1

V. Maşinile unelte cu comandă numerică şi centrele de prelucrare

5.1. NoŃiuni generale despre maşinile cu comandă numerică

O maşină unealtă cu comandă numerică (MUCN) este alcătuită din maşina unealtă

propriu-zisă şi echipamentul de comandă numerică (CNC). Din această cauză, MUCN sunt fabricate în colaborare, de mai multe firme, unele realizand partea clasică, altele fiind specializate în partea de comandă numerică.

Echipamentele CNC ale maşinilor unelte se prezintă într-o gamă foarte largă, fiind concepute după principiul comenzilor numerice de pozitionare sau de conturare. Echipamentele CNC se folosesc, în principal, la urmatoarele categorii de maşini-unelte : * maşini de frezat * maşini de găurit * strunguri *maşini de rectificat * maşini de electroeroziune cu fir * centre de ştanŃat cu comandă numerică.

La acestea se adauga centrele de prelucrare şi unele maşini neconvenŃionale, cum ar fi maşinile de prelucrat prin eroziune electrică şi chimică, maşini de injectat mase plastice şi maşini de prelucrare cu plasma.

Din punctul de vedere al tehnologului programator sunt importante următoarele caracteristici ale echipamentului CNC: - numărul de axe - purtătorul de program - memoria pentru înmagazinarea programelor - modul de introducere a programelor - posibilităŃile de adaptare pentru legătura cu o memorie externă - precizia obŃinută

Orice maşină unealtă execută mişcări în raport cu nişte axe specifice fiecăreia. Stabilirea corectă a axelor este foarte importantă în cazul MUCN, deoarece programul Ńine cont de aceste axe. În comanda numerică s-a introdus noŃiunea de axă ca fiind o deplasare liniară sau o rotaŃie. Aceste mişcări sunt executate de organele mobile ale maşinii unelte cu comandă numerică. Pentru a identifica axele unei MUCN, acestora li se atribuie o anumită simbolizare precizată în recomandarea ISO R- 841/1968 sau în STAS 8902 - 71. Teoretic există cazul general, cu 3 axe de translaŃie (X,Y,Z) şi 3 axe de rotaŃie (A, B,C) în jurul primelor 3. Se spune că avem în acest caz o maşină în 6 axe. Dacă tot ansamblul este montat pe un suport care la randul lui poate executa mişcări, putem vorbi de maşini în 7, 8 sau 9 axe. Aceste maşini sunt de o mare complexitate şi se proiectează de obicei pentru un scop foarte precis. Maşinile care se întâlnesc în practică au de obicei 2-5 axe, cele mai multe având 2 sau 3 axe. Cele mai cunoscute echipamente CNC sunt: - Sinumerik, al firmei Siemens, Germania - FANUC, Japonia - Alcatel, Franta

2

- Mikromat, Germania Axele pentru mişcările rectilinii formează un sistem de coordonate ortogonal drept care verifică regula mâinii drepte. Axele de coordonate se atribuie diferitelor ghidaje dupa anumite reguli, după cum urmează: Axa Z este paralelă cu axa arborelui principal al maşinii. Astfel, la o maşină de găurit sau de frezat, arborele principal antreneaza scula, în timp ce la un strung, axa Z coincide cu axa piesei. Dacă maşina nu are arbore principal, axa Z se alege perpendicular pe suprafata de aşezare a piesei. Sensul pozitiv al axei Z corespunde deplasării prin care se măreşte distanŃa dintre piesă şi sculă. Axa X este în general, orizontală şi paralelă cu suprafaŃa de aşezare a piesei. Ea este axa principală de deplasare în planul în care se face poziŃionarea piesei faŃă de sculă. Axa Y se alege astfel încât să formeze împreună cu celelalte un sistem ortogonal drept, care se poate determina şi cu regula mâinii drepte din fizică. Mişcările de rotaŃie se notează astfel: - A - rotaŃie în jurul axei X - B - rotaŃie în jurul axei Y - C - rotaŃie în jurul axei Z

ObŃinerea mişcărilor se face fie prin deplasarea piesei, fie prin deplasarea sculei. Prin deplasare se înŃelege atât translaŃia cât şi rotaŃia. Astfel, deplasarea sculei pe axa +X corespunde cu o deplasare a mesei pe direcŃia -X. Acest lucru produce de multe ori confuzie în rândul programatorilor MUCN şi al operatorilor de la maşină. Se greşeşte la stabilirea sensului de parcurs. Pentru a stabili corect sensurile de deplasare pe direcŃia axelor se va respecta următoarea regulă: Pentru stabilirea sensului mişcărilor se consideră piesa ca fiind fixă iar mişcările sunt executate de sculă.

