Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Fotografia na okładce: microstock3D/shutterstock

Wydawca: Adam Filutowski

Redaktor prowadzący: Adam Kowalski

Redaktor: Joanna Forysiak

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2020

ISBN 978-83-01-20974-2

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (Wydanie IV zmienione i uaktualnione – II wydanie WN PWN)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Wykaz akronimów

Wstęp

Rozdział 1. CNC – komputerowe sterowanie numeryczne

1.1. Definicja i cechy układu sterowania CNC

1.2. Budowa i funkcje układu CNC

1.3. Sposoby wprowadzania danych/programu sterującego do układu CNC

Rozdział 2. Metody programowania obrabiarek NC/CNC

2.1. Definicja i klasyfikacja metod programowania

2.2. Programowanie ręczne i wspomagane komputerowo

2.3. Programowanie CNC Manual

2.4. Programowanie automatyczne (maszynowe)

2.5. Programowanie zorientowane warsztatowo (WOP)

2.6. Programowanie interaktywne (w systemie CAD/CAM)

Rozdział 3. Rodzaje układów sterowania obrabiarek NC/CNC

3.1. Sterowanie punktowe

3.2. Sterowanie odcinkowe

3.3. Sterowanie kształtowe (ciągłe)

Rozdział 4. Wyposażenie obrabiarek sterowanych numerycznie

4.1. Wyposażenie tokarek i centrów tokarskich

4.1.1. Ustalanie i mocowanie przedmiotów obrabianych

4.1.2. Mocowanie narzędzi

4.1.3. Systemy narzędziowe do centrów tokarskich

4.2. Wyposażenie frezarsko-wytaczarskich centrów obróbkowych

4.2.1. Elementy mocujące narzędzia

4.2.2. Narzędzia

4.2.3. Elementy ustalające i mocujące przedmiot obrabiany na frezarkach i centrach obróbkowych CNC

4.3. Narzędzia do obróbki form i matryc

4.4. Narzędzia wielofunkcyjne do obróbki kompletnej

Rozdział 5. Programowanie obróbki na obrabiarkach CNC

5.1. Struktura programów sterujących

5.1.1. Struktura budowy programu NC

5.1.2. Definicje słów programu sterującego

5.2. Układy współrzędnych maszyny i przedmiotu obrabianego

Rozdział 6. Programowanie układów CNC

6.1. Technika pomiarowa w obrabiarkach CNC

6.1.1. Pomiar, ustawianie i zapamiętywanie wymiarów narzędzi

6.1.2. Zasady pomiarów za pomocą sondy pomiarowej

6.1.3. Programowanie i symulacja pracy sondy pomiarowej

6.2. Programowanie obszaru bezpiecznego

6.3. Cykle ustalone

6.4. Korekcja narzędzia

6.4.1. Korekcja narzędzia tokarskiego

6.4.2. Korekcja narzędzia frezarskiego

6.5. Podprogramy

6.6. Programowanie parametryczne

6.6.1. Edycja instrukcji parametrycznych

6.6.2. Tworzenie sparametryzowanego programu dla nowej części

Rozdział 7. Techniki wspomagania programowania obrabiarek CNC

7.1. Zastosowanie symulacji i wizualizacji

7.2. Zastosowanie technik wirtualnej rzeczywistości (VR)

7.3. Zastosowanie inżynierii odwrotnej

Rozdział 8. Zastosowanie współrzędnościowych systemów pomiarowych

8.1. Stykowe i bezstykowe głowice pomiarowe

8.2. Zasady integracji z układem sterowania CNC

8.3. Monitorowanie i diagnostyka

8.4. Koncepcja inteligentnej obrabiarki

Rozdział 9. Programowanie obróbki wieloosiowej

9.1. Programowanie obróbki 5-osiowej

9.2. Programowanie obróbki symultanicznej

9.3. Obróbka wirnika typu blisk

Rozdział 10. Zaawansowany system programowania obrabiarek – CAM Express

10.1. Budowa i podstawowe funkcje programu CAM Express

10.1.1. Interfejs graficzny w systemie CAM Express

10.1.2. Podstawowe polecenia obsługi systemu CAM Express

10.1.3. Importowanie modeli CAD

10.1.4. Definiowanie geometrii przedmiotu obrabianego

10.1.5. Podstawowe funkcje rysowania

10.1.6. Definiowanie narzędzi

10.2. Podstawowe funkcje obróbkowe środowiska CAM

10.2.1. Operacje przystosowane do wiercenia

10.2.2. Operacje przystosowane do frezowania płaszczyzn

10.2.3. Operacje przystosowane do frezowania powierzchni kształtowych

10.2.4. Operacje przystosowane do toczenia

10.2.5. Funkcje nawigatora operacji

Parametry technologiczne

10.3. Symulacja obróbki i generowanie kodu NC

10.3.1. Analiza i symulacja obróbki

10.3.2. Generowanie kodu NC

10.3.3. Dokumentacja technologiczna

10.4. Przykład programowania frezowania w systemie CAM Express

