unui calculator situat în tabloul de comanda al masinii în comanda directa. Legatura între partea informatica proprie si masina este asigurata printr-un automat programabil care asigura gestiunea captorilor si actionarilor prin programme specializate care asigura controlul si deservirea axelor. Fiecare linie din program cuprinde mai multe instructiuni relative fie la deplasari, fie la conditiile de operare. Directorul de comanda cunoscând pozitia actuala a sculei în raport cu piesa calculeaza punctele intermediare pentru atingerea punctelor definite în blocul de instructiuni. Ordinul de deplasare se executa transmitând la axe succesiunea de schimbari de viteza care genereaza, prin micro-deplasari consecutive, deplasarea globala programata aceste valori sunt calculate de interpolatoare de axe.

Interpolarea

Pentru a prelucra un profil de piesa care nu este paralel cu nici una dintre axe este necesar sa se realizeze deplasari simultane si sincronizate pe mai multe axe. În scopul de a nu fi obligat sa codificam în program, toate punctele unei curbe în vederea realizari punct cu punct, directorii de comanda au fost dotati cu interpolatoare, adica cu instrumente de calcul, care plecând de la coordonatele a doua puncte (de plecare si de sosire) calculeaza un numar mare de puncte intermediare într-o maniera în care traiectoria sculei sa fie efectuata cu o precizie fixa depinzând de performantele calculatorului utilizat si de calitatea partii operative (variatoare, traductoare etc.)

Fig.3. a) Principiul de punere în pozitie prin interpolare.

Fig.4. b) Frezare – Interpolarea liniara sau circulara

Toate masinile ofera astazi posibilitati de interpolare liniara si care sunt materializate prin functiile G1, G2 sau G3 fara masinile „punct cu punct” utilizate la gaurire, sudare punct cu punct etc.

Introducerea programelor

Benzile perforate au constituit primele moduri de schimbare a programelor de lucru pe MUCN. Latimea lor era de tol si datele erau înregistrate caracter cu caracter pe 8 piste paralele (coloane) în cod ISO, a noua pista (serie continua de gauri) serveste la asigurarea antrenarii în miscare a benzii. Informatiile sunt codificate binar si prezenta unei gauri semnaleaza un bit pe pista corespondenta.

Fig.5. Codificarea ISO pe banda.

Benzile aveau o durata de viata destul de redusa: 15 lecturi pentru benzile de hârtie si 50 pentru benzile din plastic. Din acest motiv benzile au fost abandonate progresiv pentru a fi înlocuite prin portprograme cu citire directa cu lectori magnetici pentru diskete.Avantajele suportilor magnetici nu consta numai în viteza de lectura ci si în mare densitate de înregistrari si o punere în practica mai usoara.

Transmiterea informatiilor între diverse echipamente este realizata prin magistrale de comunicare constând din fibre optice care permit circulatia informatiilor în ambele sensuri simultan cu debite care pot ajunge la 20Mb/s. „0” logic si „1” logic este transmis printr-un semnal de tensiune respectiv pozitiv sau negativ cu un nivel maxim de 3v. un protocol de comunicare trebuie sa coordoneze accesul pe magistrala de comunicare si secventele de emisie si receptie si sa permita corectia erorilor de transmitere. Masinele moderne are port pentru extinderea memoriei, port pentru communicatia RS232 si RJ45.

Comunicatia dintre terminal si echipamentul de control se realizeaza folosind un set de protocoale de comunicatie puse la dispozitie de producatorul terminalului.

Fig.6. Conexiunile masinei

Traductoare de pozitie si viteza

Precizia susceptibila a fi atinsa pe MUCN este dependenta de precizia de masurare a pozitiei sau altfel spus de controlul deplasarilor. Pe masinile de calitate directorul de comanda cunoaste pozitia de atins si pozitia reala a elementului mobil. Aceste valori sunt comparate pentru a deduce deplasarea de efectuat.

