SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZNAĈAJKE PETOOSNIH OBRADA ZAVRŠNI RAD SAŠA FRANIĆ

Transcription

1 SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZNAĈAJKE PETOOSNIH OBRADA ZAVRŠNI RAD SAŠA FRANIĆ ZAGREB, 2010.

2 SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZNAĈAJKE PETOOSNIH OBRADA ZAVRŠNI RAD Mentor:Prof.dr.sc. Toma Udiljak Student: Saša Franić ZAGREB, 2010.

3 PODACI ZA BIBLIOGRAFSKU KARTICU: UDK: Kljuĉne rijeĉi: Petoosna obrada, Numeričko upravljanje, Strojna obrada, CNC, NC, Alatni strojevi Znanstveno podruĉje: Tehničke znanosti Znanstveno polje: Strojarstvo Institucija u kojoj je rad izraċen: Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Mentor rada: Prof.dr.sc. Toma Udiljak Broj stranica: 120 Broj slika: 106 Broj tablica: 6 Broj korištenih bibliografskih jedinica: 33 Datum obrane: Povjerenstvo: Prof.dr.sc. Miljenko Math predsjednik povjerenstva, redoviti profesor, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Prof.dr.sc. Toma Udiljak voditelj završnog rada, redoviti profesor, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Prof.dr.sc. Dražen Bajić član povjerenstva, redoviti profesor, Fakultet elektrotehnike strojarstva i brodogradnje, Split Institucija u kojoj je rad pohranjen: Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

4 Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Poslijediplomski specijalistički studij Zagreb, Pristupnik: Saša Franić Zadatak: Značajke petoosne obrade Opis: Obrada odvajanjem je jedna od najrasprostranjenijih proizvodnih tehnologija u industriji. Postoji niz postupaka obrade odvajanjem, pri čemu je glodanje najfleksibilniji i jedan od najčešće korištenih postupaka. Zahvaljujući komparativnim prednostima, najveći porast primjene ima petoosno glodanje. Potrebe za petoosnim obradama poticane su globalizacijom i sve većom konkurencijom, što pred proizvoďače postavlja zadatak pronalaženja rješenja za kvalitetniju, jeftiniju i bržu proizvodnju. Petoosne obrade izvode se na strojevima različitih konfiguracija pri čemu svaka ima specifične kinematičke i dinamičke značajke koje je čine pogodnom za odreďenu skupinu obradaka. Najvažnije prednosti petoosnih u odnosu na troosne obrade očituju se u većoj produktivnosti, većoj točnosti, boljoj kvaliteti obraďene površine, manjem škartu i doradama, manjem broju reznih alata, manjem broju naprava za stezanje te manjoj potrošnji prostora, energije i ljudskih resursa. Ključni elementi za uspješnu primjenu petoosnih obrada su pravilna kombinacija alatnog stroja, reznog alata, programske podrške, projektiranja procesa i pripremljenosti osoblja. U radu treba dati integralni prikaz značajki petoosnih obrada: razvitak i područja primjene 5-osne obrade; obrade odvajanjem kod kojih se primjenjuje 5-osna obrada; odnos alata i obratka kod 5-osnih obrada; prednosti 5-osne u odnosu na 3-osnu obradu; konfiguracije 5-osnih alatnih strojeva; generiranje putanje alata; provjera kolizije i simulacija NC-programa; CL datoteka kod 5-osnih obrada i postprocesiranje. Zadatak zadan: Zadatak predan: Mentor: Predsjednik odbora za Voditelj područja: poslijediplomske studije: Prof.dr.sc. Toma Udiljak Prof.dr.sc. Tomislav Filetin Prof. dr.sc. Miljenko Math

5 SADRŢAJ PREDGOVOR... I SAŽETAK... III SUMMARY... IV POPIS OZNAKA... V POPIS SLIKA... VII POPIS TABLICA... XI 1. UVOD PETOOSNE OBRADE PRETPOSTAVKE ZA RAZVOJ NUMERIČKOG UPRAVLJANJA RAZINE NUMERIČKOG UPRAVLJANJA RAZVITAK PETOOSNIH STROJEVA NAJČEŠĆI PRIMJERI PRIMJENE PETOOSNE OBRADE PETOOSNE OBRADE U INDUSTRIJI KALUPA I ALATA OBRADA DRŽAČA REZNIH ALATA PETOOSNOM OBRADOM PETOOSNA OBRADA U INDUSTRIJI PRERADE POLIMERA I OBRADE DRVETA PETOOSNA OBRADA PROPELERA PETOOSNA OBRADA TURBINSKIH LOPATICA SUVREMENI POSTUPCI OBRADE ODVAJANJEM S PRIMJENOM PETOOSNE OBRADE KONCEPCIJE STROJEVA ZA PETOOSNU OBRADU KLASIFIKACIJA STROJEVA PREMA RASPOREDU OSI KOJIMA SE MOGU GIBATI ALAT I OBRADAK KLASIFIKACIJA STROJEVA PREMA LOKACIJI ROTACIJSKIH OSI OSNOVNE METODE PETOOSNE OBRADE OVISNO O KONCEPCIJI STROJA PROJEKTIRANJE TEHNOLOGIJE ZA PETOOSNE OBRADE ZADAVANJE GEOMETRIJE GIBANJA ALATA PARAMETRI PUTANJE GIBANJA ALATA U ZAHVATU STRATEGIJE NAGIBA ALATA TIJEKOM OBRADE KOLIZIJA GIBAJUĆIH KOMPONENTI SA TRENUTNO NEAKTIVNIM POVRŠINAMA... 62

6 6. PROGRAMIRANJE PETOOSNE OBRADE DATOTEKA PUTANJE GIBANJA ALATA PROBLEM INVERZNE KINEMATIKE U PETOOSNOJ OBRADI POSTPROCESORI KOD PETOOSNE OBRADE TRENDOVI KOD PROGRAMIRANJA PETOOSNIH OBRADA RAČUNALNA SIMULACIJA POSTAVLJENE OBRADE KONSTRUIRANJE VIRTUALNOG STROJA SIMULACIJA OBRADE USPOREDBA TROOSNE I PETOOSNE OBRADE USPOREDBA MOGUĆNOSTI TROOSNE I PETOOSNE OBRADE OPIS PRIMJERA TROOSNE I PETOOSNE OBRADE OPERACIJE OBRADE KOJE SE IZVODE JEDNAKO KOD TROOSNE I PETOOSNE OBRADE OBRADA ZAKRIVLJENIH POVRŠINA TROOSNOM OBRADOM OBRADA ZAKRIVLJENIH POVRŠINA PETOOSNOM OBRADOM USPOREDBA DOKUMENTACIJE OBRADE ZAKLJUČAK LITERATURA ŽIVOTOPIS CURRICULUM VITAE

7 Predgovor PREDGOVOR Suvremeno tržište zahtijeva sve kompleksnije izraďene komponente, što za sobom povlači i kompleksnije strojeve na kojima se ti izratci obraďuju. Dodatni zahtjevi se postavljaju na što ekonomičniju i što fleksibilniju proizvodnju te konstantnu borbu s konkurencijom. Kao dio odgovora na te zahtjeve danas se na tržištu nalaze strojevi sa mogućnošću gibanja alata tijekom obrade po pet osi, koje mogu biti translacijske i rotacijske. Dva su osnovna razloga zbog kojih su se standardne koncepcije strojeva trenutno zadržale na pet osi. Prvi je taj što se obratku tijekom obrade može dovesti alat u zahvat sa svih strana i u bilo kojoj orijentaciji, što omogućuje potpunu obradu u samo jednom stezanju. Drugi razlog je taj što višeosna upravljačka računala strojeva podatke i dalje tretiraju jednako kao i petoosna upravljačka računala. Tako, iako danas postoje koncepcije strojeva sa mnogo više osi od pet, oni se i nadalje programiraju metodama programiranja petoosnih obrada, samo što im upravljačka računala upravljaju u odreďenom trenutku sa različitim osima na načine koji se razlikuju u ovisnosti od koncepcija i proizvoďača stroja. Ovaj problem prvenstveno leži u CAD/CAM (Eng. CAD, Computer Aided Design, Konstruiranje podržano računalom; CAM, Computer Aided Manufacturing, Proizvodnja podržana računalom) sustavima, koji još s dosta poteškoća tretiraju podatke obrade za višeosne strojeve, a za programiranje obrada višeosnih strojeva upotreba CAD/CAM sustava je trenutno jedini način efikasnog programiranja. Sama činjenica da petoosnu obradu nije moguće programirati ručno, dovoljno govori o njenoj kompleksnosti. Iako programeri CAD/CAM sustava ulažu mnogo napora kako bi programiranje petoosne obrade što bolje prilagodili korisniku, i dalje je za uspješnu implementaciju programiranja potrebno poznavati temeljne parametre takve obrade. Kako je petoosna obrada relativno novo područje, glavni problem za korisnike predstavlja pronalaženje podobne literature, koja bi im približila osnove petoosne obrade. Stoga se u ovom specijalističkom radu pokušavaju objediniti osnove za sve petoosne obrade, bez obzira na korištene strojeve i računalne programe. Pod pojmom osnove spada poznavanje načina rada strojeva i računalnih programa ispod poklopca, koje bi svaki tehnolog trebao poznavati kako bi mogao učinkovito postaviti parametre obrade. U ovome radu sadržane su opće spoznaje vezane uz petoosne obrade, no meďutim, ukoliko se želi dublje ući u ovu tematiku, potrebno je dodatno i

8 Predgovor proučiti literaturu vezanu za konkretni stroj, korišteni CAD/CAM sustav te područje primjene, kao i literaturu koja obraďuje specifične karakteristike petoosne obrade. ii

9 Sažetak SAŢETAK Za uspješno postavljanje parametara potrebnih za petoosnu obradu, potrebno je poznavati osnove rada računalnih programa i obradnih strojeva, te nadalje njihovo meďusobno sučelje. Kod računalnih programa potrebno je poznavati načine na koje se pomoću programa može projektirati obrada kao i mogućnosti koje program pruža za prevoďenje rezultata u podatke razumljive obradnom stroju. Za zadani stroj potrebno je poznavati njegove kinematičke karakteristike, te njegovu koncepciju, kako bi se mogao postaviti plan obrade komponente. Sučelje računalnih programa i alatnih strojeva dolazi do izražaja pri prilagoďavanju pojedinog računalnog programa za programiranje obrade na odreďenom obradnom stroju. U prvom, uvodnom poglavlju prikazuju se potrebe u proizvodnji koje su dovele do nastanka petoosnih obrada. Nadalje ukratko se opisuje položaj petoosne obrade u današnjoj industriji te utjecaji koje ona ima na industriju i njen općeniti položaj na tržištu. Drugo poglavlje obraďuje povijest i uzroke koji su kronološki doveli do stanja petoosnih obrada kakvo je danas. Prikazuju se tehnologije koje su se koristile u začetcima automatizacije i čimbenici koji su poticali njen daljnji razvoj. Treće poglavlje oslikava trenutno stanje. Prikazana su područja primjene petoosnih obrada i njene mogućnosti u industriji. Četvrto poglavlje donosi tehničke osnove strojeva za petoosnu obradu i njihove mogućnosti sa tehničkog aspekta. Peto poglavlje pokriva tematiku koju je potrebno poznavati kada se programira petoosna obrada. Poglavlje opisuje mogućnosti programiranja i način na koji CAD/CAM sustavi mogu shvatiti postavljenu obradu. Nadalje se opisuju bitni parametri vezani za gibanje alata tijekom obrade. Šesto poglavlje opisuje način prijenosa podataka iz CAD/CAM sustava u obradni stroj, uz potpoglavlje o inverznoj kinematici gdje se obraďuje tehnička podloga programiranja obradnih strojeva. Opisane su i neke mogućnosti programiranja koje bi trebale zaživjeti u budućnosti. Sedmo poglavlje daje uvid u simulaciju obrade, kao i važnost simulacije u petoosnoj obradi. Osmo poglavlje prikazuje usporedbu troosne i petoosne obrade. U poglavlju se izlažu prednosti koje petoosna obrada pruža nad troosnom obradom, što se nadalje u poglavlju prikazuje na primjeru kako bi se dobio jasniji uvid. Deveto poglavlje u kratkim crtama sažima opravdanost ulaganja u petoosne strojeve sa točke gledišta alatnice. Dodatno se prikazuju mogućnosti koje bi se mogle očekivati od petoosnih strojeva i petoosnih obrada u budućnosti. iii

10 Summary SUMMARY To successfully set up process parameters for five axes machining, the basic knowledge of computer programs and machine tools, and additionally their mutual interface are essential. For computer programs are important ways on which machining can be programmed and which program can translate data from program results to data that machines need for machining. Considering machine tools it is important to know the kinematic characteristics, its conceptions, in order to design proper machining strategy. The interface of computer programs and machines is important when specific computer program has to be related with specific machine. Production needs which have led to emergence of five axes machining are covered in the first, introductory chapter. Furthermore, the position of five axes machining in up to date industry and influences that it has on industry and its general position on the market are briefly shown. The second chapter elaborates the history and causes which had chronologically led to the situation in five axes machining that we have today. Here are shown technologies which are used in rudiments of automatization and factors which stimulate its further development. The third chapter shows current situation of five axes machining. Here are shown areas where five axes machining is applied and its capabilities in industry. The forth chapter introduces general technical themes that are connected with machine tools which do machining and its capabilities from technical aspects. The fifth chapter covers the themes which should be known when programming five axes machining. The chapter describes programming capabilities and methods which CAD/CAM systems can comprehend when programming is doing. Furthermore there are described important parameters connected with tool motion during machining. The sixth chapter describes data transfer from CAD/CAM systems to machine tool. The subchapter of inverse kinematics covers technical basements of machine tools programming. There are also described some possibilities which will surely take place in future. The seventh chapter gives an introduction to machine simulation and the matters of simulation of five axes machining. The eighth chapter shows comparision of three and five axes machining. Advantages that five axes machining has over three axes machining are exhibited, which are futhermore showen in example. The nineth chapter briefly summarize justifications of investments in five axes machine tools from a machine shop point of view. Additionaly chapter shows possibilities which could be expected from five axes machine tools and five axes machining in a near future. iv

11 Popis oznaka POPIS OZNAKA CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing NC Numerical Control CNC Computer Numerical Control APT Automatically Programmed Tools DNC Direct Numerical Control DNC Distributed Numerical Control OMAC Open Modular Architecture Control CAPP Computer Aided Proces Planning HSM High Speed Machining EDM Electrical Discharge Machining CBN Cubic Boron Nitride MQL Minimum Quantity Lubrication FMS Flexible Manufacturing System RMS Reconfigurable Manufacturing System RMT Reconfigurable Machine Tool RIM Reconfigurable Inspection Machine ISO International Organization for Standardization CL Cutter Location SHIP sredstvo za hlaďenje, ispiranje i podmazivanje STL Stereolitography (način spremanja podataka nastao od navedene riječi) MIT Massachusetts Institute of Technology X, Y i Z translacijske osi A i B rotacijske osi T translacija R rotacija n normala na obraďivanu površinu κ kut oštrice alata[ o ] β f kut nagiba alata paralelno sa smjerom obrade [ o ] v

12 Popis oznaka β n kut nagiba alata okomito na smjer prolaza [ o ] κ c kut oštrice alata u zahvatu [ o ] κ a kut ulazne oštrice alata u zahvatu [ o ] κ e kut izlazne oštrice alata u zahvatu [ o ] φ c rotacijski kut oštrice alata u zahvatu [ o ] φ a rotacijski kut izlazne oštrice alata u zahvatu [ o ] φ c rotacijski kut ulazne oštrice alata u zahvatu [ o ] K odabrana točka na oštrici alata u zahvatu F rezna površina alata u zahvatu [mm 2 ] A- površina poprečnog presjeka odvojene čestice [mm 2 ] u jedinični vektor f posmak [mm] f vektor smjera posmičnog gibanja D oznaka matrice s kutovima zakreta alata a p dubina rezanja [mm] v c brzina rezanja [m/min] h debljina odvojene čestice [mm] θ kut zakreta glavnog vretena [ o ] P vektor pomaka α, β i γ kutovi izmeďu normale na obraďivanu površinu i koordinatnih osi [ o ] vi

13 Popis slika POPIS SLIKA Slika 1: Sučelje alatnog stroja, alata i obratka te ostalih čimbenika koji sudjeluju u procesu obrade [1]... 1 Slika 2: Kvalitativni prikaz svojstava reznih alata [1]... 2 Slika 3: Trendovi u suvremenoj proizvodnji [1]... 3 Slika 4: Neka obilježja suvremene proizvodnje [1]... 4 Slika 5: Potrošnja obradnih strojeva u svijetu u periodu [1]... 5 Slika 6: Jedan od prvih strojeva s oblikom numeričkog upravljanja [1]... 8 Slika 7: Fleksibilni obradni sustav za izradu velikih komponenti [6] Slika 8: Sustav RMS sa svojom podkompomentom naziva Rekonfigurabilni obradni stroj ili RMT (Eng. Reconfigurable Machin Tool) [13] Slika 9: Primjer obrade kalupa za trup broda [1] Slika 10: Različite razine postupaka izrade kalupa [14] Slika 11: Obrada jezgre kalupa [7, 6] Slika 12: Obrada matrice kalupa [7, 6] Slika 13: Obrada koničnih alata [7, 6] Slika 14: Primjer glodala za obradu drveta [7] Slika 15: Skidanje srha s polimernih tvorevina [7, 6] Slika 16: Obrada drvenih modela [7, 6] Slika 17: Završna obrada dijelova namještaja [7, 6] Slika 18: Gruba obrada propelera [7] Slika 19: Završna obrada lopatica propelera [7] Slika 20: Gruba obrada turbinske lopatice [7] Slika 21: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s zaobljenim vrhom [7] Slika 22: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s vrhom zaobljenih rubova [7] Slika 23: Uporaba visokobrzinske obrade za obradu kalupa od otvrdnutog materijala [4] Slika 24: Obrada dijelova visoke tvrdode tokarenjem [1] Slika 25: Udio troškova u proizvodnji s primjenom SHIP-a; Mercedes Benz, Stuttgart, [1] Slika 26: Shema gubitaka SHIP-a u procesu obrade [1] Slika 27: Primjer obrade robotom [1] Slika 28: Neke relacije između alatnih strojeva i robota [1] Slika 29: Prikaz relacija veličina na različitim razinama Slika 30: Opda podjela mikro obrada Slika 31: Koncepcija stroja XYZA'B' iz grupe 3/2' [8] Slika 32: Koncepcija stroja XBYAZ iz grupe 2/3' [8] vii

14 Popis slika Slika 33: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na obradnom stolu [8] Slika 34: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na glavnom vretenu [8] Slika 35: Koncepcija stroja sa rotacijskim osima na glavnom vretenu i na stolu [8] Slika 36: Obradak prikladan za obradu primjenom strategije pozicioniranja alata [6] Slika 37: Primjer simultane petoosne obrade [6] Slika 38: Kutovi obrade u XY ravnini, te u odnosu na Z-os kod paralelne obrade [10] Slika 39: Putanje okomite na vodedu krivulju [10] Slika 40: Oblik putanja između krivulja [10] Slika 41: Putanje paralelne s krivuljom [10] Slika 42: Oblik putanja između zadanih površina [10] Slika 43: Putanje paralelne sa zadanom površinom [10] Slika 44: Obrada bočnom stranom alata [10] Slika 45: Način na koji se računalnom programu zadaju tolerancije na putanju alata [10] Slika 46: Utjecaj razmaka između prolaza na kvalitetu obrađene površine [10] Slika 47: Cik -cak, jednosmjerna i spiralna metoda obrade [10] Slika 48: Točka obrade na centru i na polumjeru zaobljenja vrha alata [10] Slika 49: Točke dodira alata i obrađivane površine s karakterističnim parametrima [10] Slika 50: Nagibi alata tijekom obrade [12] Slika 51: Karakteristični kutovi koji se pojavljuju prilikom nagiba alata [12] Slika 52: Geometrija alata sa polukuglastim vrhom[12] Slika 53: Rubne linije na obrađivanoj površini [12] Slika 54: Obrada bez nagiba alata [10] Slika 55: Nagib alata relativno na smjer obrade primjenom cik-cak strategije [10] Slika 56: Nagib alata za zadanu vrijednost kuta [10] Slika 57: Nagib kroz točku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10] Slika 58: Nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10] Slika 59: Nagib kroz točku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u negativnom smjeru [10] Slika 60: Lokalna kolizija alata i obrađivane površine[9] Slika 61: Globalna kolizija držača alata i neaktivne površine[9] Slika 62: Opdeniti sadržaj CL datoteke [1] Slika 63: Primjer sadržaja CL sloga [1] Slika 64: Koordinatni sustavi alata, stroja i točke na obratku Slika 65: Dobivanje matrice transformacija translacijama i rotacijama Slika 66: Zakretanje koordinatnih osi za kutove θ1 i θ Slika 67: Programirani kod za dobivanje matrice transformacija u računalnom programu Matlab viii