10.4.1. Zdefiniowanie części obrabianej i półfabrykatu

10.4.2. Modyfikacja MSC przedmiotu obrabianego

10.4.3. Tworzenie katalogów programu

10.4.4. Definiowanie narzędzi skrawających

10.4.5. Obróbka kołnierza I – program 1

10.4.6. Obróbka kołnierza II – program 2

10.4.7. Obróbka kołnierza III – program 3

10.4.8. Symulacja programu sterującego

10.5. Przykład programowania toczenia w systemie CAM Express

10.5.1. Definiowanie części obrabianej i półfabrykatu

10.5.2. Definiowanie pozostałych poleceń początkowych

10.5.3. Obróbka tulei – program 4

10.5.4. Symulacja programu sterującego

Rozdział 11. Interaktywny system programowania Mastercam 2019

11.1. Obsługa i stałe funkcje systemu Mastercam

11.1.1. Podstawowe polecenia obsługi programu

11.2. Budowa i podstawowe funkcje komend definiowania przedmiotu obrabianego

11.2.1. Podstawowe funkcje rysunkowe 2D i 3D

11.2.2. Funkcje informacji i opisu technicznego rysowanych elementów

11.2.3. Widoki i rzutnie

11.2.4. Opcje transformacji rysunku

11.2.5. Skróty klawiszowe

11.3. Budowa i podstawowe funkcje modułu CAM systemu Mastercam

11.3.1. Opcje menu Turning

11.3.2. Opcje menu Milling

11.4. Definiowanie geometrii przedmiotu obrabianego dla potrzeb frezowania – Mill

11.5. Przykład programowania toczenia w interaktywnym systemie CAD/CAM Mastercam 2019

11.5.1. Konwersja rysunków z systemów CAD na potrzeby programu Mastercam 2019

11.5.2. Definiowanie parametrów technologicznych

11.5.3. Obróbka powierzchni czołowych

11.5.4. Obróbka kształtująca

11.5.5. Wykonanie podcięcia w zamocowaniu I

11.5.6. Obróbka wykańczająca

11.5.7. Nacinanie gwintu metrycznego w zamocowaniu I

11.5.8. Frezowanie rowka wpustowego na tokarce CNC wyposażonej w napędzane narzędzia

11.5.9. Transformacja zabiegów obróbkowych

11.5.10. Programowanie wrzeciona przechwytującego

11.5.11. Obróbka powierzchni czołowych w zamocowaniu II

11.5.12. Obróbka kształtująca w zamocowaniu II

11.5.13. Obróbka wykańczająca w zamocowaniu II

11.5.14. Wykonanie podcięć w zamocowaniu II

11.5.15. Nacinanie gwintu metrycznego w zamocowaniu II

11.5.16. Frezowanie rowka wpustowego na tokarce CNC w zamocowaniu II

11.5.17. Weryfikacja oraz symulacja programu sterującego

11.6. Przykład programowania frezowania w interaktywnym systemie CAD/CAM Mastercam 2019

11.6.1. Import modelu CAD do systemu Mastercam 2019

11.6.2. Definiowanie danych technologicznych frezowania

11.6.3. Frezowanie powierzchni czołowej

11.6.4. Frezowanie rowka dwustopniowego

11.6.5. Frezowanie kieszeni

11.6.6. Wiercenie otworów na powierzchni czołowej

11.6.7. Fazowanie krawędzi

11.6.8. Frezowanie płaszczyzny usytuowanej pod kątem do płaszczyzny podstawy

11.6.9. Wiercenie grupy otworów pod gwint

11.6.10. Fazowanie grupy otworów pod gwint

11.6.11. Gwintowanie grupy otworów

11.6.12. Frezowanie rowka prostokątnego

11.6.13. Cyrkularne frezowanie otworów

11.6.14. Fazowanie otworów

11.6.15. Weryfikacja oraz symulacja programu sterującego NC dla frezarki pięcioosiowej

Literatura

Katalogi i dokumenty elektroniczne

Normy

Przypisy

Wykaz akronimów

AC sterowanie adaptacyjne (ang. adaptive control)

ACA-NC programowanie maszynowe (ang. automatic computer-aided NC programming)

ACC sterowanie adaptacyjne graniczne (stałowartościowe) (ang. adaptive control constraint)

ACO sterowanie adaptacyjne optymalizujące (ekstremalne) (ang. adaptive control optimization)

AM wytwarzanie przyrostowe (ang. additive manufacturing)

CAD projektowanie wspomagane komputerowo (ang. computer aided design)

CAM wytwarzanie wspomagane komputerowo (ang. computer-aided manufacturing)

CA-NC wspomagane komputerowo programowanie NC (ang. computer-aided NC programming)

CLData interfejs niezależny od obrabiarki (ang. cutter location data)

CMM współrzędnościowa maszyna pomiarowa (ang. coordinate measurement machine)

CNC komputerowe sterowanie numeryczne (ang. computer numerical control)

DNC bezpośrednie sterowanie numeryczne (ang. direct numerical control)

EDM obróbka elektroerozyjna (ang. electron-discharge machining)