Natura acestui program (abaterea între pozitia proiectata si cea reala) depind de natura traductorilor de pozitie utilizati: care pot fi de natura analogica cu traductori inductivi (rigle INDUCTOSIN) sau de tip numeric (variatia prin increment) cu traductori optice (discuri sau rigle gradate).

Fig. 7. a) Masurarea directa a pozitiei.

1 – cititor; 2 – rigla gradata.

Fig. 8. b) Masurarea indirecta a pozitiei.

1 – masa; 2 – disc gradat;

3 – surub ; 4 – generator de semnal

Fig.9. c) masurarea directa a pozitiei

1 – motor; 2 – masa; 3 – sistem de masurare; 4 surub cu bile; 5 – piulita speciala.

Captor incremental de deplasare liniara.

Fig. 10. a) Masurarea pozitiei absolute.

M – originea masinii;

1 – scara de masurare binara;

– pozitia actuala a mesei;

Fig. 11. b) Masurarea pozitiei relative

1 – rigla gradata;

2 – pozitia anterioara a mesei;

3 – pozitia curenta a mesei;

4 – masa în pozitia de referinta;

Pentru a îmbunatati pozitionarea si traiectoria este convenabil de asemenea se a controla viteza de deplasare: captorul de viteze putând fi de 2 tipuri: analogic daca se utilizeaza un dinamometru, sau incremental prin descompunerea impulsurilor luminoase plecând de la un disc perforat sau cu dinti periferici.

MUCN deservirea cu bucle – retur în pozitie sunt capabile sa compare instantaneu pozitiile elementelor mobile cu valorile stabilite

Fig. 12. Schema de principi a deservirii axelor.

Eroarea de urmarire sau de avans

Pentru deplasarea în lungul unei axe, întârzierea dinamica antreneaza un usor decalaj în timpul dintre ordinul de executie si executia propriu-zisa, ceea ce nu are nici un efect asupra pozitiei asteptata de respectiva actiune. Pentru toate deplasarile care nu au loc parale cu axele, aceste întârzieri dinamice antreneaza o deformare a traiectoriei reale, în raport cu traiectoria programata, functie de viteza de deplasare.

Fig. 13. Abaterea traiectorie reale executata de scula fata de traiectoria programata.

Pentru a remedia acest decalaj (abaterea) se utilizeaza o bucla de feed-back pentru a face sa varieze câstigul de acceleratie dintr-un lant de deservire a unei axe.

Pupitrul de comanda

Fig. 14. Pupitrul de comanda

Tastatura de comanda constituie interfata care autorizeaza interventiile operatorului:

– introducerea manuala de date, programe bloc cu bloc (nefiindpermisa nici o schimbare în procedurile automate);

– introducerea corectiilor de scula daca nu exista legatura între bacul de masurare si directorul de comanda;

– modificarea corectiilor pe parcursul derularii procesului de prelucrare în functie de uzura sculelor;

– generarea unui diagnostic de erori în programul-piesa sau corectii;

– localizare semifabricatului în sistemul de coordonate ale masinii, definind originea piesei;

– localizarea punctului de origine a programului;

– alegerea unei conditii de functionare a masinii: automat, manual, semiautomat;

– în functie de CNC existente pe masina introducerea programelor de învatare.

Fig.15. Tastatura

Operatorul dispune de un ecran de vizualizare care afiseaza:

– programul curent, blocul curent, functiile curent, starea variabilelor si parametri tehnologici;

– greseli de sintaxa;

– momentele de pana ale masini;

– valorile introduse pentru corectia traiectoriilor;

– coordonatele punctului curent;

– erorile care apar;

– meniuri;

– piesa de prelucrat, scula, semifabricatul pentru controalele dotate cu ecran grafic.

Fig. 16. Ecran de afisare

În ultimul timp ecranele sunt de tip grafic si permit vizualizarea traiectoriilor programului. Tastatura permite introducerea de date alfanumerice, de a efectua manual deplasari, de a dispune de functii de comanda pentru definirea modului de lucru, reprezentate prin simboluri normalizate.

