Programování CNC V moderní době vzrůstá složitost produkovaných výrobků a z toho plynoucí nároky na přesnost a spolehlivost jednotlivých dílů. Pro výrobu jsou nutní kvalifikovaní pracovníci, kterých je nedostatek. Řešení této situace spočívá v automatizaci a integraci výrobního procesu. Automatizace přispívá ke zvyšování produktivity, zvýšení kvality zhotovené součásti a současně ke snižování výrobních nákladů.

Tvrdá automatizace Pružná automatizace Ve velkosériové a hromadné výrobě byla dříve problematika automatizace řešena pomocí automatických výrobních linek a jednoúčelových stavebnicových strojů, u nichž se užívá tzv. „tvrdá automatizace“ (narážky, vačky, dorazy ), která je málo přizpůsobivá změnám výrobního programu. Moderní výroba vyžaduje snadnou a rychlou přizpůsobivost požadovaným změnám. Tomu vyhoví tzv. „ pružná automatizace“. Stroje se mohou velmi rychle přizpůsobit výrobě jiných druhů součástí, pracují v automatickém cyklu, který se zajišťuje převážně číslicovým řízením (NC - numerical control).

CNC stroje Číslicově řízené výrobní stroje (CNC stroje) jsou charakteristické tím, že ovládání pracovních funkcí stroje je prováděno řídícím systémem pomocí vytvořeného programu. Informace o požadovaných činnostech jsou zapsány v programu pomocí alfanumerických znaků. Vlastní program je dán posloupností oddělených skupin znaků, které se nazývají bloky nebo věty. Pojem CNC (Computer Numerical Control) značí: počítačem (číslicově) řízený (stroj). Stroje jsou „pružné“, lze je rychle přizpůsobit jiné výrobě v automatizovaném cyklu, který je zajištěn číslicovým řízením. Stroje CNC se uplatňují ve všech oblastech strojírenské výroby (obráběcí, tvářecí, montážní, měřící) a jejich typickými představiteli, které se používají pro výcvik programátorů a obsluhu, jsou soustruhy a frézky.

Uplatnění CNC strojů Rozdělení CNC strojů Číslicové řízení se uplatňuje téměř ve všech oblastech strojírenské výroby např : Obráběcí stroje Tvářecí stroje Měřící a rýsovací stroje Manipulační technika Mimo tyto oblasti je číslicové řízení rozšířeno i na vypalovací stroje, stroje pro svařování, nýtovačky, montážní stroje, stroje pro kontrolu vad materiálu apod. Rozdělení CNC strojů • jednoprofesní • víceprofesní – obráběcí centra • stroje pro výrobu rotačních obrobků hřídelových nebo přírubových • stroje pro výrobu skříňových obrobků • stroje, umožňující výrobu rotačních i nerotačních součástí s určitým omezením operací

Výhody použití CNC techniky • zvýšení kvality i kvantity výrobků, produktivnější a hospodárnější výroba • možnost vícestrojové obsluhy – nutno méně pracovních sil • zvýšení přesnosti a přizpůsobivosti výroby • vyšší využití základních fondů, úspora výrobních a skladových ploch • zlepšení pracovních podmínek, zvýšení úrovně řídící práce • zkrácení průběžné doby výroby Nevýhody použití CNC techniky • vysoká pořizovací cena • vyšší nároky na technologickou přípravu • zvýšené nároky na údržbu a organizaci pracoviště

Složení CNC stroje Počítač – Jedná se o průmyslový počítač s nahraným řídícím systémem který je součástí stroje. Z hlediska obsluhy je dán obrazovkou a ovládacím panelem. Řídící obvody – V těchto obvodech se logické signály převádějí na silnoproudé elektrické signály, kterými se přímo ovládají jednotlivé části stroje – motory vřetene a posuvů, ventily atd. Interpolátor – Řeší dráhu nástroje, která je zadaná geometrií a výpočty délkových a rádiusových korekcí nástroje. Porovnávací obvod – Stroj musí být vybaven zpětnou vazbou, která přenáší informace o dosažených geometrických hodnotách suportů v souřadných osách, v jednotlivých bodech dráhy pohybu. Tyto souřadnice porovnávají s hodnotami, které jsou zadány programem Řídící panel