FMS elastyczny system wytwórczy (ang. flexible manufacturing system)

HM wytwarzanie hybrydowe (ang. hybrid manufacturing)

HMI (MMI) interfejs operatora (ang. human machine interface, man machine interface)

HSM obróbka z dużymi prędkościami (ang. high speed machining)

IGES neutralny format zapisu danych (ang. initial graphics exchange specification)

ITMS inteligentne systemy zarządzania narzędziami (ang. intelligent tool management system)

LBM maszyny do cięcia wiązką lasera (ang. laser beam machining)

MDA ręczne wprowadzanie danych i automatyczne wykonywanie instrukcji, tzw. półautomatyczny cykl pracy (ang. manual data automated)

MDI ręczne wprowadzanie danych (ang. manual data input)

NC sterowanie numeryczne (ang. numerical control)

NURBS krzywa typu B-splajn, zdefiniowana przez zbiór wyważonych punktów sterujących i kilku wektorów węzłowych (ang. non-uniform rational B-spline curve)

OEM (OSA) układy sterowania otwartego (ang. open equipment manufacturing (open system architecture))

OSN obrabiarka sterowana numerycznie

OUPN układ obrabiarka–uchwyt–przedmiot–narzędzie

PC-NC komputer wbudowany w układ sterowania NC

PLC sterownik programowany logicznie (ang. programmable logic controller)

RE inżynieria odwrotna

SFP programowanie zlokalizowane na warsztacie (amerykańska wersja WOP) (ang. shop-floor programming)

TMS system zarządzania narzędziami (ang. tool management system)

WEDM elektroerozyjne wycinanie drutem (ang. wire electro-discharge machining)

WJM cięcie wysokociśnieniową strugą wody (ang. water jet machining)

WOP programowanie zorientowane warsztatowo (ang. workshop/workstation-oriented programming)

VR wirtualna rzeczywistość

Wstęp

Początki historii sterowania numerycznego datuje się na połowę XX w., a zasadniczo na rok 1952, i przypisuje U.S. Air Force oraz Johnowi Parsonsowi, a także Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Cambridge, USA. Wtedy bowiem została uruchomiona w MIT pierwsza obrabiarka NC Hydrotel (firmy Cincinnati) z pionowym wrzecionem, liniową interpolacją 3D i binarnie kodowaną taśmą dziurkowaną. Sterowanie numeryczne nie było jednak szerzej stosowane w przemyśle wytwórczym aż do początku lat 60. XX w. Okres intensywnego rozwoju nastąpił z chwilą pojawienia się ok. 1972 r. technologii CNC, a szczególnie w następnej dekadzie, w związku z możliwością zastosowania mikrokomputerów.

W przemyśle wytwórczym, a zwłaszcza w przemyśle metalowym, technologia NC spowodowała swoistą rewolucję. Obecnie komputery należą do standardowego wyposażenia praktycznie każdego zakładu czy warsztatu, a obrabiarki z systemami sterowania NC znalazły tam podstawowe zastosowanie. Intensywny rozwój techniki informatycznej, obejmujący systemy sterowania, przyczynił się do istotnych zmian w sektorze wytwórczym, a szczególnie w obróbce skrawaniem.

Większość proponowanych dotychczas definicji pojęcia sterowanie numeryczne jest oparta na tej samej idei i podstawowej koncepcji, lecz wypowiadana różnymi słowami. Definicje te można sprowadzić do następującego stwierdzenia:

Sterowanie numeryczne może być zdefiniowane jako automatyczne kierowanie pracą obrabiarek skrawających za pomocą specjalnie kodowanych instrukcji, które po przetworzeniu przesyła się do układów sterowania tych maszyn.

Programowanie obrabiarek sterowanych numerycznie polega na zapisie wszystkich wykonywanych ruchów i czynności w postaci symbolicznej (w języku programowania), tak aby można było wykonać przedmiot o żądanym kształcie, wymiarach i jakości powierzchni [8, 11].

W odróżnieniu od procesów konwencjonalnych obróbka CNC umożliwia dodatkowo:

• uzyskanie rysunku i jego ocenę,

• wybór optymalnego sposobu obróbki,

• wybór metody ustawienia przedmiotu i nastawienia obrabiarki,

• wybór narzędzi skrawających,

• ustalenie wartości prędkości skrawania i posuwów,

• kontrolowanie obróbki części.

Należy zaznaczyć, że podejście do technologii obróbki CNC jest identyczne dla wszystkich typów obrabiarek, a różne są sposoby wprowadzania danych do układu sterowania. Rozwój technologii obróbki ubytkowej spowodował gwałtowny wzrost liczby różnych typów obrabiarek CNC. Można tu wymienić następujące grupy obrabiarek i innych maszyn CNC:

• frezarki i centra obróbkowe,

• tokarki i centra tokarskie,

• wiertarki,

• wytaczarko-frezarki i obrabiarki do obróbki złożonych kształtów,

• obrabiarki wielofunkcyjne i hybrydowe,

• obrabiarki elektroerozyjne elektrodowe (EDM) i wycinarki drutowe (WEDM),

• wycinarki i nożyce,

• maszyny do cięcia gazowego,

• maszyny do trasowania,

• maszyny do cięcia strugą wody (WJM) i wiązką lasera (LBM),

• szlifierki,

• maszyny spawalnicze,

• giętarki, zwijarki i wyoblarki.

