Číslicové řízení ve strojírenské technologii

Ing. Oskar Zemčík, Ph.D.

● vznik a vývoj ● základní pojmy● vztahy, definice● výpočty

Vznik a vývoj CNC

● CNC zařízení se vyvinula s původně NC zařízení

● Numerical control => NC● Computer numerical control => CNC● zařízení bez NC řízení => konvenční

Vznik a vývoj

● na CNC navazuje DNC Direct numerical control nebo také Distributed numerical control

● využívá propojení do počítačových sítí● původně vzniklo na základě nedostatečné

kapacity řídících počítačů na jednotlivých strojích

● pro transfer programu do stroje a kontrolu stroje

DNC

● z počátku 80tých let terminály řízené mikropočítači připojené na velké počítače firem SUN, HP, Prime, DEC či IBM

● od 90tých let se v po čítačích používají plnohodnotné počítače s operačním systémem a výrobci přecházejí na řešní založená na PC

Základní pojmy CNC řízení

● na CNC zařízení přímo navazují, a využívají, různé aplikace

● CAD Computer-aided design (aplikace pro návrh modelů, či výkresové dokumentace)

● CAM Computer-aided manufacturing aplikace pro tvorbu CNC řídícího programu

● CIM Computer integrated manufacturing (automaticky řízená celá výroba)

Základní pojmy po čítačové podpory

● CAA - Computer Aided Assembly montáž podporovaná počítačem

● CAE - Computer Aided Engineering počítačová podpora konstrukce

● CAO - Computer Aided Organisation počítačová podpora obchodních činností

● CAP - Computer Aided Production počítačová podpora technologické přípravy výroby

● CAPE - Computer Aided Production Engineering počítačová tvorba a údržba informací v technologické přípravy výroby, tvorby technologických postupů, plánování výroby, spotřeby nářadí, projekce výrobních prostředků

Základní pojmy po čítačové podpory

● CAPP - Computer Aided Process Planing plánovacích funkcí operativního řízení výroby, plánování procesů, projektová analýza

● CAQ - Computer Aided Quality control počítačová podpora plánování a řízení kvality

● CAT - Computer Aided Testing počítačová podpora kontroly výroby včetně zpětného inženýrství

Konstrukce NC stroj ů

● první stroje, konvenční konstrukce s digitálním odměřováním – optické snímače– magnetické snímače– potenciometrické

– kruhové– lineární

(běžně se dnes používá skleněné odměřovací pravítko)

Princip ur čení sm ěru pohybu

1 − − − 0 0 − − − 0 0 − − − 1 1 − − − 0 0 − − − 0

2/3 1/3

lineární odm ěřovací členy

Nepřímé odm ěřování polohy

● Místo lineárních pravítek využíváme odměřování například rotace pohybového šroubu

Konstrukce NC stroj ů

● vyžaduje vysokou tuhost stroje● je potřeba minimalizovat vůle v pohybových

elementech● je potřeba jak vysoká přesnost nastavení tak

i odměřování

pohyb pomocí– šroubového převodu– kuličkovým šroubem– lineární

Konstrukce NC stroj ů

● pohyb jednotlivých členů s pomocí

– krokové motory (pomalé malý výkon– servomotory (větší výkon potřebují stále

převody)– lineární motory (nákladné)

krokový motor

● jsou levnější, v případě správného dimenzování velikosti spolehlivé ,v dnešní době především 3-fázové varianty (dříve 5 a 2 fázové) kroutící a přídržný moment až desítky Nm.

krokový motor - p říklad

● příklad parametrů krokového motoru (Berger-Lahr)

lineární motor

● v principu krokový motor rozvinutý do délky (místo statoru je primární část, místo rotoru sekundární) umožňuje plynulejší pohyb, odpadají převody. Pro síly 10 – 20000N.

● Rychlost pohybu v desítkách ms-1.

servopohon

● obsahuje elektronickou zpětnou kontrolu pohybu. Obvykle má více poloh a vyžaduje menší převod. Je nákladnější než krokový motor.

Zajišt ění přesnosti dojezdu rychlostním regula čním obvodem

60 80 100 120 140 160 180 200

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Průběh rychlosti přejezdu

dráha l [mm]

po

suf

fmin

[m/m

in]

Řízené osy

● u prvních verzí pouze základní osy – 2osy (soustružení, 2D frézovaní, vrtání,

vyvrtávaní, řezání)– 3osy (3D frézování)

● později řízení ostaních procesů + další osy stroje– 4, 5osé frézky – přídavná vřetena– řízené hlavní vřeteno– řízené chlazení, výměny nástrojů, změny

technologických podmínek atd.

řízené osy

● 2D soustruh

řízené osy

● 3D frézka

víceosé stroje

● kromě standardních os X, Y a Z používáme pro další řízené osy značení A, B, C, U, V, W případně P, R či další.