15 Popis slika Slika 68: Unos ulaznih varijabli u računalni program Matlab Slika 69: Ispis rezultata iz računalnog programa Matlab Slika 70: Stol stroja Deckel Macho 50 evolution [11] Slika 71 :Izvedba stroja kod kojeg se dvije rotacijske osi sijeku pod kutom od 45 0 [11] Slika 72: Pozicije B i C osi prilikom prolaska alata kroz točku singularnosti [11] Slika 73: Shema rada postprocesora [14] Slika 74: Prednosti koje donosi programiranje obrade STEP-NC sustavima [14] Slika 75: Model slanja podataka upotrebom STEP-NC načina programiranja [14] Slika 76: STEP-NC sučelje na CNC stroju koje prikazuje geometriju dijela, vrijednosti tolerancija i preporučene parametre obrade [32] Slika 77: Shema razmjene AP 238 podataka [14] Slika 78: Primjer prikaza značajki na dijelu za obradu [14] Slika 79: Primjer oznaka geometrijskih karakteristika [14] Slika 80: Primjer putanja alata [14] Slika 81: Shema povezanosti računalnih tehnologija CAPP, CAD i CAM [14] Slika 82: Opda arhitektura rada CAPP sustava [14] Slika 83: Sučelje za upravljanje simulacijom u računalnom programu SolidCAM [12] Slika 84: Model virtualnog stroja u računalnom programu (primjer u SolidCAM-u) [12] Slika 85: Simulacija obrade u računalnom programu SolidCAM [12] Slika 86: Položaj alata tijekom obrade troosnim strojem [9] Slika 87: Položaj alata tijekom obrade petoosnim strojem [9] Slika 88: Prednost petoosne obrade nad troosnom kod konturnog glodanja-veda krutosti alata [9] Slika 89: Dimenzije i oblik sirovca i obratka u primjeru obrade Slika 90: Definirane i programirane obrade prikazane u sučelju SolidCAM-a Slika 91: Definirani koordinatni sustav, sirovac i izradak Slika 92: Čeono glodanje obratka Slika 93: Konturno glodanje obratka Slika 94: Odabir glodala u SolidCAM-u Slika 95: Zadavanje tehnologije obrade u SolidCAM-u za troosni mod Slika 96: Obrada zakrivljenih površina na troosnom stroju Slika 97: Izgled površine izratka nakon troosne obrade Slika 98: Zadavanje geometrije obrade u SolidCAM-u za petoosni mod Slika 99: Zadana krivulja-uzorak za kretanje alata tijekom obrade Slika 100: Označene površine koje je potrebno obraditi Slika 101: Izbor alata za petoosnu obradu ix

16 Popis slika Slika 102: Generirane putanje alata za petoosnu obradu Slika 103: Prolaz alata preko zakrivljenih površina primjenom petoosne obrade Slika 104: Izgled površine izratka nakon petoosne obrade Slika 105: Početak ispisa NC-koda troosne i petoosne obrade iz primjera x

17 Popis tablica POPIS TABLICA Tablica 1: Mogudi sadržaj u riječi broj dva CL datoteke [1] Tablica 2: Format i sadržaj CL sloga tipa 1000 [1] Tablica 3: Format i sadržaj CL sloga tipa 2000 [1] Tablica 4: Format i sadržaj CL sloga tipa 3000 [1] Tablica 5: Format i sadržaj CL sloga tipa 5000 [1] Tablica 6: Podaci postupka obrade i konačne brzine operacija obrade xi

18 Uvod 1. UVOD S napretkom tehnologije tijekom prošlog stoljeća pojavila se potreba za izracima sve složenijih površina. Takve složene površine nepravilnih geometrija najviše se zahtijevaju u zrakoplovnoj i automobilskoj industriji, industriji turbina i propelera, te u industriji alata i kalupa. U početku su se takvi izraci uspješno izraďivali na troosnim strojevima korištenjem alata sa oblim vrhom. MeĎutim kako su zahtjevi rasli, a troosni strojevi sve teže udovoljavali traženim zahtjevima, u proizvodnju su se postepeno počeli uvoditi i višeosni strojevi i to posebno oni sa pet simultanih osi ili petoosni strojevi. Takvi strojevi u većini slučajeva uz tri translacijske osi, posjeduju još dvije rotacijske osi. Ovim koncepcijama strojeva alati su se tijekom obrade mogli u jednom stezanju privesti svim obraďivanim površinama pod bilo kojom orijentacijom. Važno je napomenuti da uvoďenje petoosnih strojeva ne bi predstavljalo veliki iskorak da u isto vrijeme njihovo programiranje nije popraćeno jednako brzim razvojem CAD/CAM sustava. Tako je ručno pisanje koda za NC (Eng. Numerical Control, Numeričko upravljanje) strojeve zamijenjeno programiranjem obrade u grafičkom okruženju na računalu uz znatne vremenske uštede. Slika 1: Suĉelje alatnog stroja, alata i obratka te ostalih ĉimbenika koji sudjeluju u procesu obrade [1] 1

19 Uvod MeĎutim ubrzani razvoj petoosne obrade potrebno je sagledati iz perspektive cjelokupnog razvoja suvremene proizvodnje, Slika 1. Proizvodni proces karakteriziraju osnovni elementi: alatni stroj, alat i obradak, te svi dodatni elementi. Kod svih tih komponenti postoje stalne tendencije povećanja produktivnosti i ekonomičnosti. Te tendencije su najviše očituju kod: uvoďenja novih materijala; uvoďenja novih tehnologija. Zbog stalnih zahtjeva za povećanjem kvalitete proizvoda danas su prisutne tendencije stalnog uvoďenja novih materijala, kako materijala obradaka, odnosno proizvoda, tako i materijala alata za obradu. Kod obradaka je stalno prisutna tendencija uvoďenja novih materijala sa sve boljim mehaničkim i drugim eksploatacijskim svojstvima. Tu posebno prednjače kompozitni materijali, te titan i njegove legure. UvoĎenje novih materijala obradaka postavlja nove zahtjeve i za alatne strojeve, alate i upravljanje obradnim procesima. Rezni alati imaju vrlo intenzivan razvoj zbog stalne izloženosti zahtjevima za sve većim brzinama obrade, boljom kvalitetom obraďene površine, nižim cijenama, manjem trošenju i sl. Slika 2. Slika 2: Kvalitativni prikaz svojstava reznih alata [1] 2

20 Uvod Najveći dio reznih alata čine alati od tvrdog metala s različitom veličinom zrna karbida i različitim brojem i vrstom prevlaka. Sve više se koriste i super tvrdi materijali kao kubični borov nitrid ( Eng. CBN, Cubic Boron Nitride), jer su oni preduvjet za učinkovite obrade otvrdnutih i kompozitnih materijala. Minijaturizacija dijelova i razvoj mikroobrada imaju svoje specifičnosti kako u pogledu reznih alata, tako i u pogledu svih ostalih komponenti i modula obradnih sustava. Danas na području proizvodnje postoje različite obradne tehnologije koje su najčešće povezane s karakterističnim granama industrije, gdje su u mnogim slučajevima i meďusobno povezane. Uz konvencionalne i standardne CNC (Eng. Computer Numerical Control, Računalno numeričko upravljanje) obrade najviše su zastupljene: visokobrzinske obrade, tvrde obrade, suhe obrade, mikro-obrade, obrade vodenim mlazom, obrade upotrebom robota, elektroerozije itd. Svaka od tih obrada posjeduje odreďene specifičnosti koje se reflektiraju na cijeli sustav. Sadašnji trendovi idu ka tome da se ne izraďuju više velike serije proizvoda nego one manjih količina, ali uz konačnu cijenu proizvoda gotovo kao kod velikih serija. Takvi trendovi zahtijevaju izrazito veliku fleksibilnost u proizvodnji. Da bi tvrtka u današnje vrijeme u tome uspjela, potrebno je da prati trendove na svim aspektima suvremene proizvodnje, od kojih je višeosno upravljanje samo jedan dio puta ka uspjehu. Koji su to sve trendovi najbolje se uočava sa Slika 3: Slika 3: Trendovi u suvremenoj proizvodnji [1] 3

21 Uvod Iz prikaza je očito da su pritisci za konkurentnost i fleksibilnost proizvodnje veliki a osnovni zahtjevi koji vode do tih trendova u današnje vrijeme su [1]: zahtjevi za većom produktivnošću; zahtjevi za kraćim vremenom obrade; zahtjevi za većim iskorištenjem alatnih strojeva; zahtjevi za stalnim povećanjem kvalitete obrade; zahtjevi za očuvanje okoliša; novi teže obradivi materijali obratka. Zahtjevi tržišta spram onoga od prije nekoliko desetljeća su se takoďer značajno promijenili u posljednje vrijeme. Osnovna obilježja suvremenog tržišta su [1]: skraćenje vijeka trajanja proizvoda na tržištu; smanjenje veličine serije proizvoda; povećanje broja varijanti proizvoda; povećanje utjecaja i želja kupaca na oblik i karakteristike proizvoda; česte promjene želja kupaca; utjecaj konkurencije; jeftiniji i kvalitetniji proizvodi. Slika 4: Neka obiljeţja suvremene proizvodnje [1] 4

22 Uvod Svi navedeni trendovi i zahtjevi odrazili su se i na zahtjeve za obradnim strojevima i obradnim sustavima, koji moraju na sve zahtjeve ponuditi primjerene odgovore kako bi kompanija ostala konkurentna. Tako se danas kao obilježja suvremenih proizvodnih sustava ističu: veliku fleksibilnost i mogućnost brze reakcije na zahtjeve tržišta; visok stupanj iskorištenja radnog vremena; smanjenje proizvodnih troškova (rentabilnost); održavanje kvalitete proizvoda uz minimalni otpad; autonoman rad. MeĎutim uz sve navedene napore potrebno je još uvažiti aspekt globalizacije koja može dovesti do nepredvidivih kretanja, Slika 5. Tako primjerice danas zemlje s jeftinom radnom snagom uspijevaju kroz strana ulaganja pribaviti najnovije tehnologije koje inicijalno nisu same morale proizvoditi, te uz jeftini rad dati nisku cijenu konačnog proizvoda, što ih drži izrazito konkurentnima. Slika 5: Potrošnja obradnih strojeva u svijetu u periodu [1] 5

23 Uvod U godini [1] dvadeset i osam najrazvijenijih zemalja svijeta proizvelo je obradnih strojeva u vrijednosti 55,2 milijarde dolara (meďutim to je za 30% manje u odnosu na godine, što je uzrokovano ekonomskom krizom). U toj proizvodnji pet azijskih zemalja: Japan, Kina, Indija, Tajvan i Južna Koreja drže skoro 50%. U potrošnji obradnih strojeva, Slika 5, većina zemalja osim Kine držala je konstantnu razinu tijekom zadnjeg desetljeća, dok su godine zabilježile znatan pad. S druge strane Kina je tijekom desetljeća bilježila konstantan porast potrošnje obradnih strojeva, a to je ostvarila čak i u godini. 6

24 Petoosne obrade 2. PETOOSNE OBRADE 2.1. Pretpostavke za razvoj numeriĉkog upravljanja Automatizacija alatnih strojeva započela je oko 1800 godine uvoďenjem bregastih vratila koja su pokretala alatni stroj. U početku su to većinom bili strojevi ugraďeni u glazbene kutije ili ku- ku satove. IzmeĎu 1820 i 1830 Thomas Blanchard je konstruirao kopirnu tokarilicu za proizvodnju dijelova nekih oružja, a Christopher M. Spencer je 1870 napravio tokarilicu s okretnom glavom. Svoj vrhunac alatni strojevi bazirani na bregastim vratilima dosežu za vrijeme Prvog svjetskog rata. MeĎutim sve takve izvedbe bile su daleko od numeričkog upravljanja, jer nisu mogle biti apstraktno programirane. To znači da nije postojala direktna veza izmeďu oblika obraďivanog obratka i koraka obrade potrebnih za njegovu izradu. Bregasta vratila su radila na bazi kodiranih informacija, ali te informacije su se morale ručno unositi sa inženjerskih nacrta različitim tehnologijama. Tijekom razvoja takvih strojeva bilo je potencijala za spajanje pojedinačnih obrada u neke oblike automatiziranog upravljanja. MeĎutim stvarna automatizacija nastupila ja mnogo desetljeća poslije. Primjena hidraulike na strojevima sa bregastim vratilima rezultirala je pojavom automatizacije kroz dodatne naprave koji su imale probnu iglu koja bi prelazila preko zadanog predloška. Primjer ovog stroja je bio Pratt i Whitneyev stroj zvan Keller. Ovaj stroj je mogao kopirati predloške duge nekoliko metara. Sljedeći pristup prezentirala je kompanija General Motors (GM) pedesetih godina dvadesetog stoljeća pod nazivom snimi i ponovi (Eng. Record and Playback). Ovim načinom su se snimale putanje alata kojima je pri obradi nekog dijela upravljao iskusan operater. Snimljeni podaci su se spremali i po potrebi ponovo koristili. Kronološki povijesni tijek razvoja strojeva mogao bi se postaviti kako slijedi: Nizozemska - sustavi za automatsko zvonjenje zvonima; Engleska - upotreba bušene kartice za upravljanje strojevima za pletenje; Jacquard razvio stroj za pletenje i tkanje upravljan bušenom vrpcom; Charles Babbage konstruirao prvo digitalno računalo (nije bilo nikada izvedeno); M. Fourneaux patentirao prvi automatski pijanino; Eli Whitney uvodi proizvodnju zamjenljivih dijelova (upotreba steznih naprava); uvode se hidraulika, pneumatika i elektrika za automatsko upravljanje strojem; 7

25 Petoosne obrade Mauchly i Eckert razvijaju prvi digitalni elektronički kompjutor ENIAC; inicijativa za razvoj numerički upravljanih alatnih strojeva, zadatak MIT-a; MIT- numerički upravljana glodalica-bušilica (Hydrotool); US Air Force (Zrakoplovstvo SAD-a) je pokrenulo projekt razvitka alatnog stroja koji je bio sposoban obraďivati složene dijelove (osigurati zamjenjivost dijelova) za zrakoplovnu industriju sa uskim tolerancijama na obraďenu površinu. Projekt je raďen na MIT (Massachusets Instiute of Technology) pod vodstvom Johna Parsonsa; prva svjetska instalacija numerički upravljanog alatnog stroja; razvoj automatskog programiranja i programskog jezika APT (Eng. Automatic Programmed tools). Slika 6: Jedan od prvih strojeva s oblikom numeriĉkog upravljanja [1] 8

26 Petoosne obrade 2.2. Razine numeriĉkog upravljanja Povijest numeričkog upravljanja počinje na MIT-u godine kada je za potrebu obrade komponenti vojnih helikoptera uvedeno glodanje prema podacima s bušene vrpce. Vrpca se sastojala od sedam redova, od kojih su prva tri sadržavala podatke za upravljanje s osi stroja, a ostala četiri reda podatke i različite dodatne informacije za upravljanje procesima [33]. Već godine uz bušene vrpce pojavljuju se podaci na magnetnim vrpcama. MeĎutim svo to vrijeme podaci za bušene i magnetne vrpce pisani su ručno. Godine John Runion konstruirao ureďaj pod nazivom Whirlwind koji je podatke na vrpce upisivao uz pomoć računala. Neki to uzimaju kao početak pojave CNC-a premda se stvarni početak CNC-a veže uz sedamdesete godine prošlog stoljeća. Kako je ovom metodom znatno skraćeno vrijeme izrade programa za obradu, slijedio je strelovit napredak na ovome području, koji traje i danas. Kronološki se povijest numeričkog upravljanja može prikazati kako slijedi: MIT je objavio razvitak prvog jezika za programiranje NC strojeva. Jezik je nazvan APT; Direktno numeričko upravljanje DNU (Eng. Direct Numerical Control DNC) Omogućeno je izravno slanje programa iz DNC računala u upravljačko računalo CNC stroja (bušena vrpca nije nužna); u kompaniji Kearney & Trecker izraďen je prvi obradni centar; 1970-tih. pojava CNC alatnih strojeva, a odmah nakon toga Distribuiranog numeričkog upravljanja DNU (Distributed Numerical Control DNC). Skraćenica DNC dobiva novo značenje; 1980-tih. pojava CAD/CAM sustava. Javljaju se CAD/CAM sustavi za operativni sustav Unix i za PC računala; 1990-te. veliki pad cijena u CNC tehnologiji; pojava upravljačkih računala zasnovanih na otvorenoj arhitekturi (PC Windows/ NT based Open Modular Architecture Control (OMAC) systems). Danas su se na bazi NC upravljanja razvile različite razine i načini upravljanja za poboljšanje produktivnosti i ekonomičnosti proizvodnje. Različite industrije zahtjevale su različita usavršavanja ovih tehnologija u odreďenim granama, što je dovelo do stanja da danas 9

27 Petoosne obrade postoje neke potpuno specifične razine vezane uz NC upravljanje. Od specifičnih načina upravljanja proizvodnjom potrebno je navesti: direktno numeričko upravljanje ili DNC; fleksibilni obradni sustavi ili FMS (Eng. Flexible Manufacturimg System); rekonfigurabilni proizvodni sustavi ili RMS (Eng. Reconfigurable Manufacturing System). Direktno numeričko upravljanje još nazivano i Distribuirano numeričko upravljanje je izraz za upravljanje proizvodnjom pomoću IT mreža. Kako na pojedinim obradnim strojevima dostupna memorija pojedinih upravljačkih računala nije dovoljno velika da sadrži izvoďenje cijeloga programa (primjer su obrade kompleksnih površina), podaci se u takvim slučajevima pohranjuju na odvojeno stolno računalo i šalju direktno na izvoďenje u stroj, blok po blok. Ukoliko je takvo računalo spojeno sa više obradnih strojeva, ono može distribuirati podatke na više mjesta u isto vrijeme, što se omogućava posebnim dodatnim računalnim programima. Sa razvitkom PC računala proizvoďačima DNC sustava su se otvorile dodatne mogućnosti za podršku proizvodnje, osim same pohrane podataka. Tako se danas pod ovim terminom dodatno nude usluge kao: nadgledanje obrade u stvarnom vremenu, grafička podrška, upravljanje alatima, statističko praćenje rada strojeva i proizvodnje općenito i sl. Ovakvi programi pružaju operaterima integrirani pregled svih informacija (tekstualnih i grafičkih) potrebnih za djelotvornu obradu, dok menadžementu pružaju uvid u proces proizvodnje na svakom koraku. Vrlo često su DNC sustavi u kompanijama povezani sa CAD/CAM i CAPP (Eng. Computer Aided Process Planning) sustavima. Fleksibilni obradni sustavi su sustavi koji posjeduju odreďenu dozu fleksibilnosti koja omogućava sustavu da reagira u slučaju zahtjeva za promjenom bilo ona predvidljiva ili nepredvidljiva. Ta fleksibilnost se općenito dijeli na dvije kategorije, iako svaka od njih može posjedovati još mnogo podkategorija: fleksibilnost stroja; usmjerena fleksibilnost. 10

28 Petoosne obrade Fleksibilnost stroja pokriva područje sposobnosti sustava da reagira na promjene kako bi mogao proizvesti nove tipove proizvoda, te sposobnost promjene redoslijeda operacija koje se izvršavaju nad dijelom. Usmjerena fleksibilnost se sastoji od sposobnosti korištenja većeg broja strojeva korištenih za izradu dijela, kao i sposobnost sustava da apsorbira velike promjene kao u primjerice količini proizvedenih dijelova ili u djelotvornosti proizvodnje. Slika 7: Fleksibilni obradni sustav za izradu velikih komponenti [6] Većina FMS sustava se sastoji od triju osnovnih podsustava. Sustav alatnih strojeva koji su uvijek CNC strojevi, spojen je sustavom za manipulaciju obratcima kako bi se optimirao protok dijelova, a sve je nadgledano i upravljano sustavom računalnog upravljanja. Osnovne prednosti FMS-a su: brzina izrade, manja jedinična cijena, veća efikasnost, bolja kvaliteta, povećana djelotvornost sustava, sposobnost povezivanja sa CAD/CAM sustavima, itd. Osnovni nedostak je cijena postavljanja sustava. 11

29 Petoosne obrade FMS protok podataka sastoji se od dviju osnovnih tipova podataka u obliku velikih datoteka i malih poruka. Ti podaci većinom pristižu sa različitih čvorova, ureďaja ili instrumenata. Veličina malih poruka kreće se u rasponu od nekoliko byte-ova do nekoliko stotina byte-ova. Za razliku od poruka podaci izvršnog računalnog programa, te neki slični podaci sastoje se od datoteka velikih dimenzija. Postoje i odreďena odstupanja u potrebnom vremenu za odgovor komponenti u sustavu. Velike datoteke programa sa glavnog računala obično zahtijevaju do šezdeset sekundi za učitavanje od strane pojedinog instrumenta ili stroja na početku FMS operacije. Poruke sa instrumenata šalju se periodično u vremenu sa predodreďenim vremenskim odstupanjima. Ostali tipovi poruka koje prenose hitne obavijesti su posebno malih veličina i moraju biti odaslane i primljene gotovo trenutno. Danas su kod FMS sustava najizraženija istraživanja oko mrežnih protokola koji bi djelotvorno podržavali FMS karakteristične podatke. To je prvenstveno stoga što postojeći IEEE standardni protokoli ne zadovoljavaju u potpunosti komunikacijske zahtjeve u FMS okruženju. Rekonfigurabilni (podesivi) proizvodni sustavi Rekonfigurabilni proizvodni sustavi ili skraćeno RMS u usporedbi s FMS imaju različite ciljeve. Osnovni cilj FMS-a je povećanje različitosti proizvedenih dijelova. Osnovni cilj RMS-a je povećanje brzine odgovora na zahtjeve tržišta. RMS je takoďer fleksibilan ali u ograničenom opsegu. Njegova fleksibilnost je ograničena samo na proizvodnju porodica izradaka. Osnovnu primjenu FMS je pronašao kod proizvodnje malih serija proizvoda. Proizvodnja korištenjem RMS- a kreće se od malih do vrlo velikih serija proizvoda, Slika 8. RMS je prvotno dizajniran tako da može brzo promijeniti vlastitu strukturu, kao i vlastite komponente hardvera i softvera, kako bi brzo postavio svoje proizvodne mogućnosti na iznenadne promjene tržišta ili unutrašnjih sistemskih promjena. Idealni RMS posjeduje šest osnovnih karakteristika: modularnost; integritet; prilagodljivu fleksibilnost; raspon djelovanja; promjenjivost; dijagnosticiranje. 12

