CZ307463B6 - Způsob řízení otáček a posuvu u obráběcích strojů a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká způsobu řízení otáček a posuvu u obráběcích strojů s alespoň dvěma lineárními osami a/nebo alespoň jednou rotační osou, přičemž je použit alespoň jeden rotační nástroj s kruhovou řeznou hranou. V každém bloku dráhy nástroje se určuje aktuální řezný průměr nástroje, na kterém dochází ke kontaktu nástroje a obrobku a stanovují se otáčky nástroje pro dodržení požadované řezné rychlosti, přičemž výsledné otáčky se uvedou v příslušném bloku NC programu pro řízení CNC obráběcího stroje a/nebo se v každém bloku dráhy nástroje určují předepsané otáčky a stanovuje se posuvová rychlost pro dodržení požadovaného posuvu na zub a/nebo posuvu na otáčku. Výsledný posuv se uvede v příslušném bloku NC programu pro řízení CNC obráběcího stroje. Vynález se dále týká zařízení k provádění tohoto způsobu, které obsahuje řídicí systém (6) výrobního stroje, ke kterému je připojen soubor (5) s NC programem, vygenerovaným v postprocesoru (4) spojený se souborem (3) s CL-daty z CAM systému (2), přičemž k jedné části vybrané ze souboru řídicí systém (6) výrobního stroje, soubor (5) s NC programem, postprocesor (4) a CAM systém (2) je připojena alespoň část zařízení (1) pro optimalizaci řízení otáček a posuvové rychlosti.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu řízení otáček a posuvových rychlostí při tvorbě a odbavování NC programů pro ovládání CNC strojů, určených zejména pro obrábění. Úpravou otáček a posuvových rychlostí nástroje je působeno na řídicí a pohonné jednotky stroje tak, aby bylo při obrábění dosaženo konstantního průběhu požadované řezné rychlosti a zároveň, aby bylo dodrženo požadovaného posuvu na zub nástroje. Toto řízení otáček a posuvových rychlostí zaručí jednak dodržení technologických parametrů pro dosažení předpokládaných parametrů jakosti povrchu obráběného dílce a dosažení efektivního a produktivního obráběcího procesu zkrácením výrobního času, oproti současnému stavu.

Dosavadní stav techniky

V technické praxi existuje několik možností řízení posuvových rychlostí a otáček nástroje při obrábění. Průběžné řízení otáček nástroje je dosud realizováno pouze u soustružnických operací pro zachování konstantní řezné rychlosti při soustružení kontury s měnící se souřadnicí od osy rotace obrobku. Při využití této možnosti je poté dosahováno produktivnějšího soustružení, jelikož je úměrně zvyšování otáček rovněž zvyšován posuv nástroje v řezu tak, aby byl zachován posuv na zub - břit, resp. posuv na jednu otáčku. U frézování se dosud žádného způsobu průběžného řízení otáček pro dosažení konstantní řezné rychlosti nepoužívalo. Dosud se nastavovala řezná rychlost a tedy otáčky nástroje jednorázově úměrně kombinaci řezného nástroje, obráběného materiálu a stroje a rovněž se uvažovalo přizpůsobení otáček vzájemně podle tuhosti soustavy stroj-nástroj-obrobek-přípravek. Řízení posuvové rychlosti při frézování je dosud řešeno dvěma principiálními způsoby. Prvním předpokladem je, že je při řízení využíváno funkce řídicího systému stroje, využívající prostorové transformace souřadnic (funkce Tool Center Point) a řídicí systém tak mezi dvěma po sobě následujícími body dráhy nástroje interpoluje dostatečné množství bodů dráhy tak, aby byla splněna podmínka dosažení lineární dráhy mezi dvěma následujícími body dráhy nástroje. V tomto případě řídicí systém provádí transformaci souřadnic z obrobkového souřadného systému do strojního souřadného systému podle typu konfigurace rotačních os obráběcího stroje. Druhým předpokladem je, že funkce Tool Center Point není, nebo nemůže být, při víceosém obrábění využita. Poté řídicí systém neprovádí transformaci souřadnic, jelikož je transformace souřadnic předpřipravena postprocesorem. Zároveň při použití funkce řídicího systému stroje pro prostorovou transformaci souřadnic většinou dochází ke korekci posuvové rychlosti mezi nástrojem a obrobkem tak, aby byla dodržena technologem předepsaná posuvová rychlost v místě referenčního bodu nástroje. Bez použití funkce pro transformaci souřadnic však korekci posuvové rychlosti při víceosém obrábění řídicí systém neprovádí a technologem předepsaná posuvová rychlost není dodržena. Pro tyto případy již existuje řešení způsobu korekce dráhy nástroje víceosého počítačem řízeného obráběcího stroje popsané v patentu CZ 306228, které rovněž řeší i řízení posuvové rychlosti v těchto případech. Určitá řešení způsobů řízení posuvových rychlostí jsou i v řídicích systémech obráběcích strojů, nebo v dostupných softwarových řešeních - CAM systémech a jejich nadstavbách, avšak pouze pro řízení posuvové rychlosti tak, aby nedošlo k přetížení nástroje vlivem nárůstu objemu odebíraného materiálu v daném bodu dráhy nástroje. Žádné současné řešení však nenabízí řízení, natož průběžné řízení, otáček nástroje pro dosažení konstantní řezné rychlosti při frézování s nástroji, které disponují kruhovou řeznou hranou, tedy např. kulové, či toroidní frézy a jejich modifikace, a rovněž neexistuje řešení, které by pro toto řízení otáček a pro tyto nástroje řešilo průběžné řízení posuvové rychlosti pro dosažení konstantní hodnoty posuvu na zub - břit, a tedy dosažení efektivního a produktivního obrábění. V současné době je tedy obrábění s těmito nástroji neproduktivní, jelikož v místě kontaktu nástroje a obrobku podél rádiusové části nástroje není dodržena technologem předepsaná řezná rychlost a tím pádem