Podobnie jak inne techniki obróbki materiałów skrawanie metali wymaga umiejętności obsługi obrabiarki, ale też – jako w pewnym sensie sztuka inżynierska – profesjonalnej wiedzy technologicznej. W przypadku obróbki na maszynach NC/CNC odpowiednie przygotowanie powinny posiadać zarówno osoby przygotowujące programy sterujące, jak i realizujące obróbkę. Mimo że funkcje tych osób wyraźnie się różnią, w wielu zakładach powierza się je jednej osobie – technologowi programiście (CNC programmer/operator). Programista CNC jest osobą odpowiedzialną za sukces technologii NC, efektywne wykorzystanie obrabiarek CNC i rozwiązywanie bieżących problemów związanych z realizacją operacji na tych obrabiarkach. W rzeczywistości ma on duży wpływ na wyniki produkcji i jej jakość. Dodatkowo powinien umieć współpracować z inżynierami produkcji, operatorami i menedżerami.

Reasumując, można stwierdzić, że z uwagi na wzrastające zastosowanie obrabiarek NC i CNC w przemyśle istnieje pilna potrzeba kształcenia personelu technicznego i inżynieryjnego w kierunku przygotowywania programów sterujących do obróbki części o wymaganym kształcie i dokładności.

W czwartym wydaniu książki uaktualniono poprzednie i wprowadzono nowe informacje odnośnie do pomiarów i digitalizacji za pomocą sondy pomiarowej (rozdz. 6.1), technik wirtualnej rzeczywistości (VR) i inżynierii odwrotnej (RE) wspomagających programowanie obrabiarek CNC (rozdz. 7) oraz zastosowań techniki współrzędnościowej prowadzącej do zwiększenia inteligencji maszynowej (rozdz. 8). Tak jak w poprzednich wydaniach w rozdz. 10 omówiono nową wersję pakietu CAM EXPRESS v.12 (znanego również jako NX CAM EXPRESS) firmy Siemens PLM Software, zintegrowanego z CNC Sinumerik, a w rozdz. 11 nową wersję pakietu Mastercam v.2019. Nowością jest także przedstawienie w rozdz. 9 zasad programowania obrabiarek wieloosiowych. Z kolei zrezygnowano z opisu pakietów programowania GTJ o małym lub wręcz znikomym znaczeniu praktycznym (rozdz. 8–12 w wydaniu 3).

Niniejszy podręcznik jest przeznaczony dla studentów wydziałów mechanicznych na kierunkach mechanika i budowa maszyn oraz inżynieria produkcji, w takich specjalnościach jak: technologia maszyn, automatyzacja procesów technologicznych i komputerowe wspomaganie wytwarzania i jakości, a także na kierunku mechatronika. Może też być książką pomocniczą do takich przedmiotów jak: programowanie obróbki na obrabiarki NC, systemy CAD/CAM/CIM, automatyzacja procesów wytwórczych, maszyny i oprzyrządowanie technologiczne. Z wieloletnich kontaktów autorów z przemysłem maszynowym wynika, że z książki korzystają także inżynierowie technolodzy. Obecne wydanie przybliża bieżącą ofertę firm obrabiarkowych, narzędziowych, pomiarowych i softwarowych w zakresie maszyn i systemów CNC.

Autorzy serdecznie dziękują firmom Sandvik Coromant, Renishaw, Seco Tools, Hass, DMG Mori Armex Automatyka i dystrybutorowi pakietu Master CAM – firmie Zalco za wsparcie idei autorów i zgodę na wzbogacenie treści książki unikatowymi materiałami firmowymi.

Opole, czerwiec 2019

Rozdział 1 .
CNC – komputerowe sterowanie numeryczne

1.1.
Definicja i cechy układu sterowania CNC

Powstałe w ostatnich latach układy sterowania numerycznego (NC) charakteryzują się mniejszymi wymiarami i szybszym działaniem, są też bardziej przyjazne dla użytkownika. Wzbogacono je o wiele nowych funkcji i zadań, szczególnie dotyczących oprogramowania, aby można było osiągnąć wysoki stopień automatyzacji procesu obróbkowego. Obecnie, jeśli mówi się o sterowaniu numerycznym (NC) obrabiarek, to właściwie synonimem dla niego jest komputerowe/skomputeryzowane sterowanie numeryczne (CNC). Termin „CNC” oznacza sterowanie numeryczne, które zawiera mikroprocesor (komputer) wraz z pamięcią i tzw. program obsługujący do kierowania pracą komputera zewnętrznego. Można więc stwierdzić, że sterowanie CNC łączy funkcje klasycznego sterowania NC, przedstawionego na rys. 1.1, z przetwarzaniem danych realizowanym za pomocą wbudowanego mikroprocesora (rys. 1.2a).