30 Petoosne obrade Slika 8: Sustav RMS sa svojom podkompomentom naziva Rekonfigurabilni obradni stroj ili RMT (Eng. Reconfigurable Machin Tool) [13] Modularnost predstavlja razdjeljivanje proizvodnih funkcija na različite operacijske jedinice kako bi se njima moglo upravljati izmeďu različitih proizvodnih shema. Osnovni cilj ovakvog načina rada je postizanje optimalne razine proizvodnje. U RMS većina komponenti je tipično modularna (npr. strojevi, upravljačke osi, upravljačka računala...). Ukoliko se prilikom rada pokaže potreba, te komponente mogu biti zamjenjene novima koje bolje odgovaraju postavljenim zahtjevima. Integritet predstavlja sposobnost brzog i preciznog integriranja različitih modula u skupove mehaničkih, informacijskih ili upravljačkih sučelja. Integracijska pravila omogućuju konstruktorima strojeva da povežu različite skupove komponenata stroja sa strojnim modulima i tako omoguće integraciju proizvodnje. Kada se promatra sa razine sustava, različite module predstavljaju strojevi, koji se integriraju pomoću sustava za transportiranje dijelova koji se obraďuju, te tako tvore podešavajući sustav. Prilagodljiva fleksibilnost omogućuje konstruiranje sustava za proizvodnju familije dijelova, prije nego proizvodnju pojedinog dijela. Familija dijelova predstavlja npr. nekoliko vrsta blokova motora ili nekoliko vrsta mikroprocesora. To znači da u kontekstu RMS-a, familija dijelova predstavlja sve dijelove koji imaju slične geometrijske značajke, jednak stupanj tolerancija, zahtijevaju iste operacije obrade ili su u jednakom redu koštanja. Raspon djelovanja predstavlja sposobnost lake promjene proizvodnih kapaciteta sa prenamjenama komponenti postojećeg proizvodnog sustava. Ova karakteristika na razini stroja može predstavljati dodavanje pomoćnog vretena stroju kako bi mu se povećala produktivnost. 13

31 Petoosne obrade Promjenjivost je sposobnost promjene funkcionalnosti postojećeg sustava, strojeva i upravljačkih računala kako bi se zadovoljili novi proizvodni zahtjevi. Primjer promjenjivosti može biti promjena okretnog momenta vretena stroja, kada se pojavi potreba za obradom materijala sa različitim obradnim karakteristikama od onih za koje je stroj do tada bio namjenjen. Dijagnosticiranje je sposobnost automatskog uvida u trenutno stanje sustava i detekcije mogućih zastoja, te pronalaska rješenja za njihovo otklanjanje. Dijagnosticiranje ima dva aspekta. Prvi se odnosi na detekciju zastoja na pojedinom stroju tokom rada, dok se drugi odnosi na detekciju izradaka s nezadovoljavajućom kvalitetom obrade. Drugi aspekt je od prilične važnosti kod RMS sustava. Kako su proizvodni sustavi rekonfigurabilni, njihove postavke su izložene učestalom mjenjanju, te je stoga važno da sustav ima sposobnost brze prilagodbe novom načinu rada kako bi mogao proizvesti izratke zadovoljavajuće kvalitete. U tu svrhu se u RMS sustave nadograďuju sustavi koji mjere kvalitetu izradaka kao npr. RIM (eng. Reconfigurable Inspection Machine). Namjena ovih podsustava je da pomognu u brzom pronalasku uzroka loše kvalitete izraďenih dijelova Razvitak petoosnih strojeva Povijest petoosne obrade počinje s potrebama zrakoplovne industrije pedesetih godina dvadesetog stoljeća, a slične potrebe javile su se i kod izrade opreme za transport, konstrukcije, kućne aplikacije itd. Bilo je potrebno obraditi zahtjevne i kompleksne površine koje su bile zakrivljene i nagnute pod više različitih kutova. Takve zahtjevne i kompleksno zakrivljene površine obraďivale su se na troosnim alatnim strojevima za glodanje, kompenzirajući nedostatak dviju osi raznim specijalnim alatima, prihvatima obratka i obradom dijela s nekoliko strana da bi se dobila zadovoljavajuća razina gotovosti. Raznim kompanijama tada je postalo jasno da je neophodno uvesti simultanu petoosnu obradu u svoje poslovanje. To je bio preokret u razvoju strojeva za glodanje s pet simultanih osi gibanja i pripadajućih upravljačkih računala. Povijest petoosne obrade seže u 1958 g., kada je jedan od prvih projekta bio uspostavljen za U.S. Air Force kompaniju, Cincinnati Milacron. Zatim Cincinnati Milling Machine Co. imali su ugovor o petoosnoj vertikalnoj glodalici koja je trebala biti pogonjena sa tri tzv. kontrolera. Stroj je imao pet osi gibanja (X, Y, Z, A i B). Jedan kontroler bio je zadužen za translacijsko gibanje triju osi (X,Y,Z), dok je drugi bio zadužen za prvu rotacijsku os (A), a treći za drugu rotacijsku os (B). 14

32 Petoosne obrade Stroj je uključivao mehaničko računalo koje je pratilo dubinu glodala triju translacijskih osi (X, Y, Z) i dva kuta nagiba rotacijskih osi (A i B). Bio je to zahtjevan zadatak. Cijeli projekt nazvan je Opium Mill". Takav naziv je implicirao na koncept koji nije bio u doticaju sa stvarnošću za tadašnje vrijeme. Bez NC tehnologije koncept nije bio praktičan za upotrebu. Četiri su glavne stavke, tj. tehnologije bile ključne za kvalitetnu primjenu petoosne obrade, a to su kako slijedi: alatni stroj; upravljački hardver; upravljački softver; softver za programiranje obrade dotičnog dijela. Danas je takvoj obradi neosporno pomogao ubrzani razvoj računala i prateće tehnologije, razvoj elektronike koji je doprineo projektiranju kvalitetnih i veoma moćnih upravljačkih jedinica. Danas se na tržištu takoďer nudi veliki broj CAD programa koji su sve više povezani (integrirani) s CAM programima, što krajnjem korisniku uvelike olakšava put od ideje pa do gotovog obraďenog dijela. 15

33 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade 3. NAJĈEŠĆI PRIMJERI PRIMJENE PETOOSNE OBRADE Primjena petoosne obrade donijela je značajne prednosti u proizvodnji. MeĎutim i dalje se konstantnim poboljšanjima u konstrukciji strojeva stalno otklanjaju postojeći nedostaci. Kod velikih površina sa velikim polumjerima zakrivljenosti (kao npr. izrada kalupa za trup broda), vrijeme obrade može se smanjiti za 20 30%, Slika 9. Slika 9: Primjer obrade kalupa za trup broda [1] To je posljedica činjenice da petoosna upravljačka računala putanje alata po površinskoj geometriji predmeta računaju vrlo precizno koristeći matematičke funkcije, te se stoga i dobivaju puno bolje obraďene površine nego kod sustava gdje se geometrijske forme računaju na principu trokuta ili sličnih entiteta. Kada je u pitanju obrada, npr. strme površine jezgre kalupa za 16

34 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade injekcijsko prešanje, upravljačko računalo generira petoosnu putanju alata na konveksnoj površini gdje koristi vanjski promjer glodala na kojem je brzina rezanja maksimalna. Posljedica toga je reduciranje vremena obrade i kvalitetnije obraďena površina. Kada se obraďuju dijelovi obradaka malih površina i velikih polumjera zakrivljenosti, često se koriste glodala sa zaobljenim vrhom (Eng. Ball End). Kod petoosnih sustava glodalo može biti nagnuto u odnosu na površinu obrade pod optimalnim kutom tako da se dobije konstantan presjek odvojene čestice što rezultira povoljnim uvjetima obrade u kontaktnoj točki. Na taj način dobije se bolja kvaliteta obraďene površine s time da se i vijek trajanja reznog alata može značajno produžiti Petoosne obrade u industriji kalupa i alata Jedna od najznačajnijih uloga obrade odvajanjem općenito je u industriji izrade kalupa. Kalupi za izradu polimernih izradaka mogu imati vrlo složene površine što predstavlja izazov za proizvoďače kalupa. Izrada kalupa može se podijeliti na dva područja i to: izrade standardnih elemenata kalupa (kalupne ploče, elementi za voďenje, elementi za centriranje, dijelovi uljevnih sustava...) i izrade nestandardnih elemenata kalupa (žigovi, gnijezda, klizači...), s time da je izrada standardnih elemenata kalupa velikoserijska i serijska proizvodnja, a izrada nestandardnih elemenata pojedinačna proizvodnja. Kako se u većini slučajeva radi o skupom i dugotrajnom procesu, proizvoďači neprestano imaju potrebu tražiti rješenja koja bi smanjila takve gubitke. Na slici [10] prikazani su postupci izrade kalupa i to tradicionalnim načinima i nekim poboljšanim suvremenim metodama. Postupak A sa slike [10] se sastoji od slijedećih koraka: 1. toplinski neobraďeni sirovac; 2. grubo glodanje; 3. poluzavršno glodanje; 4. toplinska obrada; 5. obrada elektroerozijom; 6. završno glodanje; 7. ručna obrada. 17

35 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Postupak B se sastoji od identičnih koraka kao i postupak A, s razlikom što je kod postupka B načinjeno poboljšanje eliminiranjem obrade elektroerozijom u cjelokupnoj izradi obratka. Postupak C se sastoji od koraka: 1. toplinski obraďeni sirovac; 2. grubo glodanje; 3. poluzavršno glodanje; 4. završno glodanje; 5. ručna obrada. Sa Slika 10 je vidljivo da se suvremenim metodama opisanima u postupku C uspijevaju preskočiti dva koraka tradicionalnih metoda, tako što se odmah ide na obradu toplinski obraďenog sirovca, a eliminirana je i obrada elektroerozijom. Ovim poboljšanjima ostvaruju se uštede u vremenu izrade i troškovima od 30 do 50%. Najčešće korištene suvremene metode obrade odvajanjem za izradu kalupa su visokobrzinske obrade, suhe obrade i tvrde obrade. Primjena navedenih metoda u kombinaciji sa petoosnim obradama trenutno drži vrh u ovoj grani industrije. Slika 10: Razliĉite razine postupaka izrade kalupa [14] 18

36 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Obrada jezgri kalupa Slika 11. Petoosna obrada kod strmih površina jezgri kalupa pruža mnoge prednosti jer se u tom slučaju može projektirati obrada kod koje je kontaktna geometrija izmeďu alata i obraďivane površine linija (a ne točka), što za posljedicu ima manju hrapavost, a željenu površinu je moguće obraditi u manje prolaza i u kraćem vremenu. Maleni polumjeri zakrivljenosti i strmine unutar kutova obratka mogu se definirati kao neobraďene geometrije koja će se obraditi kasnije. Površine na kojima se kalup razdvaja mogu biti definirane kao kontrolne površine unutar kojih se vrši obrada jezgre kalupa. Slika 11: Obrada jezgre kalupa [7, 6] Obrada matrice kalupa Slika 12. Petoosno upravljanje je veoma pogodno za obradu dubokih matrica kalupa. Snažan algoritam za automatsko nagibanje alata, koji brine o izbjegavanju kolizije, ili pak o željenoj orijentaciji alata i držača alata, omogućava obradu matrice kalupa sa standardnim glodalima malih promjera. Obrada se vrši bez neželjenih vibracija koje se javljaju prilikom završnih obrada zbog većih brzina rezanja. Imajući u vidu tu strategiju, petoosna obrada omogućava glodanje dijelova kalupa koji su se prije trebali obraďivati EDM postupkom (Eng. Electrical Discharge Machining, obrada elektroerozijom). Na taj način dramatično je skraćeno vrijeme izrade kalupa, kao što je i pojeftinjena cjelokupna proizvodnja. 19

37 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Slika 12: Obrada matrice kalupa [7, 6] 3.2. Obrada drţaĉa reznih alata petoosnom obradom Kada se obraďuju držači reznih alata za obradu metala, neophodno je izvršiti postupak glodanja ležišta izmjenjivih pločica u simultanome petoosnom modu. U mnogim slučajevima je potrebna obrada na nekoliko različitih dubina, ovisno o tipu alata. Kraće vrijeme obrade je ključno, budući da se radi o veoma skupome postupku obrade. Skraćivanje vremena obrade je moguće jedino postizanjem glatke putanje alata, koja je podržana u sustavu petoosnih upravljačkih računala. Slika 13: Obrada koniĉnih alata [7, 6] 20

38 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Obrada koničnih alata Slika 13. Osnovni preduvjet za uspješnu obradu koničnih alata je djelotvorna kontrola kolizije na mjestima obrade zareza i oštrih prijelaza. Mogućnosti takve kontrole danas se nalaze u petoosnim modulima provjere upravljačkih računala. Iako su već sada razvijeni algoritmi za tu svrhu prilično djelotvorni, mnoga istraživanja se i dalje izvode u tom smjeru. Obrada glodala za obradu drveta Slika 14. Dokazano je da dijametralno suprotno nagnute rezne oštrice na alatima za obradu drveta dovode do boljih performansi obrade drveta. Bez petoosne obrade takvu geometriju bi bilo veoma teško postići. Slika 14: Primjer glodala za obradu drveta [7] 3.3. Petoosna obrada u industriji prerade polimera i obrade drveta Skidanje srha s polimernih tvorevina Slika 15. Nakon izrade polimernih tvorevina vakuumskom tehnikom, tehnikom ojačavanja vlaknima ili nekom drugom tehnikom, polimerne je tvorevine potrebno dalje doraditi na način da je potrebno obraditi provrte, načiniti brazde, izvesti različite kanale i sl, i to sa različitih strana dijela. Današnji postprocesori osiguravaju maksimalno djelotvorno upravljanje orijentacijom glavnog vretena. Kod dijelova većih 21

39 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade dimenzija obično se koriste strojevi Gantry izvedbe kod kojih se obje rotacijske osi nalaze u sklopu glavnog vretena. Stoga upravljačka računala takvih strojeva imaju posebne algoritme za upravljanje odabirom orijentacije alata tijekom obrade. Dodatno, automatska detekcija kolizije tijekom obrade izmeďu steznih naprava i alata je vrijedna značajka upravljačkih računala ovakvih petoosnih strojeva. Slika 15: Skidanje srha s polimernih tvorevina [7, 6] Izrada šablona i obrada drvenih modela Slika 16. Izrada drvenih kalupa velikih dimenzija korištenjem petoosne obrade rezultira velikim smanjenjem vremena obrade u odnosu na jednake modele koji se izraďuje primjenom troosne obrade. Uz činjenicu da je kod troosne obrade potrebno razdijeliti obradak na nekoliko manjih dijelova kako bi se mogla postići obrada u željenoj poziciji sa primjerenom orijentacijom alata, potrebno je povezano s tim postavljanje i nekoliko nul-točaka obrade. Ovdje je možda najveća prednost primjene petoosne obrade to da se korištenjem ravnih glodala velikih promjera (Eng. Flat End Mill) postavljenih okomito na obraďivanu površinu obrada vrši najvećom, odnosno cijelom površinom alata. Dodatne istaknute značajke petoosne obrade u ovom slučaju su takoďer bitne. Najpotrebnije je još spomenuti značajku koja omogućuje korisniku da sam definira izgled i dimenzije sirovca (Eng. Stock Surface Model), te uz željeni CAD model obratka (Eng. Target) dobije sklop prema kojem se vrši obrada. Time se izbjegavaju nepotrebni hodovi (ne prazni, ali svakako beskorisni) skidanja materijala koji je nepotreban, što može trajati veoma dugo kod dijelova velikih dimenzija (npr. izrada kalupa trupa broda). 22

40 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Slika 16: Obrada drvenih modela [7, 6] Obrada dijelova namještaja Slika 17. Upotreba petoosne obrade veoma je prisutna i u industriji izrade namještaja. Današnji trendovi idu ka sve zahtjevnijim oblicima namještaja (npr. dizajn) koji je lako postići uporabom petoosne obrade. Situacija je slična kao i kod izrade drvenih modela, tj. Industrije prerade polimera. To su sve grane proizvodnje gdje se koriste strojevi sličnih konfiguracija. Slika 17: Završna obrada dijelova namještaja [7, 6] 23

41 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade 3.4. Petoosna obrada propelera Gruba obrada propelera Slika 18. Obrada propelera je jedna od najkompleksnijih zadaća za proces glodanja. Jedan od razloga za to je taj što vrlo mali prostor za zakretanje alata mora biti kombiniran s visokim zahtjevima za kvalitetu obraďene površine. Dalje slijede ekonomski zahtjevi za kratkim vremenom izrade u kombinaciji sa zahtjevima za glatkim prolazima alata preko obratka s mnogo obradnih površina. Nadalje ukoliko se modeli sastoje od tankih rebara, ta su rebra podložna oštećenjima uzrokovanim vibracijama. Kod ovog procesa najbolji rezultati su postignuti metodom definicije pripremka na gornjoj i donjoj površini rebara, uz upotrebu koničnih alata za obradu. Daljnja značajka ove obrade je mogućnost dinamičkog podešavanja. Npr. ukoliko algoritam upravljačkog računala prepozna da neko gibanje alata tijekom obrade može dovesti do loma alata (npr. duboko poniranje u materijal) na zaslonu se operateru ispisuje upozorenje kako bi mogao bez prekida rada izmjeniti neki od parametara obrade. Slika 18: Gruba obrada propelera [7] Završna obrada lopatica propelera Slika 19. Kritični zahtjevi kod završne obrade lopatica su precizno i glatko pomicanje alata, jer svaka druga kretnja vodi ostavljanju tragova na obraďenoj površini ili njenom oštećenju. Kako bi se postigao ovakav način kretanja alata petoosna upravljačka računala pružaju korisniku različite mogućnosti odabira putanja alata. 24

42 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Slika 19: Završna obrada lopatica propelera [7] 3.5. Petoosna obrada turbinskih lopatica Gruba obrada turbinskih lopatica je klasičan zadatak za petoosne obrade, Slika 20. Petoosna obrada u ovom slučaju kombinira upravljanje i programiranje putanja alata sa zakrivljenim obradnim površinama. Za samu obradu se koriste velika čeona glodala uz simultano petoosno upravljanje. Programiranje pravovaljanih putanja alata je presudno za smanjenje vremena izrade. Stoga su postprocesori optimirani kako bi pružili podršku upravljačkim računalima u lakom upravljanju putanjama alata. Slika 20: Gruba obrada turbinske lopatice [7] 25

43 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Završna obrada turbinskih lopatica Za završnu obradu turbinskih lopatica postoje dvije strategije obrade. Prva strategija obrade, prikazana na Slici 21 je strategija kod koje se završna obrada obavlja glodalima sa zaobljenim vrhom (Eng. Ball End Mill) uz zakretanje alata za predviďeni kut, kako bi se izbjegla kolizija i optimirali uvjeti rezanja na površini. U ovoj strategiji koristi se spiralna putanja alata kako bi se izbjegli tragovi na površini uzrokovani preklapanjem putanje (Eng. stepover). Slika 21: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s zaobljenim vrhom [7] Druga strategija obrade prikazana Slikom 22 je višepovršinska završna obrada korištenjem glodala s vrhom kojem su zaobljeni rubovi (Eng. Bull Nose End Mill). Korištenjem alata većeg promjera, te korištenjem petoosnih upravljačkih računala za detekciju i spriječavanje kolizije metodom zakretanja alata, postiže se smanjenje vremena obrade u usporedbi sa strategijom korištenja glodala se zaobljenim vrhom. Spiralna putanja alata se može koristiti i u ovom slučaju. 26

44 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Slika 22: Završna obrada turbinskih lopatica korištenjem glodala s vrhom zaobljenih rubova [7] 3.6. Suvremeni postupci obrade odvajanjem s primjenom petoosne obrade Danas kada se petoosna i višeosna obrada na veliko ustalila u proizvodnji, njena primjena kod obrade pojedinih komponenti zahtjeva odreďene značajke koje su specifične samo za to područje primjene. Te specifičnosti su ovisne o čimbenicima kao što su obraďivani materijal, tehnologija obrade, koncepcija strojeva i sl. Tako se neka područja višeosnih obrada mogu izdvojiti sama za sebe, a najznačajnija su: visokobrzinska obrada (Eng. HSM; High Speed Machining); tvrda obrada (Eng. Hard Machining); suha obrada (Eng. Dry Machining); višeosna obrada primjenom robota; mikro obrada. Visokobrzinska obrada Visokobrzinska obrada se zbog svojih karakteristika davno izdvojila kao zasebno područje obrade odvajanjem čestica, Slika 23. Tako su se i kod 27