- 1 CZ 307463 B6 nedochází ani k efektivnímu řízení posuvové rychlosti a tedy nástroj může být během obrábění buďto přetěžován, nebo častěji naopak nevytížen z hlediska nedodržení posuvu na zub - břit.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny průběžným řízením otáček nástroje tak, aby byla dodržena konstantní řezná rychlost. Zároveň je při změně otáček nástroje řízena i posuvová rychlost tak, aby byla dodržena předepsaná a požadovaná hodnota posuvu na zub. Dodržením předepsané hodnoty posuvu na zub se tak obrábění stává efektivním a produktivním, na rozdíl od současného stavu, kdy tyto parametry řízeny nebyly a posuvová rychlost tak byla zbytečně na nízké hodnotě, čímž docházelo k prodlužování výrobních časů. Aktuální hodnota řezné rychlosti v daném kroku obrábění je vypočítávána z aktuálního poloměru rotace vůči ose vřetena stroje, přičemž aktuální poloměr rotace je určen bodem kontaktu nástroje s obrobkem. Aktuální bod kontaktu nástroje a obrobku se v rámci kruhové řezné části nástroje během obrábění pohybuje a tak se mění zároveň aktuální poloměr rotace, na kterém se nachází vektor řezné rychlosti. Je proto zapotřebí adekvátně řídit otáčky nástroje. Bod dotyku nástroje s obrobkem je vypočítáván z informací o poloze a orientace nástroje vůči obrobku, přičemž je pro výpočet uvažován skutečný profil nástroje. Díky zjištěnému bodu dotyku nástroje s obrobkem je vypočten aktuální poloměr rotace, na kterém se nachází vektor řezné rychlosti - vzdálenost od osy rotace k místu, kde je odřezáván materiál - bod dotyku nástroje a obrobku. Pro zachování konstantní řezné rychlosti v daném místě dráhy nástroje je nutno podle vypočteného poloměru rotace vektoru řezné rychlosti vypočítat potřebné otáčky nástroje, jelikož řezná rychlost je součinem otáček, dvojnásobku poloměru rotace a Ludolfova čísla. Pro určení rychlosti pohybu nástroje se používá zejména programování posuvové rychlosti v jednotkách, definované jako přírůstek dráhy za jednotku času. Technologicky je však zapotřebí dodržet posuv na zub - břit, který je definován jako přírůstek dráhy na jednu otáčku nástroje dělený počtem zubů - břitů nástroje. Posuv na zub břit je určen ze znalosti řezného a obráběného materiálu, geometrie břitu nástroje a axiální a radiální hloubky řezu. Posuvová rychlost se poté vypočte jako součin hodnoty otáček a posuvu na břit a počtu břitů nástroje. Z tohoto výpočtového vztahu vyplývá, že pro zachování technologicky žádaného posuvu na zub je při změně otáček nástroje, podle výše uvedeného principu řízení otáček pro zachování konstantní řezné rychlosti, nutné vypočítat aktuální hodnotu potřebné posuvové rychlosti v daném místě dráhy nástroje. Tímto postupem řízení otáček a posuvové rychlosti jsou pro tvarové nástroje, zejména kulové, toroidní, kuželové s kulovým koncem řezné části, či ostatní speciální nástroje s rádiusem, zachovány základní technologické podmínky a to řezná rychlost a posuv na zub.