Provozní režimy CNC obráběcích strojů Režim MANUAL (ruční provoz) slouží k přestavení nástroje nebo měřícího zařízení do požadované polohy, k výměně nástroje, najíždění (posuvu) na obrobek, rozběh otáček apod. Režim AUTO (automatický – plynulé provádění programu) plynulý proces obrábění Režim B-B (Blok po Bloku) stroj se po zpracování bloku zastaví a po znovu opakovaném startu čte a zpracovává další blok. Režim B-B slouží jako jedna z možností kontroly, zda byl správně tvořen CNC program. Režim nastavení ( ovlivnění velikosti otáček, pracovního posuvu, rychloposuvu) -velikost pohybu lze ovlivnit ručně potenciometrem, kde lze nastavit rozsah obvykle v rozmezí 5 až 150% hodnoty nastavené v ručním nebo automatickém režimu  

Režim TOOL MEMORY (paměť nástrojových dat) umožňuje uložit a vyvolat data o nástrojích, včetně korekcí. Režim TEACH IN („učení se“ anebo také „najetí a uložení“) stroj má „schopnost“ učit se. Obsluha provádí ručně (pomocí klávesnice) požadovanou činnost pro vyrobení obrobku. Dochází k automatickému načítání úkonů. Takto zadané úkony se vykonávají automaticky při následném spuštění CNC programu. Používá se výjimečně. Režim EDITACE programu – vlastní program pro obrábění se zapisuje přímo do editoru na stroji nebo je „nahrán“ do řídícího systému stroje externě (z počítače, diskety, po síti) Režim DIAGNOSTIKY – oznamuje, lokalizuje, diagnostikuje závadu pro rychlé odstranění. Umožňuje i dálkový servis. Režim simulace a testování programu

Ukázka simulace frézování

Konstrukční řešení CNC strojů Koncepce rámů stroje   Nosné struktury - CNC stroje vyžadují podstatně zvýšenou tuhost, kterou především zajišťují tuhé rámy. Tradiční litina již často nestačí, bývají to svařence plněné polymerbetony, kovovými pěnami apod. Lože – Kluzné vedení je postupně nahrazováno valivým, které má své známé výhody, ale také nevýhody, jako jsou nízké hodnoty tlumení rázů, citlivost na nečistoty, řešení mazání a další. Lože u soustruhů – je řešeno jako šikmé, se suporty za osou rotace pro takzvané zaosové nástroje. Výhoda spočívá nejen v tuhosti, ale také se usnadnil odvod třísek a manipulace s obrobky.

Pohony stroje   Vřeteníky – vyžadují nové řešení ložisek, jejich mazání a chlazení. Zde jsou nutností snímače teploty a zatížení ložisek, snímače chvění atd. Hlavní pohon vřetena stroje - musí zajisti plynulou změnu otáček při zatížení stroje při obrábění, vysoké zrychlení a zpomalení. Pokud je stroj vybaven „osou C“, ta musí zajistit přesné polohování a pootočení vřetene o požadovaný úhel. Pohony posuvů Servomotory posuvů a kuličkové šrouby Lineární pohony posuvů stále více nahrazují krokové motory a kuličkové šrouby tam, kde je požadována vysoká rychlost posuvů. Mají své nevýhody, zahřívají se, tedy vyžadují chlazení. Jsou stále předmětem technického vývoje.

Příslušenství stroje   Odvod třísek – automatické odstraňování třísek od stroje Krytování stroje – pracovní prostor je uzavřený z hlediska hygieny a bezpečnosti práce. Stroj nelze spustit, pokud je otevřený kryt. Musí být vyřešeno lámání třísek. Upínače polotovarů – jsou užívány převážně hydraulické nebo pneumatické Systémy automatické výměny nástrojů

Zásobníky nástrojů   Zásobníky – magazíny nástrojů bývají v různém provedení jako pásové, otočné nástrojové hlavy nebo regálové.

Chlazení mazání nástrojů – trend směřuje k omezení nebo úplné vyloučení kapaliny z obráběcího procesu z hlediska ekologie. Účinnost chlazení se zvyšuje tím, že se kapalina přivádí do řezu středem nástroje pod tlakem. Systémy automatické výměny obrobků Použití palet je vhodné u obrobků skříňového a plochého tvaru a dále u rozměrnějších rotačních plochých součástí a přírub. Upínaní palet na stůl se obvykle provádí čepy. Paletizace rotačních součástek pro upínání na soustruhu je problematická. Používá se manipulátorů pro upínaní/odepínání do sklíčidla. Koník, lunety, revolverové hlavy Koník je nutný pro výrobu hřídelovitých součástí, bývá posouván servomotorem. K výrobě dlouhých součástí patří lunety, podpírající součást tak, aby se neprohýbala vlivem řezných sil. Lunety bývají též poháněny servomotory. Koník u některých strojů je možné nahradit druhým (proti)vřeteníkem Soustruhy jsou konstruovány často s několika revolverovými hlavami, pohybujících se nezávisle na svých suportech.