45 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade kombiniranja visokobrzinske sa petoosnom obradom pojavile odreďene specifičnosti. Osnovni razlozi uvoďenja visokobrzinske obrade u petoosnu obradu su potreba za velikom količinom odvojenog materijala sa obratka kod odreďenih obrada, te obrada otvrdnutih materijala. Gotovo svi proizvoďači CAD/CAM sustava danas nude posebne programske module za programiranje visokobrzinskih petoosnih obrada. Ona se primjenjuje većinom kod izrade kalupa, alata i kompleksnih 3D komponenti. Slika 23: Uporaba visokobrzinske obrade za obradu kalupa od otvrdnutog materijala [4] Prilikom programiranja visokobrzinske obrade računalni programi aktiviraju algoritme koji generiraju glatke putanje alata kako za putanje prilikom zahvata tako i za putanje dostavnog kretanja alata. Na taj način se zadržava ravnomjerno kretanje alata, što je prijeko potrebni uvjet za održavanje visokih vrijednosti posmaka i eliminacije praznog hoda alata. Osnovni način rada ovih algoritama je da se kretanje alata u smjeru Z osi drži na minimalnoj vrijednosti što smanjuje prazan hod i vrijeme obrade. Sve putanje alata gdje je to moguće generiraju se u obliku glatkih lukova. Kao rezultat visokobrzinskog moda dobivaju se glatke putanje dodatno provjerene i za 28

46 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade slučaj kolizije alata i obratka. Time se dobiva i veća kvaliteta obraďene površine, uz manje trošenje alata. Smanjeno trošenje alata je bitno jer izravno utječe na produljenje vijeka trajanja alata, a kratki vijek trajanja alata je jedan od važnijih problema kod visokobrzinskih obrada. Tvrda obrada Danas se na odreďene komponente postavljaju sve veći zahtjevi za njihove eksploatacijske karakteristike. Zbog toga je takve komponente prije upotrebe potrebno toplinski obraditi, odnosno otvrdnuti. Kako nakon toplinske obrade u većini slučajeva slijedi još i završna obrada komponente, to se za završnu obradu postavljaju dodatni zahtjevi kako bi se ona mogla djelotvorno provesti, Slika 24. Slika 24: Obrada dijelova visoke tvrdoće tokarenjem [1] Do nedavno su se završne obrade otvrdnutih materijala vršile isključivo završnim brušenjem, meďutim suvremene tehnologije danas omogućuju završne obrade otvrdnutih materijala upotrebom tokarenja, glodanja, bušenja i razvrtavanja. Karakteristična pojava koja se javlja prilikom završne obrade otvrdnutih materijala je tzv. bijeli sloj koji nastaje pri površini obraďivane komponente nakon prolaska alata. Bijeli sloj se sastoji od sitnih martezitnih zrnaca 29

47 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade visoke tvrdoće, što predstavlja dodatni izazov za tehnologije obrade i rezne materijale, jer zaostali bijeli sloj u materijalu komponente može prouzročiti negativne posljedice tijekom eksploatacije. Materijal reznog dijela alata za tvrde obrade je gotovo isključivo kubični borov nitrid ili CBN (Eng. Cubic Boron Nitride), čija je tvrdoća odmah do dijamanta. Za sada je to jedini materijal sposoban izvršavati tvrde obrade materijala na bazi željeza. Dijamantni alati se koriste za tvrde obrade i obrade teško obradivih materijala koji nisu na bazi željeza, ali se ne mogu koristiti za tvrdu obradu čelika jer nisu dovoljno postojani na visokim temperaturama koje se prilikom takvih obrada razvijaju. Dodatna specifičnost postavlja se na geometriju alata za tvrdu obradu, koja mora biti takva da u zahvatu prednji kut alata bude negativan, jer se tvrda obrada u većini slučajeva provodi sa takvom orijentacijom prednjeg kuta. Kod takve orjentacije je ujedno i natražna sila rezanja veća od glavne sile rezanja. Suha obrada U proizvodnoj industriji od nedavno su se pojavili sve veći zahtjevi za smanjenjem primjene sredstva za hlaďenje, ispiranje i podmazivanje (kratica SHIP) prilikom obrade. Razlozi za smanjenje su sljedeći, [1]: visoka cijena nabave i zbrinjavanja SHIP-a, Slika 25; štetnodjelovanje SHIP-a na zdravlje operatera na alatnim strojevima; štetno djelovanje SHIP-a na okoliš. Slika 25: Udio troškova u proizvodnji s primjenom SHIP-a; Mercedes Benz, Stuttgart, [1] 30

48 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Visoka ukupna cijena primjene SHIP-a uz samu cijenu nabave očituje se kroz mnogo dodatnih čimbenika. Značajni dodatni čimbenici iskazuju se kroz: štetno djelovanje SHIP-a na alatni stroj, troškove čišćenja i zbrinjavanja, izgubljene sate rada kroz bolovanja operatera kojima je uzrok SHIP, povećanje troškova održavanja, itd. Zaštita okoliša postala je obaveza svih, tako da za proizvoďače koji koriste SHIP, takav način rada predstavlja značajne troškove, jer su vlade većine zemalja vrlo rigorozne u mjerama zaštite okoliša. Troškovi zaštite okoliša i zbrinjavanja SHIP-a su značajni i naplaćuju se unaprijed, [1]. Kod konvencionalne serijske i masovne proizvodnje (redovito u automobilskoj i sličnim industrijama) koristile su se velike količine SHIP-a s ciljem povećanja produktivnosti i točnosti. Nedugo zatim dokazana štetna djelovanja SHIP-a na čovjeka i okoliš pokrenula su zahtjeve za smanjenjem upotrebe iste. Skoro suha obrada (MQL, Eng. Minimum Quantity Lubrication) osigurava minimalno potrebne količine sredstva za podmazivanje u struji stlačenog zraka (mješavina ulje/zrak), te tako količinu maziva svodi gotovo na nulu. Uspješna zamjena uobičajene obrade koja koristi SHIP s MQL obradom pretpostavlja rješenje dva problema: razvoj MQL opreme kojom je moguće osigurati uobičajene performanse obrade; razvoj metoda i tehnika za evakuaciju odvojene čestice iz radnog prostora stroja. Slika 26: Shema gubitaka SHIP-a u procesu obrade [1] 31

49 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Prvi se problem rješava različitim izvedbama vretena za miješanje sredstva za podmazivanje i stlačenog zraka kako bi se osiguralo djelotvorno podmazivanje tijekom obrade uz minimalni utrošak tekućine za podmazivanje. Problem odvoďenja odvojenih čestica rješava se vakuumskim tehnikama ili jednostavnim izvedbama odvoďenja čestice pomoću gravitacije. Potrošnja sredstva za podmazivanje manja od 120 l/h smatra se relativno malom kod konvencionalnih obrada. Kod MQL radi se o potrošnjama od 50 ml/h, te se može reći da je uporabom MQL obrada potrošnja sredstva za podmazivanje na razini promila u odnosu na konvencionalne obrade. Dodatno se u mnogim testovima pokazalo da MQL snizuje temperaturu obrade i povećava vijek trajanja oštrice alata. U očekivanju da će sve operacije uz primjenu sredstva za podmazivanje moći raditi s MQL tehnologijom potrebno je paziti na slijedeće: sigurno snabdijevanje sredstvom za podmazivanje; dovod sredstva za podmazivanje do mjesta rezanja; izbor MQL s obzirom na ostale uvijete obrade. MQL se može smatrati meďukorakom ka potpuno suhoj obradi. Primjena mekih prevlaka alata može se smatrati alternativom MQL obradi. Kod takvih alata već sada su stvoreni uvjeti za potpuno suhu obradu čeličnih materijala, ljevova i sinteriranih materijala. Višeosna obrada primjenom robota CNC obradni strojevi su višenamjenski izvršitelji precizne proizvodnje, koji predstavljaju sazrelu tehnologiju rasprostranjenu u različitim industrijama. MeĎutim razvoj i primjena novih računalnih programa može omogućiti robotskim ureďajima da preuzmu značajan dio sadašnjeg CNC obradnog tržišta, Slika 27. Prema nekim istraživanjima upotreba robota u proizvodnji u SAD-u bilježi konstantan rast od oko dvadeset posto godišnje. Tipična primjena robota u industriji uključuje različita zavarivanja, bojenja, glačanja, sastavljanja komponenti, premještanja, paletiziranja, te različita ispitivanja proizvoda. Sve ove radnje obilježava visoka pouzdanost, preciznost i brzina. Već sada su razvijena različita upravlljačka računala za više-robotsko upravljanje, pokretljivost ureďaja je u porastu, a izraďuju se i roboti sa dvije ruke postavljene na istom postolju. Na tom području su posebno značajna ulaganja kompanija poput Honde i Toyote. 32

50 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Slika 27: Primjer obrade robotom [1] poput: U dijelu proizvodnje gdje roboti počinju zamjenjivati CNC strojeve spadaju aktivnosti kompleksna rezanja i odvajanja materijala; brušenja; izrada kalupa; završna obrada površina; bušenja i razvrtavanja. U navedenim radnjama uporabom robota ostvaruju se uštede i odreďene prednosti u područjima kao što su: bolje iskorištenje energije; bolje iskorištenje fizičkog rada; dosljednija proizvodnja; 33

51 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade Slika 28: Neke relacije izmeċu alatnih strojeva i robota [1] Osnovni problem robota kao alternative CNC strojevima je nedostatak standarda za njihove programske jezike. Dok je NC-kod za CNC strojeve standard, roboti se programiraju svaki zasebno, s obzirom na proizvoďača. MeĎutim i na tom području su uložena velika financijska i znanstvena ulaganja, te se uskoro očekuju programi na PC platformi koji će u potpunosti biti u stanju prevoditi NC-kod namijenjen CNC strojevima za primjenu na robotskim ureďajima. Uz očekivane manje troškove ureďaja i opreme, Slika 28, na taj bi način petoosni i šestoosni roboti mogli izvoditi jednake zadaće kao i CNC strojevi, ali mnogo efikasnije, sa kraćim trajanjem procesa, zbog bržeg protoka instrukcija i virtualno neograničene fleksibilnosti. Potrebno je istaknuti da bi se navedeno odnosilo na zadatke gdje se traže manje tolerancije, jer su zbog krutosti ureďaja CNC strojevi na tom području još daleko uspješniji od robota. Mikro obrada Svakom obradnom procesu prethodi donošenje proračuna i odabir tehnologije na osnovi parametara kao što su djelotvornost, utrošak energije, utjecaj na okoliš, kao i ekonomske značajke. Sve navedene mjere su usporedno sa razvojem tehnologije vodile prema proizvodnji sve manjih dijelova, što se posebno očitovalo u elektronici, optici, medicini, biotehnologiji, auto i zrakoplovnoj industriji, tako da se danas može govoriti o zasebnim 34

52 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade granama tehnologije nazvanim mikro i nano obrade, koje uključuju obradne procese na razini manjoj od jednog milimetra, Slika A m atom DNA virus bakterije prašina vlas kose prirodno čovjekovo okruženje nanotehnologija mikrosustavi meso makrosustavi Slika 29: Prikaz relacija veliĉina na razliĉitim razinama Zahtjevi za smanjenjem dimenzija usporedno su se razvijali u različitim granama industrije i to postupno, na način da su se konvencionalni načini obrade prilagoďavali proizvodnji sve manjih dijelova, uz nastajanje novih tehnologija temeljenih na različitim fizikalnim i kemijskim procesima. Kao posljedica toga danas postoji širok spektar korištenih metoda mikro obrade, bez potpuno utvrďenih meďusobnih prednosti i nedostataka. Dodatna razlika mikro obrade u odnosu na makro obradu je ta, što čimbenici kao što su male razlike u istrošenosti reznog dijela alata, veličina i orijentacija zrna u materijalu, te ostali parametri koji nemaju značajan utjecaj kod standardnih obrada, u mikro obradi postaju dominantni u pogledu točnosti, kvalitete obraďene površine i cjelovitosti proizvoda. Jedna od osnovnih podjela mikro obrade ako se u obzir uzme i već afirmirana tehnologija je na, Slika 30: mehaničku obradu; elektro-fizikalnu i kemijsku obradu; mikro oblikovanje materijala; obradu energetskim zrakama; litografiju; obradu dodavanjem materijala. Ovakav skup različitih tehnologija praćen je istraživačkim aktivnostima iz područja upravljanja, mjeriteljstva, CAD/CAM sustavima, standardizacije, rukovanja materijalom itd. Potrebno je 35

53 Najčešći primjeri primjene petoosne obrade napomenuti da se dimenzije gotovih proizvoda stalno smanjuju u ovisnosti o vremenskom toku, a na današnjem stupnju učinkovito se obraďuju metalni, polimerni i keramički materijali i to 2D i 3D prototipovi u masovnoj proizvodnji. MIKRO OBRADA ELEKTRO FIZIKALNA & KEMIJSKA OBRADA EDM, ECM, ultrazvuk, fotokemiski proces, plazma, hibridni procesi MEHANIČKA OBRADA tokarenje, glodanje, bušenje, kemisko - mehaničko poliranje, abrazivni vodeni mlaz MIKRO OBLIKOVANJE MATERIJALA OBRADA ENERGETSKIM ZRAKAMA kovanje, istiskivanje, ljevanje, elektro - oblikovanje lasersko - Ionsko elektronsko zračenje PODRUČJE ISTRAŽIVANJA modeliranje procesa, kontrola, mjeriteljstvo, CAD/CAM, standardizacija, rukovanje materijalom, utjecaj na okoliš... LITOGRAFIJA optičke, ultraljubičaste, holografičke, elektronske, ionske, X zrake OBRADE DODAVANJEM MATERIJALA CVD, DVD, zavarivanje, lijepljenje, elektroliza, digitalna obrada Slika 30: Opća podjela mikro obrada 36

54 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu 4. KONCEPCIJE STROJEVA ZA PETOOSNU OBRADU Broj osi stroja normalno se odnosi na broj stupnjeva slobode gibanja ili broj mogućih nezavisno upravljanih pomičnih dijelova stroja. ISO nomenklatura za osi preporučuje korištenje desnog koordinatnog sustava s alatom postavljenim u smjeru Z osi. Prilikom analize stroja sastavlja se njegov kinematički dijagram. Iz kinematičkog dijagrama odmah se mogu razabrati dvije grupe osi: osi kojima se upravlja kretanjem obratka i osi kojima se upravlja kretanjem alata. Pet stupnjeva slobode gibanja je minimum kojim je moguće ostvariti maksimalnu fleksibilnost. To znači da alat i obradak u zahvatu mogu biti orijentirani relativno jedan prema drugome pod bilo kojim kutom. Minimalni broj osi se takoďer može odrediti sa gledišta kinematike krutog tijela. Za orijentaciju dva kruta tijela u prostoru relativno jednog prema drugome potrebno je za svako tijelo šest stupnjeva slobode, što je 12 stupnjeva slobode. Kako su rotacije i translacije koje ne mijenjaju relativan položaj tijela jednog prema drugom dozvoljene, broj stupnjeva slobode se smanjuje na šest. Razdaljina izmeďu alata i obratka označava se kao putanja alata, čime se eliminira još jedan stupanj slobode, što daje broj od minimalnih pet stupnjeva slobode. Koristeći translacijske (T) i rotacijske (R) osi, kod dosadašnjih konstrukcija petoosnih strojeva korištene su sljedeće kombinacije osi: tri translacijske i dvije rotacijske osi; dvije rotacijske i tri translacijske osi; jedna translacijska i četiri rotacijske osi; pet rotacijskih osi. MeĎutim velika većina petoosnih strojeva spada u grupu strojeva sa tri translacijske i dvije rotacijske osi. Grupe strojeva sa dvije translacijske i tri rotacijske osi koriste se kod nekih strojeva za izradu brodskih propelera. Ostale dvije grupe koriste se kod nekih robota i to najčešće u kombinacijama sa dodavanjem dodatnih osi. Kako velika većina strojeva spada u grupu sa tri translacijske i dvije rotacijske osi, nadalje će se razmatrati samo oni. 37

55 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu 4.1. Klasifikacija strojeva prema rasporedu osi kojima se mogu gibati alat i obradak Uzimajući u obzir da li su osi stroja postavljene kao osi kojima se giba alat ili osi kojima se giba obradak, petoosni strojevi mogu pripadati u sljedeće grupe: 0/5' 1/4' 2/3' 3/2' 4/1' 5/0' Slika 31: Koncepcija stroja XYZA'B' iz grupe 3/2' [8] Ovdje oznaka bez apostrofa predstavlja osi kojima se giba alat, a oznaka s apostrofom ( ) predstavlja osi kojima se giba stol sa obratkom. Brojevi označuju broj osi. 5/0' strojevi po svim osima se giba alat, dok je obradak fiksiran na stolu. Ovi strojevi su jedni od prvih modela petoosnih strojeva koji su namijenjeni za obradu masivnijih obradaka. Kako se u kinematici kretanja alata nalazi mnogo veznih točaka, mogu se na obraďivanoj 38

56 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu površini pojaviti značajne greške uzrokovane elastičnim deformacijama i zračnostima u ležajevima. Slika 32: Koncepcija stroja XBYAZ iz grupe 2/3' [8] 0/5' strojevi po svim osima se giba stol sa obratkom, a alat je fiksiran u prostoru. Ova konstrukcija je najbolje iskorištena prilikom obrade relativno malih obradaka. 4/1' strojevi po četiri osi se giba alat, a po jednoj osi se giba obradak. Kod ovih strojeva postoje dvije mogućnosti: os kojom se giba obradak može biti rotacijska (R') ili translacijska (T'). 1/4' strojevi jednom osi giba se alat, a po četiri osi giba se obradak. Ovdje su takoďer dvije mogućnosti, da se alat giba osima R ili T. 3/2' strojevi po tri osi giba se alat, a po dvije osi giba se obradak. Ovdje postoje mogućnosti da se obradak giba po osima T'T' ili R'R' ili može biti kombinacija T'R'. Ovakvi strojevi omogućuju obrade velikih obradaka ali je konstrukcija stroja povezana s gibanjem alata komplicirana. Najčešće se koristi kombinacija gdje su obje osi kojima se giba obradak rotacijske. 2/3' strojevi po dvije osi giba se alat, a po tri osi giba se obradak. Ovdje takoďer postoje tri kombinacije osi kojima se giba alat: RR, TT i RT. 39

57 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu 4.2. Klasifikacija strojeva prema lokaciji rotacijskih osi Petoosni strojevi mogu se klasificirati prema mjestu na kojem se nalaze rotirajuće osi stroja. Tu se uzima u obzir da li se rotirajućim osima giba alat ili obradak. Moguće konfiguracije za strojeve sa dvije rotirajuće osi su: obje rotacijske osi nalaze se na vretenu RR strojevi; obje rotacijske osi nalaze se na stolu obratka R'R' strojevi; jedna rotacijska os nalazi se na vretenu, a druga na stolu R'R strojevi. R'R' strojevi obje se rotacijske osi nalaze na stolu, a alat može biti fiksiran u prostoru ili može sadržavati od jedne do tri translacijske osi, Slika 33. Prednosti ovih strojeva su: u slučaju horizontalne izvedbe glavnog vretena optimalno odstranjivanje odvojenih čestica izvodi se uz pomoć gravitacije na način da ona jednostavno pada na podlogu; os alata tijekom obrade uvijek je paralelna sa Z osi stroja. Na taj se način obrada prilikom odreďene orijentacije alata uvijek vrši u XY ravnini, tako da se zadane funkcije izvode u jednostavnom troosnom modu; kompenzacija duljine alata izvodi se cijelo vrijeme u NC upravljačkom računalu stroja kao kod troosnih strojeva. Slika 33: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na obradnom stolu [8] 40

58 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu Nedostaci ove izvedbe su: strojevi s rotacijskim stolom su uvijek namijenjeni obratcima ograničenih dimenzija; radni prostor alata je zbog nagiba alata često smanjen (po X,Y i Z osima); transformacija kartezijevih CAD/CAM koordinata pozicije alata u odnosu na koordinate osi stroja je ovisna o poziciji obratka na stolu. To znači da ukoliko se položaj obratka na stolu promijeni, transformacija osi NC programa se ne može provesti automatski nego je potrebno ponovo izgenerirati cijeli kod. Neke važne značajke primjene strojeva ovog tipa su: omogućena je obrada elektroda i ostalih obradaka sa svih strana; moguća je obrada dijelova koji zahtijevaju veliku preciznost; moguća je obrada turbina i profila za gume vozila zakretanjem alata za odreďeni kut. Tu je moguće izvoditi obrade koje se sastoje od istih značajki tako da se programira obrada jednog inkrementa, pa se za ostale inkremente koristi isti program s tim da se samo alat zakrene ili pomakne za odreďeni kut ili udaljenost. Slika 34: Koncepcija stroja sa obje rotacijske osi na glavnom vretenu [8] 41