Díky dodržení těchto uvedených technologických podmínek je zaručeno dosahování předpokládané trvanlivosti břitu nástroje při obrábění, předpokládané jakosti obráběného povrchu a samozřejmě je velkou měrou uspořen výrobní čas oproti původnímu stavu, kdy tyto technologické parametry nejsou průběžně řízeny. U kulových nástrojů může při aplikaci tohoto výpočtu řezných podmínek v místě, kde protíná osa nástroje kulovou plochu, docházet k nadměrnému nárůstu hodnoty otáček nástroje z důvodu nulového poloměru rotace vektoru řezné rychlosti. Proto musí být postup výpočtu vzhledem k těmto možným situacím, které mohou v oblasti blízké místu průniku osy rotace nástroje s kulovou plochou nastat, specificky upraven tak, aby nedocházelo ke generování takových hodnot otáček, které by překračovaly limitní hodnoty disponibilních otáček vřetena daného stroje. Proto je postup výpočtů upraven tak, aby bylo zároveň kontrolováno dosahování limitních hodnot otáček vřetena a v případě, že by mělo být v průběžném řízení otáček těchto hodnot překročeno, tak jsou generovány takové hodnoty otáček, aby docházelo k plynulému nárůstu otáček jen do limitní hodnoty otáček vřetena stroje nebo nástrojové sestavy.

Tento postup průběžného řízení technologických parametrů je možné aplikovat u jakýchkoli typů frézovacích operací, kde jsou využity kulové, kuželové, toroidní, či další speciální nástroje s rádiusem, tedy např. u tříosých operací, víceosých souvisle řízených operací, či víceosých

-2CZ 307463 B6 operací, kde dochází jen k napolohování rotačních os, apod. Principiálně je možné zakomponovat tento postup průběžného řízení technologických parametrů buďto přímo do funkce v CAM systému, nebo do funkce v postprocesoru, nebo lze tento postup implementovat přímo do řídicího systému stroje, případně využitím kombinace výše uvedeného. Technické řešení zahrnuje rovněž i možnost výpočtu aktuálního poloměru rotace s uvažování přídavku na obráběné ploše, přičemž je tedy uvažována oblast styku nástroje a materiálu a vzhledem k těmto zjištěným podmínkám jsou řízeny otáčky tak, aby byla dodržena žádaná řezná rychlost, a následně dochází k řízení posuvové rychlosti tak, aby opět došlo k dodržení posuvu na zub.

Vzhledem ktomu, že během obráběcích operací se na povrchu obrobku nachází ještě zbývající materiál po předchozí obráběcí operaci - přídavek, tak výše uvedený postup je uplatněn rovněž při výpočtu aktuálního poloměru rotace nejen pro bodový styk nástroje s obrobkem, ale i v případě křivkového styku. Křivkový styk v tomto případě vzniká průnikem břitu nástroje a materiálem obrobku v hloubce dané zbývajícím materiálem po předchozí obráběcí operaci. Výpočet aktuálního poloměru rotace proběhne na základě znalosti této křivky a následného dalšího pohybu nástroje. Technologické parametry, tj. otáčky a posuvová rychlost, se tedy vypočítají, stejně jak je uvedeno výše v textu.

Objasnění výkresů

Vynález bude podrobněji popsán na příkladném provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na Obr. 1 je znázorněn obráběný materiál a tři varianty využití nástrojů. Na Obr. 2 až Obr. 9 jsou znázorněna bloková schémata znázorněny možnosti provedení technického řešení.