Trend vývoje CNC strojů – Obráběcí centra Ekonomika provozu vede k integraci několika způsobů technologie obrábění do jednoho obráběcího stroje (centra). Důvody jsou ve snížení (odstraňování) vedlejších časů, např. upínaní na dalším stroji, a také v odstranění čekacích časů na další operaci, také se zvyšuje přesnost výroby. Další integrace technologií do stroje vede až k univerzálním obráběcím centrům. Toto tedy znamená pro ekonomiku: Zkrácení průběžné doby a zvýšení přesnosti práce. Snížení nákladů na výrobu (místo více strojů se pořizuje jeden - úspora výrobních ploch, úspory odpisových nákladů) Možnost snadněji automatizovat výroby (stavba pružných linek – CIM). U strojů s technologií HSC je zvýšení produktivity uváděno pětinásobné v tomto poměru lze očekávat ekonomické úspory (místo pěti strojů – jeden)

Ukázka obrábění na CNC stroji

Kvalifikace obsluhy CNC strojů   Požadovaná kvalifikace především závisí na organizaci práce v podniku, typu výroby – tj. na počtu vyráběných kusů, opakovatelnosti a náročnosti výroby součástí.

Stanovení řezných podmínek Pro stanovení řezných podmínek na konkrétní výrobek má vliv zejména: Obráběný materiál – obrobitelnost Povrch obráběného materiálu – povrch bez kůry – s kůrou Druh obrábění Typ obrábění – přerušovaný nebo plynulý řez. Způsob obrábění hrubování hlazení Jakost plochy Přesnost a jakost plochy Druh a odvod třísky Materiál činné části nástroje Nástroj – jeho druh, geometrie ostří, tuhost, tvar Výkon stroje, rozměry, dosahovaná přesnost při obrábění Tuhost soustavy – stroj – upínač – obrobek - nástroj Trvanlivost ostří nástroje

Otáčky – řezná rychlost Stanovení velikosti otáček. Otáčky se nemění, pokud je nezměníme v programu nebo ručně na stroji. Nevýhoda: při soustružení různých průměrů v cyklech a při soustružení čela se vzhledem rozdílné řezné rychlosti využívá nástroj nehospodárně. Stanovení řezné rychlosti – přímo funkci G96 v programu. Výhodné je použití tam, kde nástroj obrábí rozdílné průměry součásti. Tím je vždy zajištěna správná řezná rychlost. Platí vztah: v = π*d*n [m*min-1] Otáčky mohou vzrůstat jen do určité velikosti, danou kvalitou a bezpečností práce stroje.

Posuv Velikost posuvu na soustruzích, na frézkách lze v CNC programu zapsat v jednotkách: V jednotkách mm/min (S min) – posuv za minutu V jednotkách mm/ot (sot) – posuv za otáčku stroje Výpočet posuvů pro frézování je dán: s min=s z*z*n s z – posuv na zub, dle tabulek řezných podmínek z – počet zubů frézy n – počet otáček Přepočet minutového – otáčkového posuvu Platí vztah s min= sot*n - sot= s min/n

Nulové a další vztažné body na CNC strojích M – Nulový bod stroje: Je stanoven výrobcem. Je výchozím bodem pro všechny další souřadnicové systémy a vztažné body na stroji. U soustruhů je nulový bod stroje M umístěn v ose rotace obrobku v místě čela vřetene. U frézky, v místě krajní polohy stolu frézky v obou osách – obvykle z pohledu obsluhy je to vlevo, vpředu. W – Nulový bod obrobku: Nastaví ho programátor pomocí dané funkce G v potřebném místě obrobku. R – Referenční bod stroje: Je stanoven výrobcem a realizován koncovými spínači. Vzdálenosti nulového bodu stroje M a referenčního bodu stroje R jsou výrobcem přesně odměřeny v souřadnicové soustavě stroje a vloženy do paměti ŘS jako strojní konstanty. P – Bod špičky nástroje (soustruh): Je nutný pro stanovení délkové korekce a následné rádiusové korekce nástroje. Je to bod, jehož pohyb se teoreticky programuje. F – Vztažný bod suportu nebo vřetene: K bodu F se vztahuje délková korekce nástroje. E-Bod nastavení nástroje: Bod na držáku nástroje, který se při upnutí ztotožní s bodem F (je nutný pro zjištění korekcí nástroje na přístroji mimo stroj).  