Pe tastatura se disting mai multe zone:

– zona de gestiune pentru modelare geometrica;

– zona alfanumerica pentru editarea de programe, a unor blocuri de comanda sau orice alte informatii numerice sau alfanumerice;

– zona de alegere a modului de lucru: automat, bloc cu bloc, manual, semiautomat;

– zona de pilotaj manual si interventie (potentiometru oprire avansuri, corectie uzuri scule etc.);

– zona de alegere a modurilor care da acces la diferite moduri de lucru:

Fig. 17. Modurile masinei

– modul editare program;

– mod editare suprafata de lucru a mesei;

– mod executare a programului automat;

– mod executare a programului „bloc cu bloc”;

– mod introducere manuala de date;

– mod manual care deblocheaza comanda:

3.6.1. Comenzile axelor;

Fig. 18. Comenzile axelor

3.6.2. Potentiometre de reglare a vitezei

Operatorul poate schimba oricând parametrii folositi in program. Acestea pot fi ajustate in functie de datele furnizate de producatorul sculei.

Oprire deplasari si modul de pilotaj manual

Fig. 19. Potentiometre de reglarea vitezei si oprire deplasari

Folosirea lor ajuta in masurarea sculei si alte cazuri în mod manual.

Fig. 20. Modul de pilotaj manual (HANDLE)

Proiectarea asistata a reperului

Aceasta s-a realizat in modulul Modeling a programului plecand de la o schita ce contine semi-sectiunea reperului. (fig. 1)

Fig. 1.Desenare piesa in 2dmodel

Dupa ce am definit toate constrangerile si am cotat toate dimensiunile, vom realiza modelul 3D prin aplicarea functiei Revolve, unde profilul de revolutie este cel din fig.1 iar axa de revolutie este axa XC. Acest modul 3D creat este prezentat in fig. 2.

Fig. 2.Se genereaza revolve 360 de grade

5. Fabricarea asistata de calculator

Pentru realizarea simularii vom folosi modulul Manufacturing. Astfel , vom initializa mediul de lucru pentru strunjire.Urmatorul pas este stabilirea etapelor ce vor trebui sa fie efectuate.

Astfel, etapele sunt:

stabilirea traseului tehnologic ;

alegerea geometriei piesei si semifabricatului;

selectarea sculelor;

realizarea operatiilor.

5.1. Stabilirea traseului tehnologic

Traseul tehnologic va fi asemanator cu traseul tehnologic clasic, doar ca va avea cateva particularitati:

dat fiind faptul ca vom prelucra semifabricate cu lungime prestabilita, rezulta ca acestea au fost debitate anterior;

nu vom avea faze, ci doar operatii;

din lipsa de un strung cu comanda numerica fizic, vom folosi scule aschietoare din libraria de scule a programului, iar pentr generarea programului cod masina vom folosi un postprocesor pentru un strung cu comanda numerica cu 2 axe.Astfel, traseul tehnologic este prezentat in fig. 3.

Fig. 3. Traseul tehnologic

5.2. Alegerea geometriei piesei

In fereastra Workpiece (Piesa) vom alege butonul Part si apoi vom apasa Select pentru a selecta piesa. Vom alege ca material din libraria de materiale a programului, Carbon Steel, echivalentul lui OLC45.Drept semifabricat am ales o bara laminata de sectiune circulara, avand lungimea de 170 mm si diametrul de 140 mm, semifabricat ale carui dimensiuni au fost calculate anterior (fig. 4)

Fig. 4.Se executa raza de 5mm

5.3. Alegerea sculelor aschietoare

Sculele aschietoare se pot alege din libraria de scule aschietoare a programului, acestea fiind impatite pe 3 mari categorii (clase) : scule pentru frezare, pentru strunjire si pentru alezaje.(fig. 5)

Fig. 5. Crearea de operatii

5.3.1. Piesa dupa degrosare contur

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_80_L si am folosit metoda Lathe_Rough pentru a prelua automat adaosul de prelucrare.