Příklad uskutečnění vynálezu

Princip vynálezu je blíže naznačen na Obr 1. Černou čarou a šrafováním je naznačen obráběný materiál 13, přičemž jsou zde naznačeny tři z možných variant využití nástrojů. Jedná se o kulové frézy 11, přičemž levá fréza 11 je naznačena v obecné nakloněné poloze vůči materiálu 13 a toroidní frézu 12. Aktuální kontaktní bod 14 nástroje s obráběným materiálem 13. Aktuální poloměr rotace pro výpočet otáček je označen kótou číslo 10. Dále je znázorněna tečna 15 k povrchu obráběného materiálu 13 v místě kontaktu s nástrojem a normálový vektor 16 naznačený v tomto bodě. Dále jsou označeny rádius 17 kulových fréz 11, průměr 19 toroidní frézy 12 a rohový rádius 18, tj. poloměr zaoblení špičky břitu, toroidní frézy 12. Díky znalosti aktuálního poloměru rotace 10 je možné vypočítávat aktuální potřebné otáčky pro dodržení řezné rychlosti a posuvové rychlosti pro dodržení posuvu na zub.

Na Obr. 2 až 6 jsou uvedeny základní možnosti provedení vynálezu, neboli zařazení výše uvedených optimalizačních funkcí pro řízení otáček a posuvové rychlosti do procesu zpracování dat pro řízení výrobního stroje. Na uvedených obrázcích jsou uvedeny následující součásti: zařízení 1 pro optimalizaci řízení otáček a posuvové rychlosti, CAM systém 2, soubor 3 s CLdaty, tj. daty z CAM systému, postprocesor 4, soubor 5 sNC programem, řídicí systém 6 výrobního stroje a zařízení 7 s podpůrným optimalizačním softwarem. Na Obr. 1 je zachyceno řešení, kdy předmětné funkce pro řízení otáček a posuvové rychlosti jsou začleněny do CAM systému 2. Na obr. 3 je zachyceno řešení, kde předmětné funkce pro řízení otáček a posuvové rychlosti jsou začleněny do postprocesoru 4. Na obr. 4 je zachyceno řešení, kdy předmětné funkce pro řízení otáček a posuvové rychlosti jsou začleněny do řídicího systému 6. Na Obr. 5 je zachyceno řešení, kde předmětné funkce pro řízení otáček a posuvové rychlosti jsou začleněny do zařízení 7 s podpůrným optimalizačním softwarem, který spolupracuje s postprocesorem 4. Na Obr. 6 je zachyceno řešení, kde předmětné funkce pro řízení otáček a posuvové rychlosti jsou začleněny do samostatného zařízení 7 s podpůrným optimalizačním softwarem, který upravuje soubor 5 s NC programem. Samozřejmě je možné technické řešení realizovat i tak, že předmětné funkce pro řízení otáček a posuvové rychlosti budou rozděleny mezi dílčí části procesu, např. do

-3 CZ 307463 B6 čísla CAM systému 2, postprocesoru 4, řídicího systému 6 nebo zařízení 7. Další možná řešení jsou zobrazena na Obr. 8 a Obr. 9. V blokovém schéma je znázorněn i soubor s CL-daty 3, což jsou data vytvořená v CAM systému.

Příkladem řešení je implementace zařízení 1 pro optimalizaci řízení otáček a posuvové rychlosti do postprocesoru 4 pro stroj MCFV 5050 LN s řídícím systémem 6 Sinumerik 840D. V tomto postprocesoru 4 bylo implementováno řešení, kdy v generovaných NC programech 5 je generováno řízení otáček a posuvové rychlosti při použití kulových fréz 11 a toroidních fréz 12 tak, aby docházelo k dodržení konstantní řezné rychlosti a posuvu na zub, tedy předepsaných technologických podmínek mezi nástrojem a obrobkem 13. Tím dochází ke zproduktivnění výroby např. u tzv. řádkovacích operací, které se na stroji realizují, což bude demonstrovat následující příklad.

U obrobku 13 o průměru 63 mm byla pro řádkovací operaci zvolena kulová fréza 11 o průměru 10 mm - rádius 5 mm se čtyřmi zuby - břity. Materiálem obrobku 13 byla slitina hliníku EN AW 7075. Obráběn byl plášť válcové plochy o výseči 180° o šířce 15 mm. Hloubka řezu byla stanovena na 0,5 mm, posuv na zub byl ve výši 0,04 mm a scallop, výška výstupků po řádkování, byla zadána na hodnotě 0,002 mm. Na uvedeném stroji je pro technologii obrábění hliníkových slitin limitující vřeteno, které má maximální otáčky 15 000 ot/min, proto byly pro základní test, který demonstruje standardní řízení technologických parametrů konstantními otáčkami nedodržení předepsané řezné rychlosti, zvoleny otáčky 6500 ot/min a posuvová rychlost byla 1040mm/min a poté byl naměřený čas obrábění 373 s. Při aplikaci řízení otáček a posuvové rychlosti v postprocesoru 4, kdy v průběhu dráhy docházelo k řízení otáček mezi hodnotami 6500 ot/min až 13 000 ot/min a posuvová rychlost byla řízena mezi hodnotami 1040 mm/min až 2080 mm/min byl čas obrábění 266 s. Je evidentní, že aplikací funkcí pro řízení otáček a posuvové rychlosti došlo k časové úspoře o 40 %. Testem obrábění byly časové úspory potvrzeny ve vztahu k požadované jakosti povrchu.