● Přídavné osy mohou být rovnoběžné se stávajícími, řídí však jinou část stroje (přídavný suport, či vřeteno)

● Časté je rovněž použití řízení rotace hlavního či pomocného vřetene.

● tyto stroje jsou také někdy označovány jako soustružnická či frézovací centra.

víceosé stroje

● svislý soustruh se třemi suporty

víceosé stroje

● 6ti-osá frézka

Videozáznam CNC stroj ů● 4-osá frézka● Víceosý soustruh s hnaným přídavným vřetenem● 2-osý soustruh● Soustruh s automatickým podáváním materiálu● Soustruh s řízeným hlavním vřetenem a přídavným

vřetenem● Soustruh 2-osý● Soustruh (s protivřetenem)● 4-osá frézka● Mazak integrex (5os, rotační součást)● 5-osá frézka

Nástrojové hospodá řstní u CNC stroje

● Značení● Kontrola stavu● Seřizování● Nastavení korekcí● Kontrola a výměna opotřebovaných nástrojů● Skladování● Transport

Kódování nástroj ů

● Pevné kódovaní (každý nástroj má pevné místo v zásobníku)

● Variabilní kódování )každý nástroj nese pevné označení a může být umístěn na libovolné místo zásobníku)

● Výhody a nevýhody zásobníků:– Krátké časy výměny nástroje– Možnost výměny během výrobního cyklu stroje– Snadnější přechod na jinou výrobu– Složitější konstrukce a výroba– Náročnější provoz– Nutnost mít jednotný typ upínací části

Zásobníky nástroj ů

● S přenosem řezné síly (rotační, revolverové, nožové hlavy)– Jednodušší – Snadnější údržba, menší poruchovost– Menší počet nástrojů– Složitější řešení kolize nástroje

● Bez přenosu řezné síly (vyměňuje se nástroj s upínačem)– Maloobjemové– Velkoobjemové (nad 40míst pro nástroje)

– S dopravníkem

Typy zásobník ů nástroj ů

● Otočné, Rotační (s pevným stanovením místa nástroje)

Typy zásobník ů nástroj ů

● Řetězový zásobník (nepřenáší síly je nutný manipulátor pro výměnu nástroje)

Typy zásobník ů nástroj ů

● MaloobjemovéKotoučový Talířový Sférický

Deskový Bubnový Řetězový

Typy zásobník ů nástroj ů

● VelkoobjemovéKotoučový Deskový Bubnový Řetězový

Typy zásobník ů Typy zásobník ů

Způsoby variabilního kódování nástroj ů

● Bezkontaktní – Čárové kódy– Integrované čipy

● Kontaktní– Binární kódování pomocí kruhových kroužků– Pomocí děrného štítku, pásky

Korekce nástroje

Upínání obrobk ů na CNC strojích

● Na pracovní stůl stroje● Pomocí sklíčidel● Pomocí kleštin● Pomocí speciálních přípravků● Na technologickou paletu

Vznik a rozvoj G - kódu

● Z NC původně pouze souřadnice, pevný formát bloku.

Vznik a rozvoj G - kódu

● N001 X+01200 Y-01120 EOB● N002 X+00000 Y+01120 EOB ..................

Vznik a vývoj G-kódu

Struktura CNC programu

.............

.................

...........................

Formát bloku– Pevný (je třeba uvádět všechny části bloku v

přesně daném tvaru)– Proměnný

PROGRAM

BlokBlok Blok

slovo slovo slovo

Povelová část

Významová část

Složení bloku

● Číslo bloku ● Informační slova (přípravná a rozměrová

funkce)● Konec bloku● Posuvová funkce● Funkce pro otáčky vřetena● Funkce pro práci s nástrojem● Pomocné funkce

Obecný zápis bloku(Příklad)

N3 G2 X±43 Z±43 I±43 K±43 E6 F4 S3 T2 H1 M2N3 Př: N001 číslo bloku, určuje pořadí vykonávání

jednotlivých bloků G2 Př: G01 přípravná funkce, například lineární

interpolaceX±43 .. K±43 Př: X+40.21 argument prípravné

funkce, např. Konrátní souřadnice pro lineární interpolaci s 4mi číslicemi před a třemi za desetinou tečkou

E6 Př: E200 posuv v až šestimístném formátu v tisícinách mm/ot

Obecný zápis bloku(Příklad)

F4 Př: F200 posuv v až čtyřmístném formátu v desetinách mm/min

S3 Př: S2000 otáčky vřetena min-1

T2 Př: T01 číslo nástrojeH1 Př: H1 číslo použitého korekčního přepínače M2 Př: M03 pomocná funkce např. Roztočení vřetene

po směru hodinových ručiček

Znaky adres dle ISO 646 Vztažné body CNC stroje

● M – absolutní počátek souředného systému stroje (dán výrobcem)

● R – referenční bod od určený koncovými spínači na stroji (najetím na referenční bod osdstraníme chybu polohování, která může vzniknout)

● W – nulový bod obrobku (počátek souřadného systému obrobku, určí programátor, např. Na čele obrobku atd.)

