AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI
Praca przejściowa
Piotr Szewczak
Imię i nazwisko
Mechanika i Budowa Maszyn
Kierunek studiów
269899
Numer albumu
Opracowanie modelu 5-cio osiowej obrabiarki CNC, w układzie XYZ AC
Temat pracy
dr inż. Wojciech Jabłoński
…………………..
Promotor pracy
Ocena
Kraków, rok 2015/2016
SPIS TREŚCI
1. Cel pracy......................................................................................................................
2. Historia, charakterystyka i budowa obrabiarek CNC...........................................
3. Możliwości, wady i zalety obróbki wieloosiowej......................................................
4. Popularne układy kinematyczne stosowane w obrabiarkach................................
5. Model obrabiarki w układzie XYZ AC....................................................................
6. Bibliografia..................................................................................................................
1. Cel pracy
Celem pracy jest opracowanie modelu obrabiarki, który odwzoruje układ kinematyczny XYZ AC, obrabiarki 5-cio osiowej. Model ten zostanie wytworzony dzięki technologii druku przestrzennego i będzie on wykorzystywany do szkolenia kursantów podczas zajęć fakultatywnych "Obróbka nachylona (3+2) w systemie Heidenhain"
2. Historia, charakterystyka i budowa obrabiarek CNC
Wiek obrabiarek sterowanych numerycznie można oszacować na ok. 50 lat, a historia klasycznych maszyn do obróbki jest znacznie dłuższa, bo sięga do czasów rewolucji przemysłowej końca XVIII w. W latach siedemdziesiątych XX w., dzięki szybkiemu rozwojowi elektroniki i mikrokomputerów powstały skomputeryzowane układy sterowania CNC (ang. Computer Numerical Control), a co za tym idzie, możliwe było zautomatyzowanie konwencjonalnych maszyn. Było to spowodowane wymogami ekonomicznymi - skrócenie czasu produkcji, jak również jakościowymi - dokładność wymiarowo-kształtowa. Automatyzacja klasycznych obrabiarek polega na wyeliminowaniu sterowania ręcznego mechanizmów np. prędkości obrotowej wrzeciona czy mechanizmów posuwu itd. i zastąpieniu ich elementami wykonawczymi, które będą kontrolowane elektronicznie. Nośnikiem informacji o przebiegu procesu technologicznego jest program. Zawiera on informacje dotyczące toru narzędzi w odpowiednio przyjętym układzie współrzędnych, parametrów technologicznych obróbki ( posuw, prędkość obrotowa narzędzia ), włączania i wyłączania funkcji pomocniczych (chłodziwo, wymiana narzędzia ). Zintegrowany z systemem mikrokomputer "analizuje" kolejne bloki programu, i informacje te przekazuje do organów wykonawczych obrabiarki.
Rys 1. Schemat układu sterowania w trzech osiach
Najważniejszy element sterowania numerycznego to interpolator. Umożliwia on sterowanie ruchem dwóch lub więcej niezależnych mechanizmów posuwu tak, aby wypadkowy ruch odbywał się zadanym torze.
Poniższa ilustracja pokazuje różnice w budowie obrabiarek sterowanych numerycznie i konwencjonalnych
Rys 2. Różnice w budowie obrabiarek CNC i konwencjonalnych [8]
Różnice wizualne w budowie frezarek konwencjonalnych i sterowanych numerycznie:
Rys 3. Konwencjonalna frezarka
Rys 4. Frezarka sterowana numerycznie [3]
Jak widać, obrabiarka CNC posiada pulpit sterowniczy, z poziomu, którego maszyna jest obsługiwana. Pole robocze maszyny jest zabudowane osłonami, w przeciwieństwie do obrabiarki konwencjonalnej.
3. Możliwości obróbki wieloosiowej
Sterowanie wieloosiowe pozwala zrealizować technologię dla elementów o skomplikowanych kształtach, które wymagają specjalnego oprzyrządowania, i ich wykonanie z wykorzystaniem obrabiarki
3-osiowej byłoby trudne i czasochłonne lub niemożliwe. Technologię 5–osiowego frezowania stosuje się w produkcji złożonych części przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego, biomedycznego i produkcji form.
Proces i program obróbkowy elementów o skomplikowanych kształtach, takich jak pióro łopatki, wirnik sprężarki, gniazdo matrycy formy wtryskowej, wytwarza się z użyciem systemów komputerowego wspomagania wytwarzania CAM (ang. Computer Aided Manufactruing).