În general nu toate axele unei MUCN sunt comandate numeric. Frecvent se controlează două sau trei axe. În cadrul centrelor de prelucrare şi a unor maşini de frezat complexe, numărul axelor controlate poate ajunge până la 6 (3 translaŃii şi 3 rotaŃii). Dacă axele X, Y, Z sunt comandate simultan, spunem că avem o MUCN în 3 axe. Dacă însă avem control pe toate cele 3 axe, dar numai 2 pot fi comandate simultan, cea dea treia rămânând fixă, se spune că avem o maşină în 2.5 axe (două axe şi jumătate). 5.2. Comanda numerică

Conceptul de comandă numerică a fost realizat la Institutul de tehnologie din

Massachusetts (MIT) în anul 1951 pentru obiective ale ingineriei de proces. "Numeric" înseamnă că intrările datelor de comandă iau forma unor numere. Acestea sunt reprezentate în cod binar şi pot fi procesate direct de controler. Numerele trebuie introduse, pentru a descrie geometria piesei (date ale traiectoriei) şi specificaŃii tehnologice legate de scule şi de viteze de lucru (declaraŃii de mofdificare) sub formă numerică în fiecare caz. Această descriere prin cifre este caracterizată de un prefix literar de adresa (DIN 66 025, ISO DP 6983/3 şi ISO 646)

Orice comandă la care datele traiectoriei sunt introduse într-o formă numerică se consideră a fi comandă numerică, indiferent de dispozitivul de intrare sau de sistemul de stocare a datelor.

3

5.3. Sisteme de referinŃă

Orice mişcare executată de MUCN se raportează la un sistem de referinŃă ortogonal drept. Originea sistemului este punctul în care X=0, Y=0, Z=0 respectiv A=0, B=0, C=0. Alegerea originii este arbitrară, atât pentru axele de translaŃie cât şi pentru axele de rotaŃie. Originea sistemului de referinŃă asociat maşinii unelte poartă denumirea de punct zero al maşinii sau nulul maşinii. Pe MUCN, punctul zero al maşinii reprezintă un punct fix şi bine stabilit în spatiu, odată cu montarea traductoarelor şi testarea maşinii, adică a tuturor reglajelor în regim de comandă numerică. FaŃă de acest punct se poziŃionează piesa de prelucrat pe maşină. Maşina în sine, axele de coordonate şi punctul zero sunt de fapt un sistem rigid din punct de vedere geometric, cu un sistem de axe bine stabilit.

Orice piesă pe care o vom prelucra trebuie mai întâi poziŃionată faŃă de sitemul de coordonate rigid al maşinii (OmXmYmZm) sau sistem absolut şi apoi identificat punctul de unde începe prelucrarea (punctul de start). Programul se scrie însă, faŃă de un sistem de referinŃă al piesei (OpXpYpZp) numit şi sistem relativ, care se alege de programator. Acest sistem este legat de sistemul absolut al MUCN printr-un vector de poziŃie. Această operaŃiune se numeşte poziŃionarea piesei. Programatorul va trebui să indice pe fişa tehnologică unde a ales sistemul de referinŃă şi unde este punctul de start. PoziŃionarea piesei are ca efect transformarea coordonatelor piesei din sistemul (OpXpYpZp) în sistemul (OmXmYmZm) printr-o translaŃie efectuată automat de MUCN.

În practica programării, primul pas care trebuie făcut este alegerea sistemului relativ al piesei (OpXpYpZp). Acest sistem se alege în aşa fel încât exprimarea deplasărilor sculei să se facă cât mai comod după desenul piesei.

Un alt criteriu ar fi posibilităŃile de poziŃionare a semifabricatului pe masa maşinii. Nu există reguli precise pentru alegerea acestui sistem. Cel mai bun ajutor în acest sens este experienŃa programatorului.