59 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu RR strojevi obje rotacijske osi nalaze se na glavnom vretenu, Slika 34. Ovdje su česte izvedbe gdje se rotacijske osi sijeku u jednoj točci, što značajno pojednostavljuje obraďivanje podataka i izračun za upravljačka računala. Prednosti ovih strojeva su: moguća je obrada velikih obradaka; vrijednosti X,Y,Z osi stroja u NC programu ovise jedino o duljini alata. Tako se ishodiše koordinatnog sustava obratka u slučaju novog stezanja može podesiti jednostavnom translacijom. Nedostaci ove izvedbe su: kompleksan pogon glavnog vretena; smanjena krutost iz razloga što rotacijska os vretena ograničava prijenos sile. Kod brzina vrtnje od preko 5000 o /min dolazi do djelovanja kontra momenta izazvanog žiroskopskim efektom; kružna interpolacija u proizvoljno izabranoj ravnini, kao i ciklusi bušenja u proizvoljnoj orijentaciji često nisu mogući; promjene u duljini alata ne mogu se izvesti translacijama koordinatnih sustava kojih bi se podaci prenijeli u upravljačko računalo stroja, nego je potrebno ponovo generirati NCkod. Slika 35: Koncepcija stroja sa rotacijskim osima na glavnom vretenu i na stolu [8] 42

60 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu Značajna područja primjene ovih strojeva su obrade svih tipova velikih obradaka, kao npr. krila zrakoplova i trupovi brodova. RR' strojevi po jedna rotacijska os nalazi se na glavnom vretenu i na stolu, Slika 35. Iako na tržištu postoji veliki broj strojeva ovakve izvedbe, oni sadrže nedostatke obiju prijašnjih grupa, te se koriste sa obradu isključivo manjih obradaka. Područje primjene im je gotovo jednako kao u strojeva sa rotacijskim osima na stolu Osnovne metode petoosne obrade ovisno o koncepciji stroja Najveći nedostatak primjene petoosnih strojeva je to što se zbog većeg broja veza i zglobova izmeďu pokretnih dijelova stroja može pojaviti smanjena krutost. Iako konstruktori strojeva ulažu velike napore za otklanjanje ovih nedostataka, kod prijenosnih mehaničkih dijelova pojava zračnosti izmeďu komponenata je uvijek prisutna. Ako ne na početku upotrebe stroja, onda se svakako može pojaviti nakon nekog vremena, kada zračnost nastaje uslijed trošenja pokretnih dijelova zbog trenja. Stoga, kako bi se stroj što više očuvao i kako bi mu se produljio vijek trajanja, treba paziti na izbor tehnologija obrade prilikom upotrebe stroja. Iz tog razloga strojevi imaju opciju zaključavanja rotirajućih osi tijekom obrade što im daje dodatnu krutost. Ovakav način štednje strojeva proizlazi i iz činjenice da se više od 95% obrada na pet osnim strojevima može izvršiti korištenjem samo tri translacijske osi. Stoga je rotirajuće osi potrebno otključavati samo prilikom onih obrada kod kojih prednosti petoosne obrade dolaze do izražaja. Te petoosne obrade dijele se u dvije osnovne grupe: obrade pozicioniranjem alata; simultane petoosne obrade. Obrada pozicioniranjem alata je prikladan način obrade dijelova koji se sastoje od većeg broja provrta i ravnih površina, Slika 36. Ako bi se takvi dijelovi obraďivali na troosnom stroju, obrada se ne bi mogla izvesti u jednom stezanju, nego bi se obrada svake ravne površine morala vršiti u zasebnom stezanju nakon potrebnog orijentiranja obraďivanog dijela prema alatu. MeĎutim kod uporabe petoosnih strojeva alat je moguće orijentirati relativno prema obratku u bilo kojem položaju. Kada se željena orijentacija postigne provrti ili ravne površine mogu biti obraďeni na 43

61 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu način da se pojedine osi drže fiksnima ili zaključanima. Ukoliko je potrebno samo izbušiti provrte, teoretski je potrebna samo jedna os. U slučaju 2D utora dovoljne bi bile dvije osi. Uz to ipak se najčešće upotrebljava simultano upravljanje sa tri translacijske osi, jer je na taj način omogućen mod brzog kretanja alata. Slika 36: Obradak prikladan za obradu primjenom strategije pozicioniranja alata [6] Simultana petoosna obrada da bi se obradili kompleksni oblici nepravilnih površina potrebno je mijenjati relativnu orijentaciju alata prema obratku tijekom cijelog vrjemena obrade, Slika 37. Relativna orijentacija alat-obradak mijenja se sa svakim korakom, a CNC upravljačko računalo treba upravljati sa svih pet osi simultano tijekom procesa obrade. Najznačajnija područja primjene simultane petoosne obrade su u proizvodnji: turbinskih i kompresorskih lopatica; ubrizgavača pumpi za gorivo; profila za gume vozila; medicinskih proteza i implantata; kalupa i alata. Simultana petoosna obrada je ujedno i krajnji doseg koji se od ove tehnologije može izvući. Iako se simultana petoosna obrada koristi samo u specifičnim industrijama ili u vrlo malom postotku kod većine proizvoďaća komponenti, oni dijelovi koji se sa njom obraďuju u prošlosti su mogli biti obraďeni iskljućivo ručnim postupcima. Stoga je jasno koliko se uputrebom petoosne obrade dobilo na standardizaciji dimenzija obradaka i brzini izrade. 44

62 Koncepcije strojeva za petoosnu obradu Slika 37: Primjer simultane petoosne obrade [6] 45

63 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade 5. PROJEKTIRANJE TEHNOLOGIJE ZA PETOOSNE OBRADE Zadaća tehnologa je da nakon vizualnog proučavanja konačne verzije komponente koju je potrebno obraditi, prvo osmisli način na koji je to moguće napraviti od početnog sirovca. Tu spada prvenstveno odabir stroja, a zatim postavljenje sirovca na stroj i odabir stezanja. Tek nakon toga dolazi projektiranje tehnologije obrade u užem smislu i odabir parametara obrade. Parametri obrade (posmak, brzina rezanja i dubina rezanja) se odabiru iskustveno ili iz priručnika (još uvijek vrlo rijetko pomoću računalnih sustava), a u ovisnosti o materijalu obratka i drugim utjecajnim parametrima (faza obrade, stezanje, hlaďenje...). Nakon toga se projektiraju specifičnosti tehnologije vezane za petoosnu obradu. Projektiranje tehnologije je prvenstveno vezano za računalni program kojim se obrada vrši. MeĎutim osnovne mogućnosti svih računalnih programa su prilično slične. Važnost pravilnog projektiranja tehnologije obrade najviše ima utjecaja na čimbenike kao što su: vrijeme izrade, kvaliteta obraďene površine, trošenje reznog alata, itd Zadavanje geometrije gibanja alata Osnova kod zadavanja geometrije gibanja alata je zadavanje putanja alata u zahvatu po obradnoj površini. Te površine se označuju na CAD modelu u računalnom programu, te ih se u slučaju grube obrade može zadati sa odreďenim pomakom (Eng. offset) od konačno zahtijevane površine. Na odabranoj površini se zatim odreďuje način na koji će ona biti obraďena. Načini obrade zavise od korištenog CAM programa, a najčešći su: paralelna obrada; obrada okomita na krivulju; obrada oblika izmeďu krivulja; obrada paralelna sa krivuljom; obrada oblika izmeďu površina; obrada paralelna sa površinom; obrada bočnom stranom alata. 46

64 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Paralelna obrada Slika 38. Ovaj način obrade kreira putanje (prolaze) koje su meďusobno paralelne. Za ovu obradu je potrebno definirati kutove i to u XY ravnini i u odnosu na Z-os. Slika 38: Kutovi obrade u XY ravnini, te u odnosu na Z-os kod paralelne obrade [10] Obrada okomito na krivulju Slika 39. Ovaj način omogućava generiranje putanje alata okomito na vodeću krivulju definiranu na CAD modelu. Slika 39: Putanje okomite na vodeću krivulju [10] 47

65 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Obrada oblika između krivulja Slika 40. Ovaj način generira putanju alata koja se oblikom rasporeďuje izmeďu vodećih krivulja. Obično se definira početna i konačna krivulja, a putanja alata mijenja oblik kako se od jedne približava prema drugoj krivulji. Slika 40: Oblik putanja izmeċu krivulja [10] Obrada paralelna s krivuljom Slika 41. Kod ovog načina odabire se vodeća krivulja, a putanje alata su paralelne s njom i meďusobno. Slika 41: Putanje paralelne s krivuljom [10] 48

66 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Obrada oblika između površina Slika 42. Putanje alata se generiraju izmeďu zadanih površina. Putanje mijenjaju oblik od početne zadane površine prema krajnjoj površini. Slika 42: Oblik putanja izmeċu zadanih površina [10] Obrada paralelna s površinom Slika 43. Ova opcija omogućava generiranje putanje alata na obraďivanoj površini paralelno sa zadanom površinom Slika 43: Putanje paralelne sa zadanom površinom [10] 49

67 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Obrada bočnom stranom alata Slika 44. Iako je obrada bočnom stranom alata kod troosnog glodala standardna operacija, ona se kod petoosnih obrada koristi samo u posebnim slučajevima, kod obrade strmih nepravilnih površina. Karakteristika ove obrade je u tome što je dodirno područje izmeďu alata i obratka linija, pa se stoga mogu postići obraďene površine visoke kvalitete uz minimalni broj prolaza. Ova obrada je često korištena u simultanom petoosnom modu obrade. Slika 44: Obrada boĉnom stranom alata [10] 5.2. Parametri putanje gibanja alata u zahvatu Nakon što je putanja alata zadana, odabiru se njeni parametri i to ponajviše u ovisnosti od zahtjeva za kvalitetom obraďene površine. Najznačajniji parametri su: parametri kvalitete površine; sortiranje putanje alata; dodirna točka alata. 50

68 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Parametri kvalitete površine Slika 45. OdreĎuju odstupanja izmeďu obraďivane površine i putanje alata. Realna obraďena površina uvijek se razlikuje od površine CAD konstrukcije zbog inkrementalnog kretanja alata. Putanja alata se podjeli na inkremente koji zadržavaju istu orijentaciju alata na odreďenom zadanom razmaku kretanja alata. Ako su tolerancije manje na putanji se generira više točak., Ovo povećava kvalitetu obraďene površine, ali se zato vrijeme proračuna produljuje. Slika 45: Naĉin na koji se raĉunalnom programu zadaju tolerancije na putanju alata [10] U ove parametre spada još i zadavanje preklapanja izmeďu dvije slijedne putanje (Eng. stepover), Slika 46. Ukoliko se upotrebljava glodalo sa oblim vrhom ovaj parametar direktno utječe na hrapavost obraďene površine. Slika 46: Utjecaj razmaka izmeċu prolaza na kvalitetu obraċene površine [10] 51

69 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Sortiranje putanja ovi parametri odreďuju redoslijed i smjer obrade. U njih spadaju postavljanje metoda rezanja, od kojih su najčešće: cik-cak, jednosmjerna i spiralna metoda, Slika 47. Uz ove metode mogu se još postaviti parametri kao što su obrada u smjeru kazaljke na satu i obrnuta od smjera kazaljke na satu, te istosmjerno ili protusmjerno glodanje. U odreďenim slučajevima može se odabrati redoslijed: od jedne površine prema drugoj, od centra površine prema van i od ruba površine prema centru. U slučajevima gdje jedan od navedenih parametara neminovno za sobom povlači neki od preostalih parametara računalni program dodatni odabir podešava automatski. Na primjer površina koja se obraďuje cik-cak zbog vrtnje vretena unaprijed je odreďeno da bude obraďena i protusmjernim i istosmjernim glodanjem, u ovisnosti o smjerovima prolaza alata u jednom i u drugom smjeru. Jednosmjerna i spiralna obrada mogu obradu vršiti samo u jednom smjeru. Tako se odabirom metode glodanja i smjera prolaza odabire i smjer vrtnje glavnog vretena. Slika 47: Cik -cak, jednosmjerna i spiralna metoda obrade [10] Dodirna točka alata Ovi parametri odreďuju točku na reznom dijelu alata koja će biti u kontaktu sa obraďivanom površinom, Slika 48. Najčešće se ova točka zadaje: na centru ili na polumjeru zaobljenja vrha alata. Točka u centru se najčešće zadaje kod glodala sa ravnim vrhom i u slučaju da je alat tijekom obrade okomit na obraďivanu površinu, jer se u tom slučaju obrada vrši na obodu glodala (Eng. Face Mill). 52

70 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Slika 48: Toĉka obrade na centru i na polumjeru zaobljenja vrha alata [10] Kod glodala s oblim vrhom potrebno je definirati točku dodira izmeďu alata i obratka, jer se upotrebom takvih alata rezanje ne vrši na vrhu alata, nego negdje na polumjeru zakrivljenosti vrha alata. Stoga je kod upotrebe takvih alata potrebno procijeniti kojim dijelom će biti izvršeno najefikasnije rezanje, te zatim tu točku definirati u CAM programu. Odstupanje dodirne točke od vrha alata je odreďeno dvjema dimenzijama koje su ovisne o zadanom smjeru obrade, Slika 49. Pomak točke od središta u smjeru obrade naziva se prednji pomak, a pomak točke okomito na smjer obrade naziva se bočni pomak. Nadalje se ova točka može zadati automatski, tako da ju algoritam softvera sam pomiče prema najprikladnijem proračunu računalnog programa. Uz automatsko zadavanje, točka na alatu može još biti zadana i od strane korisnika. Slika 49: Toĉke dodira alata i obraċivane površine s karakteristiĉnim parametrima [10] 53

71 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade 5.3. Strategije nagiba alata tijekom obrade Obrada se s obzirom na orijentaciju alata prema smjeru obrade (oznaka kuta β f ) može podijeliti na poniranje i natražno rezanje. Nagib alata u odnosu na smjer prolaza (oznaka kuta β n ) takoďer se dijeli na poniranje i natražno rezanje, Slika 50. Poniranje je slučaj kada je kut izmeďu alata i obraďivane površine negativan, a natražno rezanje kada je pozitivan. Slika 50: Nagibi alata tijekom obrade [12] Analitički gledano, Slika 51 oznakom κ označava se kut ruba oštrice alata od središta zakrivljenosti oštrice, a oznakom φ kut rotacije oštrice alata. U slučaju kada je obraďivana površina nagnuta prema alatu kut oštrice u zahvatu κ c (φ,β) odreďuje se iz razlike izmeďu kutova više oštrice, κ a (φ,β) i niže oštrice, κ e (φ,β). Rotacijski kut zahvata oštrice alata označen sa φ c (κ, β) odreďen je razlikom izmeďu φ a (κ, β) izlaznog kuta i φ e (κ, β) ulaznog kuta oštrice alata u zahvatu. Tako se i debljina odvojene čestice s oznakom h(κ, β, φ) odreďuje iz trenutnih kutova κ i φ. Debljina odvojene čestice kontinuirano se mijenja linijom zahvata oštrice alata. Bilo koja točka na površini vrha reznog dijela alata sa polumjerom R K, prikazana oznakom K, može biti prikazana korištenjem jediničnog vektora u, kuta oštrice alata κ i rotacijskog kuta alata u zahvatu φ. U tom slučaju K je jednak izrazu [12]: (1) 54

72 Značajke petoosnih obrada Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Slika 51: Karakteristiĉni kutovi koji se pojavljuju prilikom nagiba alata [12] U slučaju da je alat nagnut prema površini za neki kut β pozicija promatrane točke može se transformirati uzimajući u obzir rotacijsku matricu D [12]: (2) Ka=D*K (3) Uvjet obuhvata izmeďu alata i obratka odreďuje varijable zahvata reznog alata. To je uvjet gdje je vektor normale na površinu vrha alata okomit na smjer posmičnog kretanja s oznakom f, te je stoga [12]: (4) 55

73 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade na način [12]: Trenutni kut oštrice alata u zahvatu s obzirom na kut rotacije oštrice alata može se dobiti (5) Ovaj kut može odrediti geometriju obraďene površine zadanim kutom rotacije. Na taj se način nadalje može doći i do granica obraďene površine F k,a (φ). Slika 52: Geometrija alata sa polukuglastim vrhom[12] Granične linije generirane alatom sastoje se od triju linija, koje se mogu prikazati u ovisnosti od kutova φ i κ, Slika 53. Kut oštrice alata κ 12, izmeďu početnih i krajnjih kutova linije 1-2 može se dobiti usporeďujući pozicije na oštrici alata K a i granica obraďivane površine F k,a. Stoga se za zadani kut rotacije alata u zahvatu φ r može pisati [12]: 56

74 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade (6) (7) Slika 53: Rubne linije na obraċivanoj površini [12] Ukoliko se dubina rezanja a p može smatrati konstantnom visina granične linije je takoďer konstantna. Stoga se kutovi oštrice κ 23 mogu odrediti izrazom [12]: (8) Ako se posmak po zubu alata označi sa f z, onda se kutovi oštrice κ 13 mogu dobiti postavljanjem jednadžbi za pozicije položaja trenutnog i prethodnog zuba u prolazu [12]: (9) (10) (11) 57

75 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Duljina rezne putanje označava se oznakom l c. Koristeći sve navedene kutove može se konstruirati zatvorena površina, a reznu putanju ili duljinu odvojene čestice, koja utječe na trošenje alata izraziti jednadžbom [12]: (12) (13) Debljina odvojene čestice h uz zadane kutove φ i κ, može se izvesti promjenama jediničnog vektora koji se nalazi na polumjeru zakrivljenosti alata. Debljina odvojene čestice je promjenjiva veličina koja se mijenja slijedeći promjenu jediničnog vektora u. Prosječna debljina odvojene čestice dobiva se iz izraza [12]: (14) Područje poprečnog presjeka odvojene čestice dobiva se iz izraza [12]: (15) Strategije nagiba alata omogućuju definiranje orijentacije osi alata relativno prema normali obraďivane površine za vrijeme obrade. Nagibe alata je bitno postaviti kako bi se u točki obrade dobila optimalna brzina rezanja Najčešći načini zadavanja nagiba su: obrada bez nagiba alata, Slika 54; nagib relativno na smjer obrade, Slika 55; nagib za zadanu vrijednost kuta, Slika 56; nagib kroz točku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru osi Z alata, Slika 57; nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru osi Z alata, Slika 58 nagib kroz točku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u negativnom smjeru osi Z alata, Slika

76 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Obrada bez nagiba alata Slika 54. Ova opcija drži smjer osi alata u smjeru normale obraďivane površine. Slika 54: Obrada bez nagiba alata [10] Nagib relativno na smjer obrade Slika 55. Kod ovog načina zadaje se kut osi alata u smjeru obrade relativno na normalu obraďivane površine. Uz njega moguće je zadati i dodatni kut nagiba u stranu od smjera obrade. Slika 55: Nagib alata relativno na smjer obrade primjenom cik-cak strategije [10] 59

77 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Nagib za vrijednost kuta Slika 56. Ovom opcijom alat je nagnut u nagibnoj ravnini definiranoj normalom na obraďivanu površinu i specifičnom nagibnom osi. Nagib se zadaje relativno na normalu obraďivane površine. Slika 56: Nagib alata za zadanu vrijednost kuta [10] Nagib kroz točku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru Slika 57. Ovom opcijom os alata uvijek prolazi kroz definiranu točku. Slika 57: Nagib kroz toĉku u kojoj se sijeku središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10] 60

78 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru Slika 58. Ovom opcijom osi alata sijeku definiranu nagibnu krivulju. Slika 58: Nagib kroz krivulju kojom prolaze središnje osi alata u pozitivnom smjeru [10] Nagib kroz točku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u negativnom smjeru Slika 59. Ovom opcijom osi alata se sijeku u definiranoj točki/krivulji i usmjerene su od nje. Slika 59: Nagib kroz toĉku/krivulju u kojoj se sijeku/kojom prolaze središnje osi alata u negativnom smjeru [10] 61

79 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade 5.4. Kolizija gibajućih komponenti sa trenutno neaktivnim površinama Jedan od problema koji se posebno javlja kod petoosne obrade slobodnih površina je kolizija. Kolizija se može definirati kao sraz oštrice alata, držača alata ili glavnog vretena sa obraďivanom površinom, nekom neaktivnom površinom obratka ili dijelovima stroja kao i steznih naprava. Sraz sa obraďivanom površinom podrazumijeva neželjeni kontakt obraďivane površine i nekog pokretnog dijela koji nije programiran u obradi. Sve kolizije kao neželjene pojave dovode do oštećenja ili uništavanja komponenti u procesu obrade. Postoje dvije osnovne vrste kolizije: lokalna kolizija; globalna kolizija. Lokalna kolizija se može definirati kao sraz, najčešće oštrice alata sa obraďivanom površinom, Slika 60. Slika 60: Lokalna kolizija alata i obraċivane površine[9] Globalna kolizija se može definirati najčešće kao sraz držača alata sa neaktivnim površinama obratka, Slika 61. Danas su razvijeni brojni algoritmi za detekciju kolizije prilikom generiranja NC koda koji se razlikuju u ovisnosti od proizvoďača računalnih programa. 62