Průmyslová využitelnost

Tento způsob řízení otáček a posuvu je využitelný na všech typech obráběcích strojů, které mají alespoň dvě lineární osy a/nebo minimálně jednu rotační osu. Řezným nástrojem musí být buď rotační nástroj - fréza s čelními půlkruhovými břity - fréza s kulovým koncem řezné části, fréza se zaoblením špičky - toroidní fréza, kuželová fréza s kruhovou řeznou hranou, fréza s vyměnitelnými břitovými destičkami kruhového nebo toroidního tvaru, případně gravírovací nástroj, atd., tedy libovolný rotační nástroj s kruhovou řeznou hranou. Při aplikaci uvedeného řízení otáček a posuvu lze zajistit dodržení předepsaných řezných podmínek - řezná rychlost a posuv na zub. Dodržení těchto podmínek, doporučených pro danou kombinaci řezného nástroje a obrobku, je důležité pro optimální průběh obráběcí operace, správnou funkci řezného nástroje a výslednou jakost obrobeného povrchu. Zmiňovaným řízením je možné současně docílit vyšší produktivity a hospodárnosti procesu. Řízení je využitelné pro jakýkoliv případ obrábění s výše uvedenými stroji a nástroji, při kterém dochází ke změně polohy kontaktního bodu nástroje, třísky a obrobku na břitu. Využití principu je vhodné zejména pro zapracování do postprocesorů pro generování NC programů pro řízení CNC obráběcích strojů, nebo může být princip využit v daném kroku přípravy NC programu.

Claims (5)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob řízení otáček a posuvu u obráběcích strojů s alespoň dvěma lineárními osami a/nebo alespoň jednou rotační osou, přičemž je použit alespoň jeden rotační nástroj s kruhovou řeznou hranou, vyznačující se tím, že v každém bloku dráhy nástroje se určuje aktuální řezný průměr nástroje, na kterém dochází ke kontaktu nástroje a obrobku a stanovují se otáčky nástroje pro dodržení požadované řezné rychlosti, přičemž výsledné otáčky se uvedou v příslušném bloku NC programu pro řízení CNC obráběcího stroje a/nebo se v každém bloku dráhy nástroje určují předepsané otáčky a stanovuje se posuvová rychlost pro dodržení požadovaného posuvu na zub a/nebo posuvu na otáčku, přičemž výsledný posuv se uvede v příslušném bloku NC programu pro řízení CNC obráběcího stroje.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se respektuje přídavek po předchozí operaci a k tomuto vypočtenému průměru se stanoví potřebné otáčky pro dodržení konstantní řezné rychlosti a stanoví se potřebná posuvová rychlost pro dodržení posuvu na zub.

3. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsahuje řídicí systém (6) výrobního stroje, ke kterému je připojen soubor (5) s NC programem, vygenerovaným v postprocesoru (4) spojený se souborem (3) s CL-daty z CAM systému (2), přičemž k jedné části vybrané ze souboru řídicí systém (6) výrobního stroje, soubor (5) s NC programem, postprocesor (4) a CAM systém (2) je připojena alespoň část zařízení (1) pro optimalizaci řízení otáček a posuvové rychlosti.

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že k jedné části vybrané mezi souborem (5) s NC programem a postprocesorem (4) je připojeno zařízení (7) s podpůrným optimalizačním softwarem.

5. Zařízení podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že jedna část zařízení (lb) pro optimalizaci řízení otáček a posuvové rychlosti je připojena k řídicímu systému (6) výrobního stroje a druhá část zařízení (la) je připojena k jedné části vybrané ze souboru CAM systém (2), postprocesor (4) a zařízení (7) s podpůrným optimalizačním softwarem.