Pentru piesele spaŃiale trebuie să se stabilească cu atenŃie şi planul Z=0. Această alegere este foarte importantă deoarece în planele paralele cu planul X0Y au loc deplasările de poziŃionare ale sculei, iar o greseală de programare poate duce la atingerea accidentală a piesei de către sculă. Ca o măsură de prevedere este indicat ca planul Z=0 să se aleagă pe o suprafaŃă plană cu altitudinea cea mai mare (în cazul în care arborele principal este vertical)

5.4. Limbajul comenzii numerice

Programele MUCN sunt formate dintr-o succesiune de coduri care definesc fazele de prelucrare ale unei piese. Un program este alcătuit în principal din fraze care sunt scrise într-o succesiune logică. Fiecare frază se compune din mai multe cuvinte NC. Un cuvânt este compus dintr-o adresă urmată de un grup de cifre. Adresa defineşte memoria sau circuitul de execuŃie din unitatea de comandă în care trebuie să ajungă comanda iar grupul de cifre defineşte comanda. În cadrul frazelor fiecare comandă se transmite codificat printr-o succesiune de caractere. Un caracter reprezintă de fapt o combinaŃie de găuri de pe un rând al benzii perforate sau o combinaŃie de biti în cazul suporŃilor magnetici. Totalitatea caracterelor utilizate în programarea MUCN alcătuiesc codul de programare.

Atât în cazul benzilor perforate cât şi al memoriilor magnetice, frazele sunt separate prin niste caractere speciale (LF, CR).

4

Aranjarea cuvintelor în frază defineşte un format care asigură interschimbabilitatea benzilor suport-program pentru diferite sisteme de comandă numerică. În principiu, cuvintele pot fi codificate pe bandă în orice ordine, dar considerente de ordin practic şi logic impun o anumită ordine, cum ar fi : N- numarul blocului (frazei); G - funcŃii pregătitoare ; X,Y,Z- adrese geometrice F,S,T - adrese tehnologice M- funcŃii auxiliare

InformaŃiile pe care le conŃine un program provenite din desenul piesei şi fişa tehnologică se pot clasifica în informaŃii geometrice, tehnologice şi auxiliare.

5.5. InformaŃii geometrice InformaŃiile geometrice transmit MUCN date referitoare la direcŃia şi sensul de

deplasare, precum şi mărimea acestor deplasări. Toate echipamentele au posibilitatea de deplasare în coordonate absolute sau relative. Orice deplasare relativă după o anumită direcŃie, este pozitivă dacă mişcarea se face în sensul pozitiv al axei respective şi negativă dacă se face în sens contrar.

Structura cuvintelor prin care se transmit informaŃii geometrice cuprinde o adresă, prin care se defineste axa după care are loc deplasarea, urmată de un grup de cifre reprezentând coordonata unui punct. Semnul coordonatei se plasează imediat după adresă, prin el se precizează sensul de deplasare pe axa respectivă.

Există şi o serie de echipamente numerice la care semnul "+" nu este obligatoriu de specificat. La astfel de echipamente lipsa oricărui semn de după adresă va fi interpretată ca fiind semnul "+".

În scriere formală, pentru un anumit echipament, un format cu cuvinte de adresă se poate indica (DIN 66025) astfel:

N20 G02 X-243.75 Y+32.05 I+245.70 J-16.05 F40 S450 T02 M3

în care : N20 - numărul frazei, G02 - adresa pentru tipul traiectoriei (aici arc de cerc) X,Y- punctul de la capătul arcului, I, J- centrul arcului de cerc, F40- avansul , S450- turaŃia, T02- numărul de ordine al sculei, M03- pornirea arborelui principal. Pe echipamentele moderne se pot programa, în afară de coordonate, şi alte informaŃii geometrice referitoare la compensarea lungimii şi a diametrelor sculelor. Cu aceste informaŃii se pot "corecta" din exteriorul programelor, coordonatele de pe banda perforată (magnetică) în funcŃie de lungimea sau diametrul sculei.

Acest lucru este foarte important deoarece permite scrierea programelor fără a cunoaşte lungimea şi diametrul sculei. Ambele corecŃii se introduc de pe consola echipamentului de comandă numerică printr-o adresă specifică, urmată de un grup de cifre care reprezintă valoarea corecŃiei.