Zalety obróbki wieloosiowej:
· Eliminuje czas potrzebny na zmianę mocowania i ponowne bazowanie detalu. Zapobiega potencjalnym błędom wynikającym z ustawień pomiędzy poszczególnymi położeniami.
· Pozwala uzyskać wyższą jakość powierzchni
· Daje pełen zakres możliwości obróbki powierzchni pochylonych po katem dodatnim jak i ujemnym oraz pozwala na obróbkę głębokich kieszeni kanałów.
· Zapewnia możliwość kompleksowej obróbki części, które poprzednio musiały być wykonywane innymi technikami. Zwłaszcza krótkich serii i prototypów.
· Możliwość korzystania z krótszych narzędzi - im krótsze narzędzie tym większa dokładność
Rys 5. Porównanie długości narzędzia [10]
Rys 6. Możliwości obróbki wieloosiowej [9]
Rys 7. Możliwości obróbki wieloosiowej [9]
4. Układy kinematyczne stosowane we współczesnych obrabiarkach
Kartezjański układ współrzędnych
Współrzędne punktów podczas pracy maszyny, określane są w kartezjańskim układzie XYZ, tak jak na poniższej ilustracji:
Rys 8. Kartezjański układ współrzędnych [1]
Frezarki 3-osiowe
W najbardziej popularnych, 3-osiowych frezarkach, osie układu współrzędnych usytuowane są następująco:
Rys 9. Osie układu współrzędnych frezarki [4]
Spotykane są różne rozwiązania, najbardziej popularnym we frezarkach CNC, jest rozwiązanie gdzie stół porusza się w osi X i Y, natomiast wrzeciono porusza się w osi Z. We frezarkach konwencjonalnych, stół wykonuje ruch we wszystkich trzech osiach.
Frezarki 5-cio osiowe
W obrabiarkach 5-osiowych, możliwości ruchu organów są bardziej rozbudowane. Możliwy jest bowiem dodatkowy obrót względem dwóch osi, i są to odpowiednio:
A - obrót wokół osi X
B - obrót wokół osi Y
C - obrót wokół osi Z
Rys 10. Układ obrabiarki 5-cio osiowej [1]
Układ XYZ BC
W układzie tym stół realizuje ruch w osiach XY. Na stole zamontowany jest mniejszy, obrotowy stolik, który realizuje ruch w osi C. Wrzeciono porusza się wzdłuż osi Z, jak również wykonuje obrót głowicy wokół osi B. Układ ten zaprezentowany jest na poniższej ilustracji:
Rys 11. Układ XYZ BC [5]
Układ XYZ AC
Rys 12. Układ XYZ AC [6]
Układ XYZ AC w tym wariancie stosowany jest w obrabiarkach wielkogabarytowych. Rama na której zamocowane jest wrzeciono porusza się wzdłuż osi X, wrzeciono wzdłuż Y i Z, natomiast głowica obraca się w osi A i C.
Innym wariantem zaprezentowanego układu jest rozwiązanie, w którym stół, tzw. "kołyska" porusza się wzdłuż osi X i Y, jak również obraca się wokół osi A. Obrót dookoła osi C jest realizowany dzięki mniejszemu, obrotowemu stołowi ( tak jak w przypadku układu BC )
Rys 13. Układ XYZ AC wariant II [7]
Rys 14. Opis osi układu XYZ AC [5]
5. Model obrabiarki w układzie XYZ AC
Model został wykonany w edukacyjnej wersji programu Autodesk Inventor 2016. Nie jest to model obrabiarki w skali, ponieważ ma on służyć pokazaniu układu kinematycznego, charakterystycznego dla maszyn 5-cio osiowych. Zaprezentowany wariant, jest to rozwiązanie ze stołem obrotowym w osi A i C. Posuwy w osiach XYZ i obroty w osiach AC realizowane są ręcznie.
Projekt składa się z 10 części ( bez uwzględnienia elementów znormalizowanych, potrzebnych do złożenia ), i każda z nich będzie wykonana w technologii drukowania 3D
( SLS lub FDM )
Rys 15. Widok modelu
Model składa się z następujących części:
1.Podstawy z prowadnicami stołu osi X
2. Podstawy wrzeciona
3.Stołu osi Y
4. Stół osi X
5. Stół osi A
6. Stół osi C
7.Wrzeciono
...
pitucha123