Układy CNC należą do grupy układów swobodnie programowalnych, o różnej konfiguracji i różnych możliwościach stosowanego oprogramowania wewnętrznego. Honczarenko [11] klasyfikuje je w zależności od sposobu przetwarzania informacji w trzech grupach:

• układy CNC Manual, zwane również CNC+ lub konwencjonalne plus, programowane metodą nauczania (teach-in),

• układy adaptacyjne (AC) – realizujące zadania układu automatycznej regulacji optymalnej (ACO) bądź stałowartościowej (ACC),

• układy sterowania otwartego (OEM/OSA – open equipment manufacturing/open system architecture) w wersjach CNC/PLC lub CNC/PLC/HMI; w pierwszej wersji (rys. 1.3) układ jest zestawiony ze sterowników programowanych logicznie PLC (programmable logic controller), a w drugiej użytkownik komunikuje się z układem sterowania CNC przez interfejs HMI (MMI) (human-machine interface; man-machine interface).

Rys. 1.1. Funkcje układu sterowania NC [7]

Rys. 1.2. Podstawowe elementy układu sterowania CNC: a) schemat strukturalny, b) schemat funkcjonalny [18]

Obrabiarka CNC połączona z centralnym komputerem sterującym może być sterowana numerycznie w sposób bezpośredni lub rozproszony (rozdzielony) (DNC – direct, distributed numerical control) (rys. 1.3).

Rys. 1.3. Struktura systemu sterowania DNC; BTR (behind tape reader) – interfejs symulujący czytnik taśmy perforowanej [18]

1.2.
Budowa i funkcje układu CNC

Usytuowanie komputera w układzie sterowania CNC i jego połączenia z układami napędowymi i pomiarowymi obrabiarki pokazano na rys. 1.2. W skład układu CNC wchodzą m.in. monitor graficzny i klawiatura służąca do ręcznego wprowadzania danych (MDI – manual data input), umieszczone w panelu sterowania. Obecnie częściej używa się akronimu MDA (manual data automated), rozumianego jako ręczne wprowadzanie danych i automatyczne wykonywanie instrukcji, czyli tzw. półautomatyczny cykl pracy.

Operacyjny system sterowania, nazywany również oprogramowaniem CNC, umożliwia realizowanie wszystkich wymaganych funkcji, takich jak: interpolacja, sprzężenie zwrotne pozycyjne (położenia), sterowanie prędkością ruchu, edycja programu, wyświetlanie programu na monitorze, symulacja procesu technologicznego, gromadzenie i przetwarzanie danych.

Często układ CNC wymaga dodatkowego programu dla interfejsu służącego do komunikacji z obrabiarką. Program taki jest tworzony przez producentów obrabiarek i integrowany przez sterownik PLC, jak na rys. 1.4, lub komunikację szynową (bus-coupled input/output control). Program obejmuje wszystkie logiczne relacje w stosunku do obrabiarki i przekaźniki dla specjalnych sekwencji funkcji, m.in. zmiany narzędzia lub przedmiotu czy ograniczenia ruchu wzdłuż danej osi sterowanej. W konsekwencji umożliwia szybkie przetwarzanie informacji w czasie sterowania rozkazami we-wy.

Na rys. 1.4 przedstawiono schemat zintegrowanego układu CNC/PLC umożliwiającego zwielokrotnienie liczby zadań (interfejsów danych) w celu szybkiej transmisji danych istotnych dla procesu wytwarzania. Są to m.in. interfejsy do komunikowania się z komputerem nadrzędnym w układzie sterowania DNC (rys. 1.3), maszyną pomiarową (CMM) i systemem TMS (tool management system), ze stanowiskiem do ustawiania narzędzia na wymiar i układem nadzorowania zużycia ostrza.

Rys. 1.4. Schemat układu CNC ze zintegrowanym sterownikiem PLC [15]

Z rys. 1.2a i 1.4 wynika, że jest możliwe wprowadzanie danych za pomocą różnych nośników: taśmy perforowanej lub magnetycznej, dyskietek, przenośnego dysku twardego, a także monitora graficznego, rysunku na ploterze, terminali interaktywnych, sieci komputerowych i DNC.

1.3.
Sposoby wprowadzania danych/programu sterującego do układu CNC

W celu omówienia różnych wariantów pracy na obrabiarkach CNC wytypowano frezarkę CNC Picomax 56 TOP firmy Fehlmann, wyposażoną w oryginalny program obsługi na bazie funkcji TOP (Touch or Program), przystosowaną do wykonywania narzędzi i form oraz prototypów, pokazaną na rys. 1.5a. Obrabiarka jest wyposażona w 3-osiowy układ sterowania Heidenhain TCN 620 z ekranem dotykowym i graficznym wsparciem cykli obróbkowych oraz dwa elektroniczne kółka ręczne do takich operacji jak: frezowanie, wiercenie, wytaczanie i nacinanie gwintów (przez wytaczanie i frezowanie – rys. 1.5b). Dodatkowy stół obrotowy rozszerza sterowanie do czterech osi, jak na rys. 1.5c.