Vztažné body CNC stroje

● T – vztažný bod upínače nástrojů (vztahuje se k němu korekce nástroje)

● P – výchozí bod nástroje (Poloha nástroje mimo obráběcí cyklus)

Řídící program v ISO-kódu

N10 G00 G20 G40 G49 G80 G90 G98 (1/4" SLOT DRILL)N12 T3 M06N14 S10000 M03N16 G00 G54 G43 X0.25 Y0.1 Z1. H03 M08N18 Z0.1N20 G99 G81 Z-.1 R.05 F12.N22 M97 P1000N24 M09 (13/64" DRILL)N26 T4 M06N28 S3761 M03N30 G00 G54 G43 X0.25 Y0.1 Z1. H04 M08N32 Z0.1N34 G99 G73 Z-1. R.05 Q.1 F18.N36 M97 P1000N38 M09 (1/4-20unc TAP)N40 T3 M06

Řídící program v ISO-kódu

N42 S1000 M03N44 G00 G54 G43 X0.25 Y0.1 Z1. H03 M08N46 Z0.1N48 G99 G84 Z-.75 R.05 F50.N50 M97 P1000N52 M09N54 G91 G28 Y0 Z0N56 G90N58 M30

N1000 (P1000: HOLE PATTERN)N1002 X0.5 Y0.1N1004 X0.75 Y0.1N1006 X1.0 Y0.1N1008 X1.25 Y0.1

Standardní G - kód

● Základy položeny v MIT Servemechanism laboratory a přesněji definovány v 60-tých letech 20 století V USA Electronic Industries Alliance.

● Konečná verze byla dokončena v únoru 1980 v americké normě RS247D, jíž odpovídá evropská verze ISO DIN 66025.

● V dnešní době každý z výrobců CNC systémů pokračuje ve vlastním vývoji.

Programování z hlediska sou řadnic

● Absolutní (zadávané souřadnice jsou od nulového bodu /obrobku/ )

● Relativní (zadávané souřadnice jsou od poslední polohy nástroje

● Kombinované (například základní část programu absolutně a podprogram přírůstkově /inkrementálně/)

Příklady funkcí CNC ISO kódu

● G00 – rychloposuv

N001 G00 X.... Y.... Z....

X,Y cílový bod

Příklady funkcí CNC ISO kódu

● G01 – lineární interpolace pracovním posuvem

N002 G01 X.... Y.... Z....X,Y cílový bod

Příklady funkcí CNC ISO kódu

● G02 – kruhová interpolace pracovním posuvem

N003 G02 X.... Y.... Z.... R.....

X,Y cílový bodR

Příklady funkcí CNC ISO kódu

● G64 – cyklus podélného hrubování

N004 G64 X.... Z.... U.....

Příklady funkcí CNC ISO kódu

● G78 – soustružení závitu s kolmým přísuvem

N005 G78 X.... Z.... U..... K....

Příklad G - kód ů CNC soustruhu Příklad M - kód ů CNC soustruhu

Příklad G - kód ů CNC frézky Příklad M - kód ů CNC soustruhu

Způsob návrhu CNC programu

● Určení uzlových bodů dle hotového výrobku a polotovaru (náčrt)

● Výpočet uzlových bodů● Návrh programu včetně technologických

podmínek● Kontrola výsledného programu (bez nástroje

na stroji sníženým posuvem)

● Většinu těchto funkcí vykonává CAM aplikace.

Moderní CAD/CAM aplikace

● Konstrukční část– Vytvoření 3d modelu obrobku a polotovaru

(případně jejich načtení z jiných aplikací)– Pro určení dráhy nástroje Plošný model (u

starších aplikací drátěný model)– Pro simulaci obrábění objemový model

(polotovar)– 3D modelář

Moderní CAD/CAM aplikace

● Technologická část– Volba nástrojů– Volba technologických podmínek– Volba technologie– Volba dráhy nástroje

Moderní CAD/CAM aplikace

● Výstupní a kontrolní aplikace– Simulace včetně kontroly kolizí – Postprocesor pro konkrétní stroj

Rozšířené CAM aplikace

● CAD– Autocad, Catia, Turbocad, Inventor Solidworks,

Pro-engineer, Solidedge,

● CAM– Edgecam, TurboCAM, Surfcam, Mastercam,

Powermill, Vericut,

použité zdroje

● www.vues.eu● en.wikipedia.org● S.Beroun Výrobní stroje S.Beroun TU

Liberec ● R.Havlík Programování a řízení CNC strojů

TU Liberec● M. Chudoba Základy programování a obsluha CNC strojů SPŠ Jihlava● www.google.com