80 Projektiranje tehnologije za petoosne obrade Slika 61: Globalna kolizija drţaĉa alata i neaktivne površine[9] 63

81 Programiranje petoosne obrade 6. PROGRAMIRANJE PETOOSNE OBRADE Petoosna obrada se zbog svoje kompleksnosti može programirati jedino korištenjem CAD/CAM sustava. Kada se CAD model unese u računalni program na njemu se odabire željena strategija obrade. Kada je strategija obrade odreďena, računalni program CAM sustavu predaje parametre putanje alata ili CL podatke (Eng. Cutter Location, CL data). Ti se podaci nadalje u postprocesoru prilagoďavaju za izvoďenje na zadanom stroju, odnosno generira se NC kod. Zbog složenosti upravljanja petoosnom obradom, CAM sustav se sastoji od mnoštva algoritama koji dovode do generiranja pogodnog NC koda Datoteka putanje gibanja alata CL datoteka predstavlja datoteku putanje gibanja alata tijekom obrade. CL datoteka je sučelje izmeďu dviju programskih podrški, odnosno sučelje izmeďu procesora i postprocesora, te predstavlja izlazni kod iz procesora. Osnovne značajke CL datoteke definirane su normama ISO/DIS 3592 i DIN i temelje se na značajkama APT CL datoteke [1]. CL datoteke svih programskih jezika nisu jednake, ali je zbog značenja APT-a njegova CL datoteka postala norma. Iz tih razloga kao i zbog razvijenih vlastitih aplikacija u vrijeme korištenja APT-a kao sustava za programiranje NC strojeva, većina CAD/CAM sustava kao jedan od mogućih izlaza iz NC modula nudi APT kod. CL datoteka sastavljena je od CL slogova (Eng. Record), a CL slogovi sastavljeni su od CL riječi (Eng. Word). Broj riječi u jednom slogu varira i kreće se u rasponu od 2 do 245 riječi. Tipovi riječi mogu biti cijeli brojevi (Eng. Integer), realni brojevi (Eng. Real) i alfanumerički znakovi (Eng. Character). Definirani tipovi riječi u slogu su kako slijedi, Slika 62: riječi od 1 do 3 su cjelobrojne; format i tipovi riječi od 4 do 245 ovise o tipu CL sloga; ako su riječi alfanumeričke, koristi se odreďeni broj lijevih pozicija u riječi (u APT-u 6), dok su u desne pozicije upisane vrijednosti 0; kod riječi koje imaju manje od 6 znakova u desna mjesta se upisuje 0, a u lijeva praznine. 64

82 Programiranje petoosne obrade Sadržaj prve riječi u svakom slogu je redni broj sloga, a slogovi se počinju odbrojavati od jedan. Sadržaj druge riječi u slogu je broj koji označuje tip sloga. Sadržaj ostalih riječi u slogu ovisi o drugoj riječi u slogu. U većini slučajeva slog počinje podatkom o broju riječi u slogu, što se u nekim slučajevima uzima i kao prva riječ. Slika 62: Općeniti sadrţaj CL datoteke [1] Mogući sadržaj riječi broj dva prikazan je u Tablici 1: Tablica 1: Mogući sadrţaj u rijeĉi broj dva CL datoteke [1] Tip sloga Naziv Znaĉenje 1000 Redoslijed unosa Slog sadrži redni broj i obilježje naredbe iz programa dijela 2000 Postprocesorske Slog sadrži postprocesorske naredbe naredbe 3000 Podaci o površinama Slog sadrži kanonski oblik zapisa površine 5000 Pozicija alata Slog sadrži podatke o položaju i vektoru osi alata 6000 Tolerancije ili poziv alata 9000 Vrsta upravljanja ili Slog sadrži podatak za višeosni mod MULTAX ili za jedinice jedinica Završni slog Zadnji slog CL datoteke Nesegmentirana Zadavanje nelinearne putanje alata u nesegmentiranom obliku putanja alata Opis konture obratka Opis alata Opis materijala Opis stroja Rezervirani slog Rezervirani slog Slog tipa 1000 sadrži redni broj i naredbu iz programa dijela, a njegov format i sadržaj može biti kako slijedi u Tablici 2: 65

83 Programiranje petoosne obrade Tablica 2: Format i sadrţaj CL sloga tipa 1000 [1] Redni broj rijeĉi u CL slogu Tip rijeĉi Sadrţaj i znaĉenje 1 integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer Integer Broj naredbe u programu dijela 4 a Naredba iz programa dijela 5 a Naredba iz programa dijela Slog tipa 2000 sadrži postprocesorske naredbe, a njegov format i sadržaj može biti kako slijedi u Tablici 3: Tablica 3: Format i sadrţaj CL sloga tipa 2000 [1] Redni broj rijeĉi u CL slogu Tip rijeĉi Sadrţaj i znaĉenje 1 Integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer Integer Kodni broj glavne riječi iz programa dijela 4? Pomoćni dio naredbe iz programa dijela Slog tipa 3000 sadrži kanonski oblik zapisa geometrije definirane u programu dijela (najčešće kružni lukovi iako postoji mogućnost i za druga forme), a njegov format i sadržaj može biti kako slijedi u Tablici 4: Tablica 4: Format i sadrţaj CL sloga tipa 3000 [1] Redni broj rijeĉi u CL slogu Tip rijeĉi Sadrţaj i znaĉenje 1 Integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer Integer Nedefinirano 4 Integer Nedefinirano 5 Integer Tip geometrije (4 za kružnicu) 6 Integer Broj riječi s podacima o geometriji (ime, indeks i kanonska forma); za kružnicu 9 7 Char. Simboličko ime vodeće površine 8 Integer Indeks 9 Real X vrijednost koordinate središta 10 Real Y vrijednost koordinate središta 11 Real Z vrijednost koordinate središta 12 Real X komponenta jediničnog vektora 13 Real Y komponenta jediničnog vektora 14 Real Z komponenta jediničnog vektora 15 Real Polumjer kružnice 66

84 Programiranje petoosne obrade Slog tipa 5000 sadrži podatke o poziciji i osi alata, a oni mogu biti pojedinačne točke ili niz točaka. Njegov format i sadržaj može biti kako slijedi u Tablici 5: Tablica 5: Format i sadrţaj CL sloga tipa 5000 [1] Redni broj rijeĉi u CL slogu Tip rijeĉi Sadrţaj i znaĉenje 1 Integer Redni broj sloga u CL datoteci 2 Integer Integer 3 (ako je u Programu dijela FROM) Integer 4 (ako je u Programu dijela GODLTA) Integer Integer 5 (ako je u Programu dijela GOTO i sl.) 6 za nastavak tipa 5 (kad za tip sloga 5 postoji više točaka nego ih stane u jedan slog) 4 Char. Prvi geometrijski simbol u pomoćnom dijelu riječi 5 Integer Indeks točke 6 Real X koordinata prve točke 7 Real Y koordinata prve točke 8 Real Z koordinata prve točke 9 Real X koordinata druge točke 10 Real Y koordinata druge točke 11 Real Z koordinata druge točke : Real "tripleti" 245 Real Z koordinata osamdesete točke Kao primjer CL sloga može se uzeti CL slog koji nastaje kao posljedica slijedeće naredbe u programu dijela pisanom u BASIC-XAPT procesoru: GOTO/P3(1)=POINT/10,20,30, a prikazan je na Slici 63: Slika 63: Primjer sadrţaja CL sloga [1] 6.2. Problem inverzne kinematike u petoosnoj obradi CL podaci za petoosni stroj sastoje se od zadane putanje alata u odnosu na koordinatni sustav obratka. Potrebno je spomenuti da je značajan onaj CL podatak koji se odnosi na središte 67

85 Programiranje petoosne obrade polumjera zakrivljenosti vrha alata, a ne na dodirnu točku alata i obratka. Za parametarski zadanu površinu obratka gdje se svaka točka alata može definirati kao dodirna točka, valjani CL podaci se odreďuju diferencijalnom geometrijom i transformacijama matrica homogenih koordinata. Nakon što su CL podaci odreďeni, oni se transformiraju u pet referentnih ulaznih podataka koristeći transformaciju inverznom kinematikom za upravljačke ureďaje stroja. Pet ulaznih podataka sadrži podatke o tri linearne i dvije rotacijske kretnje osi stroja. Ta transformacija naziva se postprocesiranje, a transformacijski računalni program se naziva postprocesor. Primjer problema inverzne kinematike u postprocesiranju Kako bi se postprocesiranje bolje shvatilo, ono će biti prikazano u primjeru za koncepciju stroja sa dvije rotacijske osi na glavnom vretenu. Radi jednostavnosti je uzeto da se rotacijske osi sijeku u istoj točki. Postupak se prikazuje slijedno po koracima i popraćen je Slikama. Na kraju je pružena verifikacija postprocesiranja programirana u računalnom programu Matlab. Koordinatni sustavi označeni su velikim početnim slovima, a pojedine koordinate malim početnim slovima. Postavljanje varijabli Kao početni korak polazi se od odreďivanja ulaznih varijabli, tj. onih ulaznih podataka koji su poznati ili na neki način zadani, Slika 64. Osnovno što je potrebno zadati su dimenzije alata koji se giba u prostoru. Kako se ovom prilikom ne ulazi u detalje, nije potrebno razmatrati dimenzije alata u njegovoj XY ravnini, što je obično promjer alata, nego se alat zadaje samo sa dimenzijom duljine (odnosno visine) koja je paralelna sa Z 1 osi referentnog koordinatnog sustava alata. Duljina držača alata se zadaje fiksno oznakom La, dok se duljine alata, označene oznakom L zadaje posebno promjenom svakog alata. Sljedeće je potrebno zadati točku obrade. Uzima se da su koordinate točke na obratku x- y-z poznate u odnosu na referentnu točku koordinatnog sustava stroja i zadane vektorom pomaka P2, Slika 64. Referentna točka koordinatnog sustava stroja u ovom primjeru se nalazi u središtu obradnog stola. Nadalje smjer normale na obraďivanoj površini u svakom je trenutku poznat referentnom koordinatnom sustavu stroja na stolu, a označen je jediničnim vektorom n. Smjer normale prema koordinatnom sustavu točke na površini obratka odreďen je kutovima: α prema osi X, β prema osi Y i γ prema osi Z. 68

86 Programiranje petoosne obrade Izlazne varijable koje je potrebno dobiti su: koordinata položaja referentne točke alata u odnosu na referentni koordinatni sustav stroja na stolu označena sa vektorom P1, te kutove zakretanja alata oko rotacijskih osi A i B referentnog koordinatnog sustava alata, označenih sa kutovima θ1 oko osi X i θ2 oko osi Y. Slika 64: Koordinatni sustavi alata, stroja i toĉke na obratku 69

87 Programiranje petoosne obrade Određivanje matrice transformacija u prostoru se sve orijentacije postavljaju u odnosu na referentni koordinatni sustav stroja, Slika 65. Svaka transformacija koordinatnog sustava u 3D može se izvesti translacijskim vektorima i 2D rotacijama, što je računski moguće izvršiti matričnim operacijama, s 4 x 4 dimenzijama matrica. Matrica transformacija odreďuje položaj i orijentaciju koordinatnog sustava alata u odnosu na koordinatni sustav stroja, izmeďu kojih se nalazi obraďivana površina sa vlastitim koordinatnim sustavom i zadanom normalom na obraďivanu površinu. Prva transformacija je označena sa T10, od početne točke 0 referentnog koordinatnog sustava alata na stolu do točke 1 koordinatnog sustava na obratku. OdreĎena je vektorom P2 i odreďuje relativan položaj točke obratka u odnosu na referentni sustav stroja na stolu. Sijedi transformacija T21 koja rotira koordinatni sustav točke na obratku oko osi A2, odnosno X2, jer se te osi preklapaju, za kut θ1, Slika 65. Sljedeća rotacija T32 je oko osi B3, odnosno Y3 za kut θ2. Slika 65: Dobivanje matrice transformacija translacijama i rotacijama 70

88 Programiranje petoosne obrade Kutovi θ1 i θ2 su tako odabrani da se zatvaranjem kuta θ2, os Z, odnosno novopostavljena os Z4 točno preklopi sa smjerom normale n. Ako se sada uzme da se ishodište 4-og. koordinatnog sustava nalazi na vrhu alata i da je os Z4 usmjerena u pravcu duljine alata, dobije se alat postavljen u smjeru normale prema površini obratka. Sljedeća transformacija T43 je pomak u smjeru osi Z4 za duljinu alata, tako da se sada relativni koordinatni sustav nalazi izmeďu držača alata i alata. Nadalje se koordinatni sustav pomiče u smjeru osi Z5, za duljinu držača alata T54. Prilikom posljednje dvije transformacije relativni koordinatni sustav se pomaknuo za udaljenost vektora P3, koja odgovara udaljenosti duljine držača alata i alata. To znači da je trenutni koordinatni sustav postavljen na referentnu točku alata, sa Z osi, odnosno trenutno Z5 osi usmjerenom okomito na obradak. Sljedeća transformacija je T65 za kut -θ2 oko osi B5 odnosno Y5. Nakon toga se koordinatni sustav još rotira oko osi A6 odnosno X6 za kut -θ1, T76. Sada je relativni koordinatni sustav postavljen na referentnoj točki alata sa smjerovima osi paralelnim onima referentnog koordinatnog sustava stroja koji se nalazi na stolu, s time da je od njega pomaknut za vektor P2, Slika 65. Uočava se da se ovakvim transformacijama dobivaju koordinate položaja referentne točke alata u odnosu na referentnu točku stroja, s tim da je alat usmjeren u smjeru normale na površinu obratka u zadanoj točki. Ako bi se sada sve matrice transformacija relativnih koordinatnih sustava od 0 do 7 pomnožile dobio bi se transformacijski operator T, koji je u stvari funkcija odreďivanja potrebne koordinate referentne točke alata u ovisnosti o ulaznim veličinama s tim da je alat postavljen okomito na površinu obratka. Dakle T=T10*T21*T32*T43*T54*T65*T76 ili matrično prikazano: (16) Određivanje kutova zakreta na početku je navedeno da su jedne od ulaznih varijabli kutovi α, β i γ što ih normala na površinu obratka zatvara sa koordinatnim osima x-y-z koje su paralelne sa osima referentnog sustava stroja, dok su prilikom transformacija korišteni kutovi 71

89 Programiranje petoosne obrade zakreta θ1 i θ2. Poznavanje kutova α, β i γ proizlazi iz CAD/CAM sustava koji se koristi za programiranje obrade. Kako kutovi θ1 i θ2 zakreću os Z tako da se poklopi sa smjerom normale, očito je da su i kutovi θ1 i θ2 poznati, samo je potrebno naći njihovu ovisnost o kutovima α, β i γ. Očito je i da ovisnosti kutova ne ovise o duljini vektora normale n. Slika 66: Zakretanje koordinatnih osi za kutove θ1 i θ2 72

90 Programiranje petoosne obrade Kutovi θ1 i θ2 se odreďuju analitički iz grafičkog predloška, Slika 66. Ovdje će biti prikazano njihovo odreďivanje sa postavljanjem alata u prvom koordinatnom kvadrantu. Postupak za ostale kvadrante je sličan ovome postupku. Naime ako su poznati kutovi α, β i γ, tada su poznati i odsječci vektora normale s koordinatnim osima: n*cos(α), n*cos(β) i n*cos(γ). Očito je kut θ1 jednak inverznom tangensu odsječaka na osima y i z, odnosno: θ1=arctan(cos(β)/cos(γ)). Kut θ2 se malo složenije nalazi jer ovisi o prethodno zakrenutom kutu θ1. Udaljenost od ishodišta do sjecišta odsječaka osi y i z označi se npr. sa oznakom Lu. Lu sa osi Y zatvara kut (90 - θ1) što se može nazvati npr kut φ. Tada je Lu jednak n*cos(β)/cos(φ). Sada je kut θ2 jednak inverznom tangensu odsječka osi x i duljine Lu, odnosno: θ2=arctan(cos(α)*cos(φ)/cos(β)). Verifikacija računalnim programom Matlab Nakon što su analitičkim putem izvedene funkcije za pretvorbu ulaznih varijabli u traženi rezultat, može se pristupiti proračunu. Proračun se u ovom slučaju rješava primjenom računalnog programa Matlab, verzija R2006b. Kod ovakvih zadataka je iznimno važno postaviti analitičko rješenje za računalni program, jer se na taj način osigurava brzina proračuna, koja bi bila upitna primjenom numeričkih metoda. Numeričke metode su jednostavnije za postavljanje, ali zbog iteraktivnog postupka pronalaženja rješenja količina podataka može preopteretiti procesor, te tako prilično smanjiti brzinu. Iako je cijeli postupak traženja analitičkog rješenja prilično kompliciran, kada je postupak postavljen rješavanje je prilično jednostavno. U Matlab-u se sastavi samo jedan m-file (Matlab-ova datoteka) koji sadrži funkciju transformacija T, Slika 67. Funkcija u m- fileu uzima ulazne varijable koje su poznate, odnosno koordinate točke obratka x,y i z, kutove α, β i γ te duljine L i La koje predstavljaju duljine držača alata i alata. Nakon zadavanja pretvorbi kutova iz stupnjeva u radijane zadaju se izvedene formule za pretvorbu kutova α, β i γ u θ1 i θ2. Dalje se u kodu nalazi matrični operator T koji vrši pretvorbu, te se kao rješenje izbacuju mjesta u matrici na kojima se nalaze tražene koordinate položaja alata u prostoru. 73

91 Programiranje petoosne obrade Slika 67: Programirani kod za dobivanje matrice transformacija u raĉunalnom programu Matlab Primjer verifikacije koda Slika 68. Za primjer traženja rješenja programom Matlab za duljine držača alata L i alata La se zadaje L=2.5 i La=1.5, nekih jedinica duljine, Slika 68. Za koordinate neke točke na obratku uzimaju se vrijednosti: x=2, y=2.5, z=1.5.to ujedno označava i pomak od referentne točke koordinatnog sustava stroja na stolu u smjeru zadanih osi. Za kutove koje zatvara normala na površinu obratka s površinom obratka u zadanoj točci odabiru se: α=25 o, β=30 o i γ=40 o. 74

92 Programiranje petoosne obrade Slika 68: Unos ulaznih varijabli u raĉunalni program Matlab Može se primijetiti, da ako se prilikom unosa u Matlab iza izraza ne postavi točka-zarez, program izbacuje zadanu vrijednost. Ova činjenica je iskorištena u m-fileu kako bi se pri izvršavanju zadatka dobio računalni postupak korak po korak. Slovo r u ispisu označava vrijednost u radijanima za jedan stupanj, Slika 69. Oznake al, be i ga su vrijednosti kutova α, β i γ u radijanima. t1, fi i t2 su izračunati kutovi θ1, θ2 i φ u radijanima, uz to da je kut fi pomoćni kut potreban za dobivanje kuta θ2 u proračunu. T70 je istoimena već objašnjena matrica-operator T nakon transformacije. I konačno slovo T označava tražene koordinate položaja referentne točke alata x, y i z u odnosu na referentni koordinatni sustav stroja. To su ujedno i prva tri reda u četvrtom stupcu matrice T70. 75

93 Programiranje petoosne obrade Slika 69: Ispis rezultata iz raĉunalnog programa Matlab Primjer problema inverzne kinematike u proračunu kutova Inverzna kinematika se koristi za odreďivanje skupa varijabli osiju stroja potrebnih za dobivanje željenih CL podataka. Jedan od problema koji se pojavljuju prilikom izrade tih podataka je odabir kuta zakreta kada su 76

94 Programiranje petoosne obrade moguća dva rješenja, te računanje kutova kada su zakreti osi blizu kuta od 90 0 kod kojih tangens kuta poprima ekstremne vrijednosti. Ovaj problem će biti prikazan uz korištenje primjera stroja s dvije rotacijske osi smještene na stolu. Dodatna specifičnost stroja iz primjera je, da mu se rotacijske osi sijeku pod kutom od 45 0, Slika 71. Točan naziv stroja sa slike je Deckel Macho 50 evolution, Slika 70, te će se dalje u primjeru raditi s njegovim karakteristikama. Slika 70: Stol stroja Deckel Macho 50 evolution [11] 77

95 Programiranje petoosne obrade Slika 71 :Izvedba stroja kod kojeg se dvije rotacijske osi sijeku pod kutom od 45 0 [11] Rotacijske osi stroja su B i C. Točka sjecišta rotacijskih osi nalazi se po visini na udaljenosti d od fiksnog koordinatnog sustava x 0 y 0 z 0. Radni prostor B osi nalazi se izmeďu 0 0 i 180 0, a radni prostor C osi izmeďu + i -. Upravljačko računalo ovog stroja u NC-kodu zadaje vrijednost kuta C osi izmeďu i Korištenjem ovog stroja moguće je postići svaku orijentaciju alata okomito na površinu u obliku polukugle. Stroj za potrebe izvoďenja kinematičkih jednadžbi ima definirane koordinatne sustave, Slika 71: x 0 y 0 z 0 glavni koordinatni sustav stroja, smješten u središnjoj osi stola na njegovoj površini kada su kutovi rotacijskih osi B i C jednake 0 0 ; x 1 y 1 z 1 translacija sustava x 0 y 0 z 0 na udaljenosti d u smjeru osi z 0 ; x 2 y 2 z 2 rotacija sustava x 1 y 1 z 1 za kut 45 0 oko osi x 1 ; Koordinatni sustavi x 0 y 0 z 0, x 1 y 1 z 1 i x 2 y 2 z 2 su fiksni i ne kreću se s rotacijskim osima stroja; x 3 y 3 z 3 rotacija sustava x 2 y 2 z 2 za odreďeni kut oko osi z 2 ili oko osi B; 78