Rys. 1.5. Frezarka PICOMAX 56 TOP przystosowana do obróbki przedmiotów pojedynczych i w małych seriach: a) widok, b) przykłady obróbki, c) doposażenie do sterowania 4-osiowego [42]

Na rys. 1.6 przedstawiono, w zależności od cech geometrycznych przedmiotu i wielkości serii, trzy sposoby wprowadzania danych lub edycji programu obróbki:

• ręczne za pomocą pokręteł lub strzałek kierunkowych osi – przez dotyk (touching functions), z opcją wyświetlania cyfrowego,

• precyzyjne ręczne wprowadzanie danych z jednoczesnym wspomaganiem grafiką komputerową,

• z wykorzystaniem opcji z interaktywnym wspomaganiem programowania cykli obróbkowych.

Rys. 1.6. Trzy możliwe wersje programowania obróbki na frezarce CNC z rys. 1.5 [42]

ROZDZIAŁ 2.
Metody programowania obrabiarek NC/CNC

2.1.
Definicja i klasyfikacja metod programowania

Przez pojęcie programowania NC należy rozumieć wszystkie niezbędne do wytworzenia części dane, które są zapisane na odpowiednim nośniku informacji w kolejności wynikającej z założonego przebiegu procesu wytwórczego (technologicznego). Program odzwierciedla krok po kroku ustaloną kolejność operacji, zabiegów lub przejść w procesie obróbki części.

Programowanie NC jest więc działaniem technicznym nastawionym na tworzenie danych sterujących do obróbki przedmiotu na obrabiarce NC. Zasadniczo zadanie to może być wykonane ręcznie (manualnie) lub za pomocą (czyli ze wspomaganiem) komputera.

Programowanie NC można klasyfikować według następujących kryteriów:

• wspomagania i niewspomagania komputerowego,

• zorientowania na warsztat oraz ukierunkowania na biurowe przygotowanie produkcji,

• zorientowania na proces wytwarzania i proces produkcji,

• zorientowania na urządzenia techniczne (zorientowania maszynowego).

Klasyfikację metod programowania z uwzględnieniem charakteru planowania procesu technologicznego i w zależności od wyposażenia warsztatu produkcyjnego (zorientowania) przedstawiono na rys. 2.1.

Zgodnie z rys. 2.2 klasyfikację metod/systemów programowania można także przeprowadzić po uwzględnieniu:

• lokalizacji (miejsca) programowania – warsztat lub biuro technologiczne,

• typu użytego komputera – PC, CNC lub komputer nadrzędny (mainframe),

• otoczenia programowania – urządzenie lub software,

• urządzenia sprawdzającego błędy – maszyna, monitor graficzny lub drukarka.

Rys. 2.1. Klasyfikacja metod programowania wg dwóch pierwszych kryteriów: a) wg [23] b) wg [27]

Podstawowe opcje programowania stosowane przez użytkownika przedstawiono na rys. 2.3, a charakterystyki każdego z siedmiu wyszczególnionych stopni podano w tab. 2.1.

Ogólnie, można wyróżnić programowanie poza i przy obrabiarce CNC, jak na rys. 2.4.

Rys. 2.2. Klasyfikacja metod i systemów programowania NC [15, 17]

Tabela 2.1. Podstawowe charakterystyki i cechy metod programowania NC [15, 18, 25]

Stopień

Metoda programowania

Cechy

7

System CAD

Dane geometryczne przypisane przedmiotowi są gromadzone w komputerze i używane do tworzenia programu NC. Dane te mogą być dalej przetwarzane w systemie programowania „z prądem”

6

Uniwersalny system programowania

W programowaniu zorientowanym problemowo, niezależnym od maszyny, stosuje się języki programowania lub grafikę komputerową w celu wspomagania tworzenia danych geometrycznych i technologicznych

5

Programowanie zorientowane warsztatowo na komputerze zewnętrznym

Zamiast programowania warsztatowego, zależnego od maszyny, software jest zlokalizowany w pamięci komputera zewnętrznego i może być używany jako uniwersalny, dopóki są dostępne postprocesory do wszystkich obrabiarek

4

Zewnętrzny panel programowania

Urządzenie zależne od maszyny, odpowiednie do stosowania w warsztacie. Wyróżnia się urządzenia ze wspomaganiem graficznym, z klawiaturą z symbolami i funkcjami; może być podłączone do wewnętrznego komputera CNC

3

Sterowanie przez ręczne wprowadzanie danych z możliwością zintegrowanego użycia programowania warsztatowego

Metoda programowania niezależna od maszyny, z graficznym wspomaganiem danych geometrycznych i technologicznych za pomocą oddzielnego lub wewnętrznego komputera CNC. Ten rodzaj programowania i symulacji jest specyficzny dla danej maszyny i przez to bardzo efektywny

2

Programowanie ręczne

Programowanie zależne od maszyny, redagowane bezpośrednio w kodzie układu sterowania numerycznego