Nulový bod obrobku je výhodné umístit do takového místa, aby se co nejvíce zjednodušilo vyčítání jednotlivých geometrických bodů na obrobku. Konstruktér může napomoci technologovi-programátorovi, když bude respektovat zásady technologičnosti např. kótováním z jednoho místa, což je od (měřící) základny tak, aby byly kóty přehledné. Tím ulehčí práci při programování a sníží se možnost vzniku chyb při výpočtu souřadnic z kót na výkrese. Stanovení nulového bodu obrobku je ovlivněno např.: Kótováním na výkresu Souměrností výrobku Programátorskými zvyklostmi

Souřadnicový systém stroje   Výrobní stroje používají kartézský systém souřadnic. Definice je dána normou ČSN ISO Terminologie os a pohybu. Systém je pravotočivý, pravoúhlý s osami X,Y,Z. Otáčivé pohyby, jejichž osy jsou rovnoběžné s osami X, Y, Z, se označují jako A, B, C. Platí, že osa Z je rovnoběžná s osou pracovního vřetene, přičemž kladný smysl probíhá od obrobku k nástroji. Hodnoty se vyskytují i v záporném poli souřadnic. Kartézský systém souřadnic je nutný pro řízení stroje, nástroj se v něm pohybuje podle zadaných příkazů z řídícího panelu CNC stroje nebo dle příkazů uvedených ve spuštěném CNC programu. Počátek souřadnic kartézského systému programátoři vkládají do nejvýhodnějšího místa na obrobku, který se nazývá Nulový bod obrobku.

SOUŘADNÝ SYSTÉM SOUSTRUHU Osa z je rovnoběžná s osou pracovního vřetena. Kladný smysl os z a x je definován od obrobku k nástroji(nástroj může být za nebo před osou soustružení), osy definují pohyb nástroje.

SOUŘADNÝ SYSTÉM FRÉZKY Osa z je rovnoběžná s osou pracovního vřetena Kladný smysl osy z je definován od obrobku k nástroji, osy x a y mají směr a smysl dle pravidla pravé ruky(pohyby v jednotlivých osách se předpokládají jako pohyby nástroje).

Korekce nástrojů Jedná se o korekce: Korekce délkové – rozměry jsou uvedeny v osách souřadného systému. Velikost je vztažená k nulovému bodu výměny nástrojů (nástrojů s držákem) E=F Korekce rádiusové – velikost rádiusů špičky nástrojů (soustružnických nožů) a rádiusů fréz včetně stanovení polohy nástroje k obráběné ploše Korekce výsledná – je superpozice obou korekcí, která vytváří ekvidistantu kontury obrobku, po níž se pohybuje bod výměny nástroje F při obrábění.

Korekce rádiusové   Funkce G41 nebo G42 zapíná matematický aparát, který vypočítává ekvidistantu, která je vzdálená o poloměr rádiusu od zadané geometricky správné kontury. Po této ekvidistantě se pohybuje střed rádiusu špičky nástroje, tzn. že střed rádiusu nože se pohybuje po ekvidistantně, která je rozdílná od zadaného CNC programu. Funkce G40 matematický aparát vypíná. Musíme ale rozhodnout, z které strany má matematický aparát vypočítat ekvidistantu pohybu středu nástroje. Norma ČSN ISO určuje použití funkce G41 vlevo od kontury obrobku a G42 vpravo od kontury obrobku – při pohledu ve směru pohybu nástroje.

SHRNUTÍ Pojem CNC stroj značí (označte zvýrazňovačem) Počítačem řízený stroj Strojem řízený počítač Počítačový stroj Mezi provozní režimy CNC strojů nepatří (označte zvýrazňovačem) Režim manual (ruční provoz) Režim auto (režim provádění programu) Režim čtení výkresové dokumentace Nulový bod obrobku stanovuje (označte zvýrazňovačem) Výrobce stroje Programátor, který tvoří CNC program Výrobce nástroje, kterým obrábíme

Popište v následujícím obrázku jednotlivé osy souřadného systému a jejich kladné a záporné směry

Způsoby programování – způsoby zadávání souřadnic Programování absolutní Programování přírůstkové (inkrementální) Programování pomocí polárních souřadnic – z bodu, do kterého vložíme kartézské souřadnice se stanovuje délka a úhel Parametrické programování všechny zadávané souřadnice, na které se nástroj pohybuje, se vztahují k nulovému bodu obrobku. Je předdefinovanou funkcí a platí do doby použití funkce G91 zadávané údaje se vztahují k výchozímu bodu pohybu nástroje. Platí do doby použití funkce G 90. Přírůstkové programování se používá hlavně v podprogramech

