Piotr Szewczak - praca przejściowa.docx

Praca przejściowa

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

...