1

Programowanie przez nauczanie

Obejmuje ręczne pozycjonowanie maszyny i zapamiętanie pozycji w układzie CNC, jest stosowane głównie w sterowaniu robotów

Rys. 2.3. Rodzaje programowania NC – koncepcja siedmiostopniowa [15, 17]

Rys. 2.4. Podział metod programowania wg Honczarenki [11]

2.2.
Programowanie ręczne i wspomagane komputerowo

Podstawowe cechy programowania ręcznego (manualnego) i wspomaganego komputerowo oraz różnice między nimi pokazano na rys. 2.5. Termin programowanie ręczne oznacza bezpośrednie przygotowanie programów sterujących NC z użyciem kodu dostosowanego do danej obrabiarki, wyposażonej w określony typ układu sterowania. Zgodnie z rys. 2.5a i 2.6 technolog przygotowuje plan obróbki dla konkretnego procesu na podstawie rysunku wykonawczego części i dostępnych informacji na temat posiadanych obrabiarek NC i ich wyposażenia narzędziowego. Zakres pracy na tym etapie obejmuje część technologiczną: wybór baz obróbkowych, struktury procesu (podział na operacje, zabiegi i przejścia), dobór narzędzi, oprzyrządowania, oraz część programową: wybór osi sterowanych, wyznaczenie współrzędnych punktów toru ruchu narzędzia dla poszczególnych operacji, przejść i zabiegów oraz obliczenia geometryczne i trygonometryczne, a także dobór wartości prędkości skrawania i posuwu [17]. Oprócz tekstu programu, który następnie będzie przeniesiony na odpowiedni nośnik informacji, technolog opracowuje kartę instrukcyjną ustawienia obrabiarki.

Rys. 2.5. Porównanie programowania ręcznego (a) i wspomaganego komputerowo (b) [23]

Rys. 2.6. Zasada ręcznego programowania NC [15]

Rys. 2.7. Rozdział czynności w programowaniu wspomaganym komputerowo [7]

Szybkie, proste i niezawodne programowanie każdej obrabiarki NC staje się możliwe dzięki zastosowaniu uniwersalnego systemu programowania działającego na platformach PC. Przydział czynności do komputera wspomagającego proces programowania przedstawia rys. 2.7. W metodzie programowania ze wspomaganiem komputerowym (computer-aided NC programming, CA-NC) wszystkie dokumenty produkcyjne i program NC są tworzone, sprawdzane i gromadzone przez komputer z monitorem graficznym (rys. 2.8). Urządzenia niezbędne w systemie CA-NC mogą być zainstalowane w warsztacie lub w biurze planowania produkcji, co znacznie ułatwia komunikację. Komputer przechowuje nie tylko program, lecz także potrzebne pliki (elektroniczne odpowiedniki dawnych kart z danymi) zawierające informacje o obrabiarkach, narzędziach i zamocowaniach oraz wymagane postprocesory. Po zakończeniu programowania i wykonaniu symulacji wszystkie dokumenty są tworzone jako wyjścia do użycia w warsztacie. Obejmują wydruk programu, plan ustawienia, plan narzędzi i nośnik (medium) zapisu programu.

Należy podkreślić, że wspólną cechą wszystkich systemów CA-NC jest programowanie dokładnych zarysów i kształtów przedmiotu zgodnie z rysunkiem, a nie ruchów narzędzia.

Pomimo dodatkowych kosztów taki system programowania przewyższa zdecydowanie pod względem ekonomicznym programowanie ręczne.

2.3.
Programowanie CNC Manual

W ostatnich latach w ofercie znanych producentów układów sterowania znalazły się układy sterowania CNC wraz z oprogramowaniem o nazwie CNC Manual (CNC plus lub CNC+), które umożliwiają przystosowanie obrabiarek konwencjonalnych do pracy automatycznej, zbliżonej do pracy obrabiarek CNC. Podstawową korzyścią wynikającą z zastosowania software’u/hardware’u typu CNC Manual jest zwiększenie produktywności i elastyczności obrabiarek ze sterowaniem mechanicznym.

Rys. 2.8. Zasada programowania NC wspomaganego komputerowo (CA-NC) [15]

Przykładami rozwiązań programowych i/lub sprzętowych typu CNC Manual dla tokarek są:

• Quick Turn firmy GE Fanuc [45],

• Manual plus 620 firmy Heidenhain (rys. 2.9a) [46],

• Sinumeric 808D firmy Siemens AG [47],

• CNC plus v.5 firmy CamSoft [51].

Charakterystyczne cechy podanych systemów to:

• prowadzenie operacji ręcznych z programowanymi ograniczeniami,

• nadzorowanie przebiegu operacji na monitorach graficznych,

• stosowanie półautomatycznych cykli obróbkowych,

• kompensacja geometrii narzędzi (nawet do 15 narzędzi),

• utrzymanie stałej prędkości na powierzchni przedmiotu,

• tworzenie programów zapisanych w kodzie DIN-ISO i konwersja programów cykli do kodu ISO,

• wyświetlanie jednostek posuwu w cal/min (IPM) i cal/obr (IPR),

• różne wersje językowe.