5

5.6. Maşinile unelte cu comandă numerică şi centrele de prelucrare Utilizarea programelor numerice permite instalarea unei noi piese. Se realizează piesa cu formă complexă cu preŃuri de cost reduse. PărŃile componente ale unui centru de prelucrare, o maşină unealtă, o magazie de scule, mişcarea de translaŃie, două mese, sistem de manipulare a sculelor aşchietoare. Pe fiecare element mobil există nişte sisteme de axe. Pentru eficienŃa acestui sistem a fost nevoie de introducerea unor elemente suplimentare. Scule aşchietoare care să reducă auxiliari. Măsurarea vitezei de poziŃionare se face cu ajutorul lanŃurilor cinematice reunite. Reglarea sculei aşchietoare se realizează cu ajutorul unei scule de prereglare. Caracteristicile materialului – scula aşchietoare trebuie să aibă o durabilitate foarte bună (plăcuŃe dure – care sunt executate sub formă pătrată). Scule cu eborită (durabilitate foarte mare) – se foloseşte timp îndelungat fără a prezenta uzuri. D.P.D.V. al construcŃiilor – sculele aşchietoare sunt montate în aşa numitul: port scule. Codificare se face cu mai multe cifre care indică locul în care se află o anumită piesă in magazia de scule. În figura 1 se prezintă o maşină unealtă de frezat cu comandă numerică Knuth -Rapimill 700.

Figura 1. Maşina unealtă de frezat cu comandă numerică

PărŃi componente: magazinul de scule şi acŃionarea principală (figura 2) şi comanda numerică (figura 3).

6

Figura 2. Magazia de scule şi acŃionarea principală

Figura 3. Comanda numerică SINUMERIK 802D

Magazia de scule Actionarea principală

7

PărŃile componente ale panoului operator al comenzii numerice SINUMERIK 802D sunt prezentate in fig. 4.

Figura 4 SemnificaŃia tastelor de pe panoul operator este:

Centrul de prelucrare (CP) este o maşină unealtă care are posibilităŃi tehnologice de prelucrare multiple, este echipată cu comandă numerică, dispune de un dispozitiv de înmagazinare a mai multor scule aşchietoare şi efectuează schimbarea automată a acestora.

Principalul avantaj al CP este micşorarea timpului efectiv de prelucrare care este

Ecranul Deplasare axe

Bloc taste alfanumerice

Comanda iluminare

Bloc Cursor

8

mai mic cu cca 35% faŃă de timpul efectiv de prelucrare al unei MU convenŃionale, realizat mai ales prin micşorarea timpilor auxiliari (timpul de schimbare şi reglare a sculelor în arborele principal, timpul de schimbare a poziŃiei piesei de prelucrat, timpul de deservire tehnologic). Micşorarea primelor două componente se realizează prin concentrarea operaŃiilor ce se pot efectua pe aceeaşi MU folosindu-se un număr mare de scule aferente fazelor de prelucrare şi utilizarea de mese rotative indexate de prelucrări de direcŃii diferite ale piesei. Micşorarea timpului consumat cu schimbarea piesei se realizează cu mese suplimentare. ConstrucŃia modulară generală a unui CP este prezentată în fig. 1.2.

Fig. 1.2

Nr. mare de scule de prelucrare şi schimbare automată a acestora la CP este rezolvată prin magazinul de scule. Automatizare ciclului de schimbare a sculelor din magazin în arborele principal al CP necesită mecanisme specifice pentru căutarea sculei, pentru extragerea acesteia din magazin şi alimentarea arborelui principal, iar la alimentarea fazei de prelucrare extragerea sculei din arborele principal şi introducerea şi fixare acesteia în locaşul aferent din magazie. Spre deosebire de MU cu CN cu cap revolver, CP au mecanisme de transfer între magazin şi arborele principal, iar magazinul de scule nu suportă reacŃiunile forŃelor de aşchiere. CP derivă din MU universale conduse cu CN şi echipate cu mecanisme specifice şi se clasifica după mai multe criterii astfel :

a.) după operaŃia tehnologică realizată şi tipul MU din care provine : - CP prin strunjire - CP prin găurire - CP prin găurire frezare şi alezare - CP combinate

9

b.) după poziŃia arborelui principal :

- CP cu arbore principal orizontal - CP cu arbore principal vertical

c.) după forma şi tipul magazinului de scule : - magazin de tip disc (cu axă orizontală,verticală şi

înclinată) - magazin de tip transportor cu lanŃ (dreptunghiular sau

oval) d.) după tipul unităŃi de transfere :

- CP cu mână mecanică simplă - CP cu mână mecanică dublă - CP cu un complex de mâini mecanice simple şi duble - CP fără unitate de transfer - CP cu mâini mecanice şi unitate de transfer

e.) după modul de identificare a sculei : - CP cu codificarea sculei - CP cu codificarea locaşului sculei din magazin

CP sunt foarte variate şi de acea grupare lor este mai puŃin riguroasă şi de aceia acelaşi CP se poate regăsi în diferitele grupuri prezentate anterior.