96 Programiranje petoosne obrade x 4 y 4 z 4 rotacija sustava x 3 y 3 z 3 za kut oko osi x 3 ; x 5 y 5 z 5 translacija sustava za udaljenost d duž osi z 4 ; Koordinatni sustav stroja je uvijek smješten u središtu stola, takoďer i nakon što se os B zarotira; x w y w z w koordinatni sustav obratka. Dobiva se rotacijom sustava x 5 y 5 z 5 za kut C oko osi z 5 ; x t y t z t koordinatni sustav alata sa ishodištem na vrhu alata. Homogena matrica koja transformira koordinate točke koordinatnog sustava x n y n z n u koordinatni sustav x m y m z m odreďena je oznakom Tnm. Transformacijske matrice definiranih koordinatnih sustava stroja odreďene su kako slijedi [11]: (17) (18) (19) (20) (21) 79

97 Programiranje petoosne obrade (22) (23) Translacija koordinata sa koordinatnog sustava alata na koordinatni sustav obratka prikazuje se kao sustav transformacije matrica: Twt = TW5*T54*T43*T32*T21*T10*T0t, gdje je Twt funkcija varijabli osiju stroja X, Y, Z, B i C. U jednadžbi je potrebno uvažiti činjenicu da je Tmn = (Tnm) -1. Orijentacija z-osi koordinatnog sustava alata relativno na koordinatni sustav obratka nalazi se iz trećeg stupca matrice Twt. Pozicija vrha alata relativno prema obratku nalazi se iz četvrtog stupca iste matrice. Prema tome CL podaci za odreďene varijable osiju stroja mogu se dobiti iz jednadžbe [11]: = Twt (24) Rješenje inverzne kinematike za B-os dobiva se iz jednadžbe [11]: (25) Ovo rješenje je valjano za sve moguće vrijednosti B-osi izmeďu:. Rješenje inverzne kinematike za C-os dobiva se iz jednadžbe dobivene analitičkim putem i sadrži dva argumenta [11]: (26) 80

98 Programiranje petoosne obrade Kod ove jednadžbe za vrijednost k=1 oba argumenta kuta dobivaju vrijednost 0, te vrijednost za C nije definirana. Ovaj problem naziva se problem singularnosti. U većini slučajeva problem singularnosti se pojavljuje kada jedna od rotacijskih osi zauzima konačnu poziciju. Za stroj iz primjera singularnost se javlja za vrijednost B=0 0, što je minimalna vrijednost ove osi. U tom slučaju površina stola je horizontalna, dok je C-os paralelna s osi alata. U ovome bi slučaju obje orijentacije C-osi dale željenu orijentaciju alata, meďutim, odreďena pravila za odabir moraju se donijeti. Na primjer za orijentaciju B=0, C-os bi trebala imati poziciju koja proizvodi najmanji pomak od prethodne pozicije iste osi. Ovdje je problem što C-os ponekad mora izvoditi brze pokrete od kako bi se postigao željeni pomak alata. Ovo je najčešći slučaj prilikom obrada obradaka polucilindričnog oblika. Kada alat prelazi preko cilindričnog vrha dolazi do singularnosti. U tom slučaju C-os proizvodi skokovite pokrete od 180 0, Slika 72. Slika 72: Pozicije B i C osi prilikom prolaska alata kroz toĉku singularnosti [11] Ovakvi pomaci lako mogu dovesti do kolizije alata i obratka, te je stoga potrebno izraditi algoritam koji će rješavati odabir vrijednosti C osi. Jedno od mogućih rješenja ovog problema je dodavanje slijedećeg upita kod proračuna vrijednosti C osi [11]: Ako je tada je C mod = (27) Gdje je neki vrlo mali kut, npr Ova modifikacija će prisiliti pomak C osi na 0 0 kada je vrijednost B osi blizu 0 0, odnosno kada je k=1. 81

99 Programiranje petoosne obrade Rješenja inverzne kinematike za X, Y i Z osi dobivaju se izvoďenjem jednadžbi analitičkim putem nakon što se dobiju rješenja za B i C osi. Dobivena rješenja za ovaj slučaj su kako slijedi [11]: X= (28) Y= (29) Z= (30) U slučaju da se umjesto vrijednosti C radi s vrijednosti C mod, to se s istom vrijednosti računaju vrijednosti varijabli X, Y i Z Postprocesori kod petoosne obrade Postprocesori služe kao sučelje izmeďu CAM sustava i numerički upravljanog stroja. Postprocesor očitava instrukcije za obradu koje dolaze od CAM programa, te na temelju njih ispisuje valjani kod namijenjen odreďenom stroju, Slika 73. Današnji postprocesori dodatno sudjeluju i u optimizaciji procesa, te kao nadopuna slabim točkama kako CAM programa tako i NC upravljačkog računala stroja. Većina CAM programa generira kodove u obliku neutralnih jezičnih datoteka koje sadrže instrukcije obrade za stroj. Te datoteke nalaze se ili u formatu CL podataka, ili u nekom od ASCII formata načinjenih u APT jeziku. APT jezik sadrži instrukcije za izradu u obliku simbolične geometrije, preko koje se generiraju CL podaci. Sa druge strane nalazi se NC stroj koji zahtjeva podatke podešene za vlastito upravljačko računalo. Stroju su podaci iskazani jezicima sa simboličnom geometrijom nerazumljivi, pa ih je iz tog razloga potrebno dalje prevesti u stroju razumljiv jezik, odnosno NC-kod. Upravo taj postupak prevoďenja naziva se postprocesuiranje, a računalni program koji ga izvodi naziva se postprocesor. Post procesuiranje uključuje detaljne informacije o specifičnim kinematskim i računalnim osobinama stroja kako bi se generirao valjani kod. Za svaki tip stroja potrebno je načiniti poseban postprocesor. 82

100 Programiranje petoosne obrade Postprocesorima se prilikom programiranja ugraďuju inteligentne funkcije potrebne za detekciju granica kretanja osi. Prilikom odreďivanja orijentacije alata praktički uvijek postoje dvije mogućnosti. To proizlazi iz činjenice da se do svake orijentacije može doći odabirom različitih parova kutova zakreta rotacijskih osi. Pravilno postavljeni postprocesori u takvim slučajevima uvijek moraju odabrati povoljnije rješenje. Naredni problem koji postprocesor mora efikasno rješavati su polne nestabilnosti. To su okrugle vrijednosti kutova kod kojih funkcije tangensa u numeričkom dijelu softvera poprimaju vrijednosti 0 i. Uz to postprocesor mora biti u mogućnosti bezopasno izvući alat iz zahvata na kraju operacije i odvesti ga na sigurnu udaljenost. Posebno napredni postprocesori u stanju su cijelo vrijeme obrade imati potpunu sliku dogaďaja i izvršavati optimirajuće poteze u pravo vrijeme bez vanjske intervencije. Slika 73: Shema rada postprocesora [14] 6.4. Trendovi kod programiranja petoosnih obrada Trenutni NC-programi su temeljeni na ISO 6983 standardu nazvanom NC-kod ili G-kod, gdje su gibanja pomičnih dijelova stroja potrebna za obradu odreďena položajem i pomakom alata u odnosu na osi stroja. MeĎutim kako današnja proizvodnja teži sve većoj fleksibilnosti 83

101 Programiranje petoosne obrade trendovi su da se s ovog načina upravljanja prijeďe na više razine upravljanja jer je NC-kod nizak oblik upravljačkog jezika, koji CNC-u dostavlja ograničene informacije isključujući vrijedne podatke kao što su geometrija dijela i plan obrade (Eng. Process Plan). Iako je NC-kod u proizvodnji širom svijeta dobro prihvaćen standard, on je u stvarnosti prilično ograničen za današnji proizvodni lanac. Unatoč velikoj učinkovitosti CAD/CAM i CNC sustava upravljanja, njihovo meďusobno neadekvatno sučelje koči predviďeni rast produktivnosti. Programiranje NC-koda rezultira golemim programima koji su složeni za izvoďenje, a korekcija grešaka i upravljanje izvršenjem programa je ograničeno. Situaciju dodatno pogoršava mnogo različitih jezika i različitih specifičnih dodataka od strane proizvoďača na programski jezik, pa su programi za izradu komponenti nerazumljivi izmeďu različitih upravljačkih ureďaja. Takvo stanje je iniciralo istraživanja u razvoj programa koji bi obradnim centrima dostavljali više informacija iz CAD modela, te programa koji bi bili meďusobno razumljivi izmeďu različitih upravljačkih računala, Slika 74. Istraživanja su dovela do razvoja novih metoda programiranja za buduće obrade nazvanih STEP-NC, Slika 75. Slika 74: Prednosti koje donosi programiranje obrade STEP-NC sustavima [14] 84

102 Programiranje petoosne obrade STEP-NC je jezik upravljačkih računala obradnih strojeva koji proširuje ISO STEP standarde s modelom obrade u ISO standard, dodajući podatke geometrijskih dimenzija i tolerancija za provjeru. Nadalje, upravlja protokom STEP PDM (Eng. Product Data Management) modela za integraciju u širu primjenu. Njegovi kombinirani rezultati su standardizirani kao ISO STEP-NC je osmišljen kao zamjena za standardni NC-kod sa suvremenim asocijativnim protokolom, koji povezuje podatke CNC procesa s opisom konačne geometrije izratka dok je on u fazi obrade. STEP-NC može koristiti velik opseg geometrijskih podataka, od onih STEP standarda za komunikaciju sa strojno neovisnim putanjama alata, do onih korištenih kod CNC programa. On može opskrbiti CAM sustav i upravljačka računala s opisanim operacijama i STEP CAD geometrijama na način da obradak, izradak, stezne naprave i oblici alata budu vizualno analizirani u kontekstu putanja alata. Slika 75: Model slanja podataka upotrebom STEP-NC naĉina programiranja [14] Unos podataka u CNC upravljačko računalo u obliku standardnog NC-koda je uvijek specifičan za odreďeni stroj i ograničen naredbama koje upravljaju osima. Na taj način alat koji vrši obradu ne posjeduje skoro nimalo informacija o željenim rezultatima obrade. STEP-NC 85

103 Programiranje petoosne obrade omogućuje da mnogo više informacija o procesu obrade bude poslano u upravljačko računalo stroja i da nove informacije o obratku koji je u fazi izrade budu konstantno dostavljane. Neke od mogućnosti ovog načina programiranja su: opis putanje alata koja je prenosiva i neovisna o geometriji stroja; vizualno praćenje procesa, prikazujući obradu u kontekstu stroja i obratka, Slika 76; simulacija direktno na zaslonu stroja, u svrhu kontrole kolizija i ostalih neželjenih dogaďaja; pojednostavljena provjera zadanih tolerancija. Mogućnost ispitivanja planova obrade povezanih sa zadanim tolerancijama direktno na stroju; optimizacija posmaka i brzine obrade korištenjem tolerancija i informacija dobivenih kroz poprečne presjeke i podatka pristiglih od senzora; asocijativnost, tako da se povratna veza može slati od obrade nazad prema CAD modelu. Slika 76: STEP-NC suĉelje na CNC stroju koje prikazuje geometriju dijela, vrijednosti tolerancija i preporuĉene parametre obrade [32] 86

104 Programiranje petoosne obrade U STEP-NC značajke (Eng. Features) su korištene za opisivanje volumena materijala koji mora biti uklonjen obradom da bi se došlo do konačnog oblika radne komponente opisane CAD modelom. Te značajke se raspoznaju unutar CAM sustava i koriste za očitanje konačne geometrije i tolerancija. U mnogima slučajevima geometrija definirane značajke može biti korištena izravno, ali upotpunjena s atributima kao što su potrebna tehnologija, alati i način obrade. Iako ovisi o korištenoj tehnologiji, planiranim operacijama (npr. broj grubih i finih obrada), nizom radnih koraka, ciljana površinska kvaliteta ili povećanje dodatnih značajki oblika moraju se kreirati unutar CAM sustava. Te značajke se temelje na geometriji početnog dijela i na konačnoj geometriji izvedenim iz dizajniranih značajki. Inteligentni CAM sustavi mogu ovo učiniti automatski kada su operacije i radni koraci odreďeni od strane inženjera za planiranje. Proizvodnja i obrada se planiraju CAM sustavima koji dodaju informacije za obradu i opskrbljuju CNC s izvršivim i zamjenskim programima. CAM sustavi su tipično smješteni u odjelima za planiranje proizvodnje, ali mogu biti takoďer korišteni i u prodajnim odjelima ili integrirani s modernim CNC upravljačkim ureďajima. Model podataka sadrži informacije o geometriji, informacije o značajkama i informacije o proizvodnom procesu. Informacije o geometriji su originalne iz CAD programa, a opisane su STEP-om. One uključuju sve potrebne informacije za definiranje konačne geometrije radnog komada. AP 238 je model podataka unutar STEP-NC standarda. Opisuje što uklanja materijal za odvajanje, a ne kako dobiti zadanu geometriju iz sirovog komada, tj. koji koraci mogu dovesti do nove geometrije. Odgovara na pitanja: što uklanja zadani volumen materijala značajke, kojim redom, kojim tolerancijama, kojim alatima da bi se zadovoljili zahtjevi izrade. Moguće je prepustiti upravljačkim ureďajima da odaberu gibanja alata automatski. Standardni NC-kod daje odgovore na pitanja: kako pomaknuti alat na zadanu lokaciju, kako pomaknuti alat na slijedeću lokaciju za zadani broj operacija. AP-238 objedinjuje proces obrade, zahtjeve za alate, geometriju i tolerancije. Objedinjavanje tih podataka je izvedeno tako da značajke i kompletna datoteka mogu biti razmijenjeni (Eng. Share) s nekim drugim CAD-om, CAM-om, ili upravljačkim ureďajem, Slika

105 Programiranje petoosne obrade Slika 77: Shema razmjene AP 238 podataka [14] Struktura AP-238 datoteke sadrži tri razine koje nose različite informacije: 1. razina: opis proizvoda; 2. razina: opis procesa obrade; 3. razina: opis tehnologije. 1. razina: opis proizvoda sadrži informacije o: radnom komadu i geometriji proizvoda; značajkama; dimenzijama i tolerancijama; ostalim mjerama. Informacije o radnom komadu i geometriji proizvoda Radni komad je STEP opis proizvoda. Sadrži sve potrebne informacije za proizvodnju, ograničenja, parametre obrade, vrste i svojstvima materijala itd. Informacije o značajkama Značajke su definirane svojim oblikom i parametrima kao što su npr. učestalost ponavljanja značajke itd, Slika 78. Neki od primjera su: značajke za 2,5D glodanje (rupe, džepovi, utori, stepenice), prijelazne značajke (zaobljenja i skošenja bridova), replicirane značajke (učestalosti ponavljanja pojedinih značajki, bilo linearno ili kružno), 88

106 Programiranje petoosne obrade područne značajke (karakteriziraju jedan dio proizvoda (Eng. Part)), kružne značajke (kružni utori, rebraste plohe, žljebovi) itd. Slika 78: Primjer prikaza znaĉajki na dijelu za obradu [14] Informacije o dimenzijama i tolerancijama Dimenzijama se definiraju karakteristike značajki koje treba obraditi, Slika 79. Ovdje se napominju tri vrste dimenzija, a to su: dimenzije koje definiraju udaljenost, dimenzije koje definiraju veličinu i dimenzije koje prikazuju geometrijske karakteristike (odnose). Dimenzije koje definiraju udaljenost daju fizičku mjerenu udaljenost lokacije koje treba obraditi od neke referente točke, brida ili plohe. Mogu biti izražene kao linearne udaljenosti, udaljenosti duž krivulje i kutovi nagiba, ako se lokacija nalazi na kosini. Dimenzije koje definiraju veličinu su debljina, duljina, širina, visina, promjer, polumjer zakrivljenosti, kut i sl. Pod geometrijskim karakteristikama se podrazumijevaju: kutnost, kružna proširenja, koncentričnost, koaksijalnost, cilindričnost, jednoličnost, ravnost, paralelnost, okomitost, pozicija, referentnost, okruglost, plošni profil, simetrija i sl. Slika 79: Primjer oznaka geometrijskih karakteristika [14] 89

107 Programiranje petoosne obrade slučaj. Informacije o drugim mjerama označavaju opise mjera karakterističnih za pojedini 2. razina: opis procesa obrade sadrži informacije o: obradi; tijeku izvršavanja; operacijama; putanjama alata. Obradni programi su srž STEP-NC modela, odnosno AP-238 podatka. Ova razina obuhvaća plan rada odnosno radne korake (Eng. Working Steps). Svaki radni korak povezan je operacijom nad značajkom negdje na radnom komadu. Svaka operacije opisuje što treba učiniti, na koji način i s kojim parametrima obrade. Povezani su s geometrijama i tehnološkim informacijama. Parametri mogu biti grupirani i razdijeljeni, npr. alati, posmaci, itd. Inteligentni NC upravljački ureďaji mogu samostalno računati gibanja alata za standardno odreďene značajke. Informacije o obradi označavaju mjesta na kojima se odvija obrada. TakoĎer definiraju obradu i glavni obradni plan. Informacije o tijeku izvršavanja Opisuju kontrolni protok (brzinu izvršavanja naredbi) i redoslijed izvršavanja. Radni korak je pridružen operaciji i značajki. Ova tehnologija radi kao nezavisna. Informacije o operacijama Opisuju što radni korak radi nad značajkom (npr. plošno glodanje, brušenje, itd.). Temelj su za sve tehnološke obrade. Daju i specifične detalje kao što su: učestalost vrtnje, posmak i druge tehnološke parametre poput hlaďenja, podmazivanja itd. Opisuju i putanju alata te način ulaska alata u materijal (zahvat). Informacije o putanjama alata Koriste se za izravno upravljanje kretnjama dijela stroja na kojem se nalazi alat za odreďenu operaciju. Oblik putanje može biti različit. Mogu biti ravne linije, zaobljene linije ili neke druge krivulje koje opisuju gibanje i posmak, Slika 80. TakoĎer mogu biti opisane kao putanje nezavisnog strojnog gibanja središnjice alata ili kontaktne točke alata i obratka. Može se koristiti i stari način strojno-zavisnog gibanja oko odreďene osi stroja. 90

108 Programiranje petoosne obrade Slika 80: Primjer putanja alata [14] 3. razina: opis tehnologije sadrži informacije o: procesima obrade; alatima za obradu. Informacije o procesima obrade opisuju sve radnje koje obuhvaća pojedina obrada. Za sve operacije takoďer se definiraju parametri grube i završne obrade kao i načini gibanja alata za vrijeme obrade. Informacije o alatima za obradu Svaka operacija posjeduje njoj pridruženi alat. Zahtjevi za alate neovisno o stroju se nalaze u bazama podataka. Postoji i mogućnost za optimizaciju na upravljačkom računalu. Operater mora biti siguran da li alat odgovara odreďenoj operaciji. Upravljačko računalo nije sposobno to samo odrediti kao ni dodati novu (promijenjenu) vrijednost za alat. Predočuju se parametri karakterističnih alata. Alati mogu biti za: glodanje (čeono glodalo, ravno glodalo, prstasto glodalo, glodala s izmjenjivim reznim pločicama, glodalo za bočno glodanje, glodalo za glodanje T-utora i lastinog repa, alat za urezivanje navoja, itd.), za bušenje (svrdla raznih dimenzija i parametara, svrdla s izmjenjivim reznim pločicama, kombinirana svrdla, alati za upuštanje, razvrtavanje, zabušivanje, 91

109 Programiranje petoosne obrade proširivanje, itd.), za tokarenje (pločica za tokarenje, držači pločica, tokarski alati za izradu zaobljenja, rebrastih površina, urezivanje i narezivanje navoja, itd). STEP-NC izlazni podaci su komplicirani za ručnu izmjenu jer sadrže geometrijske opise s velikim količinama podataka. MeĎutim kod računalnog tretiranja podataka veličina koda velikih programa može se reducirati, jer STEP-NC koristi XML (skraćeni naziv za ISO standard) kompresijske formate umjesto ASCII kodova. Ovaj način programiranja i dalje se razvija uz suglasnost s odborom za ISO standarde kako bi se sadašnji STEP-NC proširio na nove tehnologije. Modeli procesa za nove tehnologije se obično uvode od strane ISO TC184/SC1/WG7 odbora. Modeli za obradu žicom i konturnu obradu drvenih i kamenih obradaka trenutno se široko ispituju. Programe unapreďivanja podupiru mnoge proizvodne grane kao i proizvoďači strojeva čije tehnologije još nisu povezane sa STEP-NC sustavima, kao npr. lasersko i plazma rezanje. Računalno projektiranje tehnoloških procesa (CAPP, Eng. Computer Aided Process Planing). Stalni napredak informacijskih i komunikacijskih tehnologija imao je velik utjecaj i na razvijanje tehnologija u industriji, gdje je jedan od značajnijih dosega razvoj računalnog projektiranja tehnoloških procesa ili CAPP. CAPP su odreďenim slijedom poredani koraci koji su u mogućnosti djelotvorno i ekonomično odrediti način transformiranja sirovca u konačni proizvod, Slika 81. Osnovne zadaće CAPP-a su: prepoznavanje značajki proizvoda, odabir obradnih postupaka, odreďivanje stezanja, odreďivanje slijeda operacija, odreďivanje tolerancija, odreďivanje parametara obrade, postavljanje vremena obrade i generiranje NC- koda. Povezanost CAPP-a sa CAD i CAM tehnologijama je još uvijek predmet mnogih znanstvenih radova, Slika 82. Suvremeni pristupi imaju tendenciju ujedinjavanja CAPP-a sa CAD i CAM tehnologijama na bazi prepoznavanja značajki dimenzija i tolerancija računalnog modela. 92