Rys. 2.9. System Manual plus 620 zawiera monitor i klawiaturę oraz panel sterowania zainstalowany na tokarce CNC (a); wprowadzanie zarysu przedmiotu do monitora graficznego z funkcjami dotyku (b) [46]

Dodatkowo są możliwe:

• dodawanie, modyfikacja, edytowanie, usuwanie i tworzenie własnych kodów G i M,

• zmiana konfiguracji ekranu operatora CNC,

• zaawansowana diagnostyka w trybie real time,

• zarządzanie narzędziami i integracja z biurem zakładu,

• osiągalność plików parametrów za pomocą poczty elektronicznej,

• automatyczne sygnalizowanie konserwacji (przeglądu) obrabiarki,

• edytor wizualizacji procesu logicznego,

• oprogramowanie umożliwiające dopasowanie serwonapędu.

Ze względu na rodzaj i stopień zaawansowania zastosowanego sprzętu/oprogramowania wyróżnia się następujące opcje pracy z systemami CNC plus [7, 44–46, 51].

• Praca w trybie ręcznym

Proste, niepowtarzalne czynności obróbkowe (poprawki, naprawy gwintów) są realizowane za pomocą dostępnych cykli obróbkowych w trybie definiowanie––symulacja. Operator wykonuje obróbkę prostych części za pomocą kółek CNC, a jej przebieg jest na bieżąco wyświetlany na ekranie.

• Praca w trybie uczenia (teach-in)

Jest stosowana w przypadku małych serii przedmiotów. Różni się od poprzedniej tym, że cykle są zapamiętywane i następnie odtwarzane w obróbce kolejnych przedmiotów.

• Praca z programem cykli lub programem zewnętrznym ISO

W przypadku użycia cykli obróbkowych dla toczenia, wiercenia i frezowania w systemie Manual plus następuje ich konwersja na program ISO z zastosowaniem G-kodów. W trakcie edycji programu system wyświetla wszystkie znaczenia użytych funkcji, łącznie z podparciem graficznym. Takie uproszczone programowanie „geometryczne” umożliwia obliczenia współrzędnych części niepodanych na rysunku.

• Obróbka pierwszego przedmiotu w trybie cykl po cyklu (cycle by cycle)

Operator prowadzi krok po kroku obróbkę pierwszego przedmiotu, którego rysunek pojawia się na ekranie, z użyciem zdefiniowanych cykli. Czynności te są na bieżąco symulowane i zapisywane na twardym dysku. Gdy obrabia się kolejne przedmioty w niewielkiej serii, następuje odtwarzanie całego procesu obróbki bez konieczności wprowadzania danych geometrycznych.

• Interaktywne programowanie zarysu przedmiotu

Obróbka przedmiotu o skomplikowanej geometrii jest realizowana z użyciem interaktywnego programowania zarysu (ICP – interactive contour programming), którego elementy są wprowadzane krok po kroku w edytorze graficznym (rys. 2.9b). Po wprowadzeniu osi obrotu dla elementów łukowych wybiera się odpowiednie współrzędne (absolutne lub przyrostowe). Program Manual plus oblicza brakujące współrzędne, środki łuków okręgów itp., jeśli mogą być zdefiniowane matematycznie. Edytor ICP rozpoznaje takie elementy kształtu jak: ścięcia, zaokrąglenia i podcięcia. Zwykle łatwiej najpierw zdefiniować zarys wstępny, a potem nałożyć dodatkowe elementy zarysu. Możliwa jest także modyfikacja lub zmiana istniejących zarysów. W edytorze ICP są dostępne cykle obróbkowe dla toczenia i frezowania kształtowego.

• Wykorzystanie indywidualnego interfejsu operatora

Obróbka przedmiotów o bardziej złożonych kształtach może być zrealizowana z zastosowaniem interfejsu operatora tworzonego na specjalne zamówienie. Interfejs umożliwia definiowanie przycisków, świateł, sterowań analogowych i wyświetlania osi, gdyż komputer PC pełni funkcję sterownika logicznego PLC (układu CNC/PLC). W rozwiązaniu oferowanym przez firmę Cam Soft [51] przy użyciu programu CNC Plus można tworzyć indywidualny układ sterowania obrabiarką CNC z 2 do 8 osiami sterowanymi.

Program CNC Plus o nazwie CNC Lite (rys. 2.10a) obejmuje takie dodatkowe funkcje jak: kompensacja wymiarów narzędzia, przywołania podprogramów (makr), wybór różnych jednostek posuwu dla tokarek, wiercenie z wycofywaniem na tokarce, stała prędkość skrawania, obróbka gwintów zewnętrznych i wewnętrznych, kompensacja luzu dla poszczególnych osi, kompensacja odwzorowania osi śrub pociągowych i zaawansowany program startu programu, tak aby rozpocząć go w dowolnym miejscu.

Rys. 2.10. Przykładowy interfejs tokarki (a) i frezarki (b) dostępny w programie CNC Plus firmy Cam Soft [51]