5.3.2. Piesa dupa finitie

5.3.3. Degrosare de stanga

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_80_L si am folosit metoda Lathe_Rough pentru a prelua automat adaosul de prelucrare. Modul de taiere va fi Linear Zig.

5.3.4. Piesa dupa finisare stanga

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_80_L si am folosit metoda Lathe_Finish pentru a prelua automat adaosul de prelucrare, acesta fiind 0. Am folosit metoda de taiere Contour_Zig.

5.3.5. Canalul inainte de prelucrare

In acest moment, din prima prindere, piesa a fost prelucrata. Urmeaza intoarcerea piesei, prinderea acesteia si prelucrarea pe partea a doua.

5.3.6. Canalul dupa prelucrare

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_80_R si am folosit metoda Lathe_Rough pentru a prelua automat adaosul de prelucrare.

5.3.7. Finisare contur

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_80_R si am folosit metoda Lathe_Finish pentru a prelua automat adaosul de prelucrare, acesta fiind 0.

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_80_R si am folosit metoda Lathe_Rough pentru a prelua automat adaosul de prelucrare. Modul de taiere va fi Linear Zig.

5.3.8. Strunjire longitudinala de finisare

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_80_R si am folosit metoda Lathe_Finish pentru a prelua automat adaosul de prelucrare, acesta fiind 0. Am folosit metoda de taiere Contour_Zig.

5.3.9. Strunjirea canalului din stanga

Drept scula aschietoare am folosit cutitul de strunjire OD_GROOVE_Rsi am folosit metoda Lathe_Groove.

Caracteristici tehnice si chimice al materialului OLC45

Caracteristici tehnice:

Materialul propus pentru execuția reperului este OLC 45. Caracteristicile    mecanice și compoziția chimică ale acestui oțel sunt reglementate prin STAS 880-88. Conform standardului amintit, pentru oțelul OLC45 sunt impuse :

Compoziția chimică

limita de curgere Rp0.2 = 480N/mm2

rezistenta la tractiune Rm = 700…840 N/mm

alungirea la rupere A5 = 14%

rezilienta KCU30/2 = 40 J/cm2

modulul de elasticitate E = 21000N/mm2

coeficientul Poisson = 0.3

duritate Brinell în stare recoaptă = max.207.

Cele mai folosite semifabricate sunt:

laminate;

turnate;

forjate – liber sau în matriță;

matrițate;

sintetizate;

sudate.

La alegerea semifabricatului se au în considerare următoarele:

materialul piesei;

forma și dimensiunile piesei;

numărul pieselor din lot.

Piesa din temă fiind executată din OLC 45 se pot adopta semifabricate:

laminat;

forjat;

matrițat.

Forma și dimensiunile semifabricatului trebuie să fie cît mai apropiată de forma și dimensiunile piesei finale.Având în vedere că piesa din temă are formă de arbore adoptăm semifabricat laminat cu secțiune cilindrică.

Desenul tehnic al piesei prelucrate

Stabilirea traseului tehnologic.

Pentru întocmirea unui traseu tehnologic se pot face următoarele recomandări:

la începutul procesului tehnologic se prelucrează suprafetele care devin bază de asezare sau suprafetele de prindere (suprafetele frontale,găuri de centrare, gaură pentru dorn, suprafetele pentru prindere cudorn) ;

găurile se execută către sfârsitul procesului tehnologic cu exceptia acelora care devin bază de asezare sau suprafetele de prindere ;

operatiile la care există posibilitatea unui proces mare de rebuturi se execută la începutul procesului tehnologic ;

rectificarea se execută după tratamentul termic.