Příklad zápisu souřadnic v absolutním tvaru

Příklad zápisu souřadnic v přírůstkovém tvaru

Programování absolutní G90 Z P0 do P1 Z P1 do P2 G00 X50 Z-50 G00 X80 Z-80

Programování přírůstkové (inkrementální) G91 Z P0 do P1 Z P1 do P2 G00 X0 Z-65 G00 X15 Z-30

Příklad-cvičení: Naprogramujte pohyb nástroje z bodu 1 do bodu 4 absolutně a přírůstkově

Příklad-cvičení: Naprogramujte absolutně pohyb nástroje z bodu 0 postupně přes všechny body zpět do bodu 0 Body x z 0 - 1   1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 - 5 5 - 6 6 - 7 7 - 8 8 - 1 1 - 0

Příklad-cvičení: Naprogramujte přírůstkově pohyb nástroje z výchozího bodu 0 postupně přes všechny body zpět do výchozího bodu Body x z 0 - 1   1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 - 5 5 - 6 6 - 7 7 - 0

Srovnání ručního programování s programováním pomocí CAD/CAM systémů Při ručním programování se v současnosti převážně používá kód ISO v popsaném absolutním programování. Je výhodné, když programy, zejména ty náročné, vytváří programátor mimo stroj na vhodném PC, které disponuje příslušným softwarem řídícího systému, v němž je doporučeno program i softwarově odsimulovat - odladit. Výhoda spočívá v ekonomii provozu. Programy lze nahrávat do stroje pomocí přenosného počítače nebo sítě. Produktivnější, rychlejší pro vytvoření CNC programu jsou CAD/CAM systémy. V CAD/CAM systémech se pomocí postprocesoru přeloží vytvořený program pro řídící systém daného stroje.

Struktura programu V programu pro číslicové řízení musí být obsaženy všechny geometrické a technologické informace nutné pro obrábění dané součásti. Geometrické informace určují tvar součásti, obsahují způsob pohybu nástroje-posuv, rychloposuv, pohyb po přímce nebo po kruhovém oblouku. Technologické informace určují optimální řezné podmínky, obsahují hodnoty posuvu řezné rychlosti, otáčky, směr otáčení vřetena, výměnu nástrojů,… Program se skládá z vět(bloků), věty jsou sestaveny ze slov, které obsahují adresový znak a číselný kód. Slovo popisuje jeden příkaz. Příklad věty podle ČSN 200670 (ISO 6983): N20 G00 X30 Z0 F0.3 S1600 T03 M08 Slova v této větě jsou: N20, G00, X30, Z0, F0.3, S1600, T03, M08 Adresami jsou: N, G, X, Z, F, S, T, M Číselné údaje jsou: 20, 00, 30, 0, 0.3, 1600, 03, 08

N - číslo věty G - přípravné funkce GEOMETRICKÁ ČÁST PROGRAMU X,Z – souřadnice F – rychlost posuvu TECHNOLOGICKÁ ČÁST PROGRAMU S – otáčky vřetena T – vyvolání nástroje M – pomocné funkce Posuvová funkce F se při soustružení programuje v mm na otáčku nebo za minutu Otáčková funkce S udává počet otáček za minutu. Nástrojová funkce T určuje dle polohy nástrojové hlavy nástroj, kterým má být obráběno. Otáčky a posuv je nutno stanovit z řezných podmínek Příklad části programu

Metodický postup programování Rozbor výkresu součásti Určení způsobu upnutí polotovaru Vypracování technologického postupu Zvolení nástrojové sestavy a řezných podmínek Nakreslení technologického náčrtu Provedení nezbytných výpočtů Vypsání souřadnic přechodových bodů Vypracování řídícího programu

Příklad tvarového, rozměrového a technologického náčrtu

Ukázka CNC projektu roku 2010 Soutěž - Nejlepší programátor CNC obráběcích strojů

SHRNUTÍ Mezi technologické informace v CNC programu nepatří (označte zvýrazňovačem) Velikost a směr otáčení vřetene Rychloposuv Informace o výměně nástroje Funkcemi M se provádějí (označte zvýrazňovačem) Volání podprogramu Pomocné funkce, jako např. roztočení vřetene, zapnutí chlazení apod. Obrábění kontury V mm/min nebo v mm/ot se udává (označte zvýrazňovačem) Posuv Otáčky vřetene Rychlost rychloposuvu