110 Programiranje petoosne obrade Slika 81: Shema povezanosti raĉunalnih tehnologija CAPP, CAD i CAM [14] Osnovni pravci razvoja CAPP-a su: varijantni pristup; generativni pristup; hibridni pristup. CAPP se u početcima razvijao kao varijantni temeljen na skupnim tehnologijama. To je bio razvitak koji se oslanjao na standardne planove razvijane tijekom prijašnjih obrada, koji su bili pohranjeni u neku bazu podataka. Generativni pristup se razvijao na principu algoritama odlučivanja koji su odreďenim ugraďenim logikama trebali donositi odluke. Hibridni pristup je stvoren kao kombinacija prethodna dva pristupa. 93

111 Programiranje petoosne obrade Slika 82: Opća arhitektura rada CAPP sustava [14] 94

112 Računalna simulacija postavljene obrade 7. RAĈUNALNA SIMULACIJA POSTAVLJENE OBRADE Simulacija obrade je najsigurniji i ekonomski najefikasniji način potvrde ispravnosti putanje alata kod višeosnih obrada. Za to postoji više razloga. Korištenje višeosnog stroja za potvrdu programa je dugotrajan i opasan postupak, kako za stroj i opremu tako i za operatera. Pored toga pokušaji potvrde direktno na alatnom stroju na temelju prikaza iz CAD/CAM sustava su više nego opasni. Prikaz samo oslikava putanju alata koji se kreće oko stacionarnog obratka. Stoga je takav prikaz relevantan tek nakon postprocesiranja, koje je drugačije za svaki stroj. Slika 83: Suĉelje za upravljanje simulacijom u raĉunalnom programu SolidCAM [12] 95

113 Računalna simulacija postavljene obrade Za postupak simulacije obrade u računalnom programu konstruira se virtualni stroj identičan originalu. Komponente virtualnog stroja najčešće su u obliko STL datoteka, a dostavlja ih proizvoďač stroja prilikom njegove kupnje. Nakon toga prilazi se programiranju obrade, tako što je moguće nebrojeno puta mijenjati pojedine parametre obrade sve dok se ne postigne željena obrada. Simulacijskim pokušajima osiguravaju se najefikasniji prolazi putanje rezanja uz postavljanje obratka u najpogodnijem položaju, te uz sigurnost da neće doći do neočekivane realne kolizije izmeďu alata, stezne naprave i dijelova stroja. MeĎutim, simulaciju obrade ne treba shvaćati jedino kao alat za traženje greške u programu nego kao dodatni alat kojim je moguće postići čist, efikasan i točan program za svaku obradu. Simulacija obrade omogućava testiranje različitih pristupa i različitih strategija obrade za različite strojeve bez napuštanja računala. Priličan broj alatnica za potvrdu putanje alata uz simulaciju obrade koristi se realnom obradom voštanog modela. Ta se obrada vrši kao zadnja proba prije stvarne obrade obratka. MeĎutim, zbog usporavanja rada stroja na kritičnim mjestima posebno kod kompleksnih obradaka takav proces može biti prilično dugotrajan Konstruiranje virtualnog stroja Prilikom konstruiranja virtualnog stroja u CAD/CAM sustavu nije nužno postaviti sve komponente stroja poput odvajača čestica, spremnika tekućine za hlaďenje ili slično. MeĎutim područje koje okružuje prostor obrade mora biti identično onome na pravom stroju. Prvi korak u konstruiranju je postavljanje kostura stroja, Slika 84. Kostur ili kinematska struktura opisuje način povezivanja svih osi stroja. Na svima se postavljaju limiti gibanja sukladno realnim osima na stroju. Osnovne komponente svake virtualne konstrukcije su osnova stroja, alat i obradak. Na osnovne komponente mogu se postaviti dodatne komponente poput steznih naprava, izmjenjivača alata i slično. Svaki pojedini dio se u program unosi kao zaseban model i svakom modelu se mogu zadati različite vizualne karakteristike radi raspoznavanja. Pokretanje virtualnih dijelova stroja po zadanim osima nakon sklapanja konstrukcije u većini računalnih programima može se provjeriti ručno sa MDI (Eng. Manual Data Input) komandama. Kada je konstruiranje završeno potrebno je postaviti virtualno upravljačko računalo. Postavljanje virtualnog upravljačkog računala se izvršava u CAM sustavu postavljanjem postprocesora. 96

114 Računalna simulacija postavljene obrade Slika 84: Model virtualnog stroja u raĉunalnom programu (primjer u SolidCAM-u) [12] 7.2. Simulacija obrade Za programiranje obrade i generiranje NC-koda koristi se CAD/CAM sustav. Obradak se konstruira u računalnom programu ili unosi kao gotova datoteka. Alati korišteni u simulaciji unose se iz baza podataka. Baze podataka alata mogu se nalaziti gotove u računalnom programu ili mogu poticati iz neke vanjske baze podataka. Simulacija obrade može biti pokrenuta za vrijeme ili na kraju procesa programiranja obrade, Slika 85. Postupak pokretanja simulacije je vrlo sličan postavljanju stvarne obrade. Obradak se unosi i postavlja na postolje u odreďenoj orijentaciji, nakon čega je potrebno postaviti relativni koordinatni sustav obratka u odnosu na koordinatni sustav stroja. Nakon toga se puni spremnik alata sa alatima koji moraju imati definirane geometrijske karakteristike. Zatim se programiraju putanje alata. Nakon toga simulacija je spremna za pokretanje, a moguće ju je izvoditi kao cjelokupnu obradu ili pojedinačno po operacijama. Simulacija se može ubrzavati ili usporavati. Cijeli sustav je moguće zakretati u prostoru i premotavati naprijed i nazad ukoliko se želi dobiti 97

115 Računalna simulacija postavljene obrade detaljniji uvid o prolazima alata. Simulacija omogućava prikaz odvajanja materijala i pruža obavijesti o koliziji ili o suviše bliskim prolazima pokretnih dijelova i neaktivnih površina. Programeru je omogućeno da pojedine komponente učini više ili manje prozirnima, radi detaljne analize obrade, što pri stvarnoj obradi nije moguće. Dodatna značajna prednost simulacije obrade je procjena vremena obrade, čijim se korištenjem može odabrati najpovoljnija opcije s aspekta trajanja procesa. Slika 85: Simulacija obrade u raĉunalnom programu SolidCAM [12]. 98

116 Usporedba troosne i petoosne obrade 8. USPOREDBA TROOSNE I PETOOSNE OBRADE 8.1. Usporedba mogućnosti troosne i petoosne obrade U slučaju obrade komponenti nepravilnih površina koje prilikom korištenja troosne obrade zahtijevaju po nekoliko stezanja kako bi se dovele do željenog izratka, uvoďenje petoosne obrade na mjesto troosne pokazuje nedostižne prednosti. Prednosti se još više očituju ukoliko se na takvim komponentama dodatno zahtjeva i bušenje provrta na površini. U slučaju troosne obrade neravnih površina, na površinama uvijek ostaje dodatak za ručnu završnu obradu. Razlog je taj što se takve obrade na troosnim strojevima uspješno izvode jedino upotrebom alata sa oblim vrhom. MeĎutim zbog vrha alata u obliku polukugle izmeďu prolaza ostaje dio materijala koji nije moguće skinuti sa obraďene površine i koji ostavlja odreďenu površinsku hrapavost, pa je neminovno računati na dodatnu obradu brušenjem ili poliranjem. Slika 86: Poloţaj alata tijekom obrade troosnim strojem [9] Kod primjera obrada na Slikama 86 i 87 najbolje se uočavaju prednosti petoosne nad troosnom obradom. Uz spomenute uštede u vremenu zbog mogućnosti obrade u jednom stezanju, 99

117 Usporedba troosne i petoosne obrade petoosna obrada daje i veću kvalitetu obraďene površine. Kvaliteta površine se dobiva pravilnim odabirom kretnji i orijentacija alata prilikom obrade. Ukoliko se ovi parametri valjano postave u većini slučajeva dodatna ručna obrada nije potrebna. Slika 87: Poloţaj alata tijekom obrade petoosnim strojem [9] Kod upotrebe petoosne obrade postoji mogućnost korištenja širokog spektra alata. Tako se kod obrade neravnih površina mogu, uz alate sa oblim vrhom koristiti alati s ravnim vrhom. U tom slučaju je moguće vršiti obradu s puno manjim nagibom alata prema obraďivanoj površini što daje mogućnost obrade s većim tolerancijama na obraďenu površinu. Kvaliteta obraďene površine prilikom usporedbe troosne i petoosne obrade dolazi do izražaja i kod konturnog glodanja, Slika 88. Naime kod troosne obrade duljina alata uvijek mora biti malo dulja od visine obraďivanog profila. To kod viših profila može biti posebno nepovoljno jer se značajno smanjuje krutost alata, što za posljedicu ima slabiju kvalitetu obraďene površine. Obrada ovakvih profila upotrebom 100

118 Usporedba troosne i petoosne obrade petoosnih strojeva puno je pogodnija, jer se zbog proizvoljnog odabira orijentacije alata prema obratku može koristiti puno kraći alat, koji stoga ima značajno veću krutost. Slika 88: Prednost petoosne obrade nad troosnom kod konturnog glodanja-veća krutosti alata [9] Prednosti petoosne obrade nad troosnom obradom na mjestima gdje je troosna obrada moguća mogu se tako sažeti u sljedeće stavke: smanjenje prostora i broja strojeva, kao i pomoćnih dijelova uz dobivanje jednakih rezultata; povećanje proizvodnosti kako smanjenjem broja stezanja, tako i smanjenjem broja potrebnih operacija; smanjenje broja i trajanja poslije-obradnih radnji postizanjem zahtjevane kvalitete obraďene površine uz mali broj stezanja; smanjenje vremena i troškova koji se pojavljuju prilikom kontrole kvalitete. Ukoliko se prilikom odabira stroja pokaže opravdanost većih početnih investicija u petoosni stroj, jasno je da u današnje vrijeme odabir istoga gotovo da i nema alternativu. 101

119 Usporedba troosne i petoosne obrade 8.2. Opis primjera troosne i petoosne obrade Sve prednosti petoosne obrade lako se mogu uočiti ako se usporedi petoosna i troosna obrada jednakog obratka, koji ima mogućnost biti izraďen primjenom obiju tehnologija. Kao primjer koristiti će se obradak prikazan na Slici 89. Model je izabran tako da su dimenzije pripremka za 5mm dulje i više i šire od osnovnih dimenzija izratka. Po jedna od meďusobno okomitih stranica sirovca i izratka su meďusobno u koincidenciji i dijele zajedničku točku. Izradak je visine 20mm, s tim da su na dijelu 10mm udaljenom od vrha stranice skošene pod kutom od 45 o. Dva ruba izmeďu skošenih ploha su zaobljena sa polumjerom od 3mm. Slika 89: Dimenzije i oblik sirovca i obratka u primjeru obrade Obrada ima demonstrativni karakter te se stoga neće realno izvoditi, nego će biti izvedena u simulacijskom modu računalnog CAD/CAM sustava. Korišteni računalni program je CAM mod SolidWorks-a pod nazivom SolidCAM, a korištena verzija je SolidCAM Cilj ove simulacije obrade je prikazati mogućnosti prolaza alata po površini obratka kod troosne i petoosne obrade, te vrijeme trajanja obrade, kao i prikazatii obraďenu površinu nakon završetka obrade. I petoosna i troosna obrada sastoje se od tri operacije. Prva i druga operacija obje obrade je identično programirana s jedinom razlikom u definiranom upravljačkom ureďaju, Slika

120 Usporedba troosne i petoosne obrade Koriste se troosno i petoosno upravljačko računalo sukladno korištenom virtualnom stroju definiranom u SolidCAM-u. Slika 90: Definirane i programirane obrade prikazane u suĉelju SolidCAM-a Primjer je ovako odabran iz razloga kako bi se pokazalo da i kod petoosnih strojeva najčešće operacije obrade zahtijevaju samo translacijske osi. Iz već navedenih razloga tada je rotacijske osi bolje držati zaključanima i koristiti troosni mod, sve dok se ne pojavi potreba za pet osi kada puštanje u rad petoosnog moda dovodi do značajnih prednosti Operacije obrade koje se izvode jednako kod troosne i petoosne obrade Kako je već napomenuto, kod ove dvije obrade izabrana su samo različita upravljačka računala strojeva, dok su svi ostali parametri identični, te će stoga biti zajednički opisivani. Nakon odabira stroja izabire se koordinatni sustav obratka koji je u ovom slučaju postavljen u donji ugao koji je zajednički i sirovcu i obratku. Zatim se u računalnom programu definiraju izradak i sirovac kako bi računalni program ukalkulirao potrebni materijal za odvajanje, Slika 91. Nakon toga dodaje se prva operacija obrade. To je u ovom slučaju čeono glodanje gornje strane sirovca kako bi se on po visini doveo na dimenzije izratka. Ova operacija sadržava i grubu i završnu obradu, s tim da se završna obrada izvodi u posljednjem prolazu. Za alat je izabrano čeono glodalo (Eng. Face Mill) promjera 40mm s tri zuba. 103

121 Usporedba troosne i petoosne obrade Slika 91: Definirani koordinatni sustav, sirovac i izradak U tehnologiji je postavljeno da se alat tijekom obrade kreće u oba smjera (Eng. Hatch) i da se prilikom svakog prolaza prilikom grube obrade spušta za 2mm. Preklapanje putanje glodala izabrano je u vrijednosti od 30% promjera glodala, tako da se ova obrada izvodi u tri prolaza po jednom stupnju visine. Broj stupnjeva prolaza je 3, od čega su 2 stupnja grube obrade, a 1 stupanj završne obrade, Slika 92. Slika 92: Ĉeono glodanje obratka Cilj sljedeće operacije je poravnati vanjske dimenzije obratka i izratka u X i Y ravnini. To se izvodi konturnim glodanjem, Slika 93. Za alat se uzima glodalo sa ravnim vrhom (Eng. 104

122 Usporedba troosne i petoosne obrade End Mill), a kako se obrada izvodi paralelno sa osi Z, glodalo ju vrši bočnom stranom. Promjer glodala je 8mm. Ova operacija izvodi i grubu i završnu obradu, s tim da se završna obrada izvodi u posljednjim prolazima. Gruba obrada sastoji se od 4 prolaza, a završna obrada od jednog prolaza. Slika 93: Konturno glodanje obratka Nakon prve dvije operacije koje su potpuno jednako programirane i na troosnom i na petoosnom stroju, obradak ima sve vanjske dimenzije izratka. Nakon toga za obradu su ostala još skošenja na gornjem dijelu obratka.te se operacije sada izvode drugačije primjenom troosne, a drugačije primjenom petoosne obrade Obrada zakrivljenih površina troosnom obradom Kako su površine za obradu u trećoj operaciji postavljene pod kutom prema svim trima koordinatnim osima obradnog stroja, potrebno je kao alat uzeti glodalo sa zaobljenim vrhom (Eng. Bell End Mill), koje će površinu obraďivati s točkama na polumjeru zakrivljenosti vrha alata u zahvatu. Koristi se glodalo promjera 6mm, s polumjerom zakrivljenosti vrha alata od 3mm, Slika

123 Usporedba troosne i petoosne obrade Slika 94: Odabir glodala u SolidCAM-u Kako je ovo posljednja operacija obrade komponente, sastoji se i od grube i od poluzavršne i od završne obrade površine, Slika 95. Slika 95: Zadavanje tehnologije obrade u SolidCAM-u za troosni mod 106

124 Usporedba troosne i petoosne obrade Gruba obrada je zadana tako da se alat u zahvatu giba prateći zadanu konturu, sa preklapanjem izmeďu prolaza u vrijednosti 65% polumjera i sa posmakom po visini od 2mm izmeďu prolaza. Ostatak za doradu nakon grube obrade postavljen je na 0.5mm. Poluzavršna obrada zadana je tako da dodatak za završnu obradu ima vrijednost od 0.2mm. Svaki prolaz izvodi se na konstantnoj vrijednosti Z osi. Na kraju alat izvodi završnu obradu površine skidajući sav dodatak za obradu, Slika 96. Slika 96: Obrada zakrivljenih površina na troosnom stroju Kako je korištenje alata s zaobljenim vrhom jedini način troosne obrade zakrivljenih površina povećanjem broja završnih prolaza dobiva se bolja kvaliteta obraďene površine, ali zbog sfernog oblika alata uvijek ostaju prisutna odreďena odstupanja od konstruiranog CAD modela, Slika 97. Svakako treba uzeti u obzir da se povećavanjem broja prolaza produljuje i vrijeme trajanja obrade, a i oštrice reznog alata se time više troše. Slika 97: Izgled površine izratka nakon troosne obrade 107

125 Usporedba troosne i petoosne obrade 8.5. Obrada zakrivljenih površina petoosnom obradom Prednosti petoosne obrade najviše se uočavaju upravo na ovakvim primjerima zakrivljenih površina. Alat se može postaviti prema obraďivanoj površini obratka pod bilo kojom orijentacijom, tako da se vrlo lako dobivaju najpovoljniji uvjeti obrade. Tako se kod ovog primjera izabire tehnologija višeosne obrade bočnom stranom glodala (Eng. Swarf Milling), Slika 98. Osnovna prednost ovog načina obrade je mogućnost simultanog kretanja i orijentiranja alata, tako da mu je bočna strana uvijek u dodiru sa obratkom. Na taj način mjesto dodira alata i obratka čini liniju, što dovodi do visokih kvaliteta obraďene površine. Slika 98: Zadavanje geometrije obrade u SolidCAM-u za petoosni mod Kao predložak načina obrade (Eng. Pattern) uzima se obrada paralelno sa krivuljom. To znači da će se tokom obrade vrh alata kretati po krivuljama paralelnim sa zadanom krivuljom (Eng. Edge Curve), Slika 99. Nakon toga zadaje se površina koju je potrebno obraditi (Eng. Drive surface), Slika 100. Osim površina koje se obraďuju, još je potrebno odrediti kontrolne površine (Eng. Check Surfaces), koje računalnom programu označuju mjesta koja putanja alata ne smije dotaknuti. U ovom slučaju to su sve površine koje dotiču obraďivanu površinu. 108

126 Usporedba troosne i petoosne obrade Slika 99: Zadana krivulja-uzorak za kretanje alata tijekom obrade Slika 100: Oznaĉene površine koje je potrebno obraditi Kao alat za obradu uzima se glodalo sa ravnim vrhom, Slika 101. Promjer glodala uzima se u vrijednosti od 8mm. 109

127 Usporedba troosne i petoosne obrade Slika 101: Izbor alata za petoosnu obradu Sljedeće se zadaju parametri putanje alata. Tražena površina zadaje se s tolerancijama od 0.01mm. Broj prolaza alata postavlja se na 2, Slika 102 na način da se cijela površina obraďuje u jednom prolazu kruženjem alata preko obraďivane površine. Alat je postavljen da se kreće u jednom smjeru. Dodatno je zadano da alat bude postavljen uvijek okomito na zadanu krivulju kretanja alata. Slika 102: Generirane putanje alata za petoosnu obradu 110

128 Usporedba troosne i petoosne obrade Tek kada se pokrene simulacija obrade može se vizualno uočiti način na koji se zakrivljene površine jednostavno mogu obraditi primjenom petoosne obrade, Slika 103. Slika 103: Prolaz alata preko zakrivljenih površina primjenom petoosne obrade Posljedica ovakvog kretanja alata prilikom obrade je vrlo visoka kvaliteta obraďene površine, Slika 104. Na površini se ne mogu uočiti tragovi obrade jer je glodalo obradu vršilo bočnom stranom. Dodatna prednost je i bitno manje vrijeme obrade i s tim povezano trošenje reznog alata. Slika 104: Izgled površine izratka nakon petoosne obrade 111

129 Usporedba troosne i petoosne obrade 8.6. Usporedba dokumentacije obrade Prvo se usporeďuju generirani NC-kodovi troosne i petoosne obrade, Slika 105. Iako se može očekivati da petoosna obrada ima složeniji zapis koda od troosne, u slučaju poput ovoga prilikom petoosne obrade alat se giba po jednostavnim putanjama, što znatno pojednostavljuje proračun za upravljačko računalo. Tako se i NC-kod petoosne obrade sastoji od svega nekoliko redaka, dok se NC-kod troosne obrade sastoji od više stotina redaka. Slika 105: Poĉetak ispisa NC-koda troosne i petoosne obrade iz primjera 112