Calculul regimului de aschiere

Alegerea masinii unelte

.Debitarea se face cu un ferăstrău alternativ FA 300

Caracteristici dimensionale :

dimensiunea maximă a materialului de debitat Ф300

cursa ramei 200 mm

Caracteristici funcționale :

numărul treptelor de viteză 3

numărul curselor duble pe minut 63/80/100

avans de tăiere continuu

motor electric : putere 1,5 kw

turație 1500 rot/min

Caracteristici de gabarit :

lungime 1576mm

latimea 611 mm

inaltimea 1080 mm

greutatea 860 kg

Alegerea sculei aschietoare

Prelucrarea se execută cu panză fierăstrău tip I de formă S, variantă A, STAS1066-86 cu caracteristicile:

– lungimea 600 mm

– lațimea 50

– pasul dintre dinți 4

– grosimea 2,5mm

– numărul de dinți pe 25mm z = 6

– greutatea G = 0,6 kg

– materialul oțel Rp5 STAS

– duritatea după tratament termic

– partea tăietoare 60÷64 HRC

– partea netăietoare 45 HRC maxim

Adoptăm din gama de turații a mașinii de debitat turația de 80 cd/min. (cd= cursa dubla )

6.5. Calculul regimului de aschiere

6.5.1. Prelucrarea se execută pe strungul SN320 cu următoarele caracteristici: Caracteristicile principale:

h = 320mm

L = 1000 mm

N = 3 KW

Turatia axului principal [rot/min]:

Avansul longitudinal [mm/rot]:

Avans normal:

0,03; 0,04; 0,05; 0,06; 0,07; 0,08; 0,09; 0,1; 0,11; 0,12; 0,13; 0,14; 0,16; 0,20; 0,22; 0,28; 0,36; 0,44.

Avans marit:

0,48; 0,64; 0,80; 0,96; 1,12; 1,28; 1,44; 1,60; 1,76; 1,92; 2,24; 2,52.

Avansul transversal [mm/rot]:

Avans normal:

0,01; 0,013; 0,017; 0,02; 0,023; 0,027; 0,03; 0,033; 0,037; 0,04; 0,047; 0,053; 0,06; 0,067; 0,073; 0,093; 0,12; 0,147.

2. Avans marit:

0,88; 0,107; 0,133; 0,16; 0,187; 0,215; 0,24; 0,287; 0,20; 0,30; 0,373; 0,480; 0,533; 0,58; 0,74; 0,96; 1,17.

6.5.2. Alegerea sculei aschietoare

Prelucrarea se execută cu cuțitfrontal STAS 358-67 cu secțiune dreptunghiulară 25×16 cu următoarele caracteristici:

h x b = 25 x 16

r = 0,5 mm k = 70o k’’ =20o ά = 10 o

6.5.3. Determinarea regimului de aschiere

Conform indicațiilor de la pagina 96 relația adâncimii de așchiere este :

t = = 2.35 mm

în care : i – numărul de treceri

i = 1

6.5.4. Alegerea avansului si verificarea lui:

Din tabelul 6.1 pagina 98 și din gama de avansuri transversale a strungului adopt :

s = 0.88 mm/rot

Verificarea lui :

Verificarea avansului din punct de vedere al rezistenței cuțitului, din tabelul 6.12 pagina 104 rezultă cărelația de verificare este :

s = mm/rot

în care :

h ·b – secțiunea corpului cuțitului

– raportul dintre înălțimea cuțitului și distanța cu care iese în afară cuțitului, pentru cuțite de strung normale se recomandă ca= 0,5 … 1 ; eu aleg=1.

Din tabelul 6.13 rezultă că :

C4 = 3.57 x1 = 1 HB ≥ 170 decialeg HB=200 n1 = 0.75 y1 = 0.75 s = = 4.42 mm/rot

s = 4.42 ≥ 0,88 mm/rot

6.5.5. Determinarea puterii

Na=

η = 0,85

Din tabelul 6.12 pagina 105 rezultă că :

Fz = C4 · tx1 · sy1 ·HBn1

Din tabelul 6.13 pagina 106 rezultă că :

C4 = 3,57 y1 = 0,75

t = 2,35 HB = 200

x1 = 1 n1 = 0,75

s = 0,88

Fz =3.57· 2.351 · 0.880.75· 2000.75

Fz = 3.57· 2.35 · 0.90 · 53.18

Fz = 401.53 daN

Na = = 1.257 kw