SVEUČILIŠTE U SPLITU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE STROJARSTVA I BRODOGRADNJE Zavod za strojarsku tehnologiju OSNOVE PROGRAMIRANJA NUMERIČKI UPRAVLJANIH OBRADNIH STROJEVA Autori: Dr. Dražen BAJIĆ Dr. Boženko BILIĆ Nenad PRIZMIĆ SPLIT, 2001

2

CNC PROGRAMIRANJE Područje CNC (Computer Numerical Control) programiranja je danas opće prihvaćeno i u širokoj je upotrebi. To se desilo zbog toga jer većina proizvođača posjeduje znanje o CNC programiranju i koristiti CAD (Computer Aided Design) podatke za tu vrstu programiranja. Programiranje obrade na numerički upravljanom obradnom stroju obuhvaća pripremu i prenošenje potrebnih podataka u oblicima koje može prihvatiti upravljačka jedinica obradnog stroja, te njihovo izvođenje izvršnim elementima stroja(npr. radni stol ,radno vreteno…). Programiranje obuhvaća dvije osnovne skupine podataka:

-- geometrijskih informacija, koje sadrže podatke o koordinatama relativnog gibanja alata i predmeta obrade

- tehnoloških informacija, koje sadrže podatke o parametrima rada (brzina rezanja, posmak, dubina rezanja), alatu i pomoćnim operacijama.

Izradu NC programa možemo podjeliti u sljedeće korake: 1. Određivanje izratka. Počinje se sa izradom nacrta izratka, pojedinim koracima izrade i potrebnim alatima za rezanje i steznim napravama, koje trebaju biti određene. 2. Odabir alata. Alat potreban za svaku operaciju kao i geometrija alata moraju biti uzeti u razmatranje i upisani u program. 3. Određivanje geometrijskih podataka. Ovaj korak sadrži određivanje dimenzija sirovca i poziciju nul-točke izratka, određivanje putanje alata vezano za geometriju izratka. 4. Određivanje tehnoloških podataka. Dubina rezanja, veličina posmaka, broj okretaja glavnog vretena, itd. moraju biti određeni za svaki radni korak. 5. Izrada i ispitivanje kontrolnog programa. Vrlo često uzorak je dimenzioniran tako da direktan opis putanje alata nije moguć, već zahtijeva, u ovisnosti o složenosti puta alata, dodatne proračune. Precizno određivanje svih pokreta potrebno je kako bi se izbjegli sudari između izratka, alata, steznih naprava itd. Skup svih informacija koje određuju pojedine zahvate ili elementarne operacije čine program rada numerički upravljanim strojevima.

U ovisnosti o načinu obrade podataka, odnosno načinu izrade programa razlikuje se ručno i strojno programiranje. Kod ručnog programiranja obavlja se ručni prijenos geometrijskih podataka iz konstrukcijskog crteža u programsku tabelu i koriste se baze podataka navedene u tehnološkim priručnicima, katalozima, uputstvima za uporabu stroja i sl., dok se kod strojnog programiranja koristi računalo s bazama podataka pomoću kojeg se obavlja automatsko generiranje geometrijskih i tehnoloških podataka.

3

KOORDINATNI SUSTAV Međusobni geometrijski položaj alata i predmeta obrade u radnom prostoru stroja određuju dva koordinatna sustava: - koordinatni sustav predmeta obrade koji opisuje geometrijski oblik

konture predmeta obrade - koordinatni sustav koji određuje položaj alata u radnom prostoru stroja.

Kod programiranja oba koordinatna sustava moraju se svesti na zajednički koordinatni sustav da bi geometrijske informacije bile jednoznačne i da se pri opisu operacije obrade ne bi trebalo posebno naznačiti da li se alat približava predmetu obrade ili predmet obrade alatu. Standardom ISO841-1974(DIN 66217) usvojen je desni pravokutni Descartesovog koordinatni sustav (Slika 1.)

Ishodište i orijentacija koordinatnog sustava ovisi o konstrukcijskoj izvedbi stroja (Slika 2.). Kod svih strojeva pravokutni koordinatni sustav postavlja se po pravilu desne ruke u odnosu na predmet obrade, paralelno s pravcima gibanja na stroju. Time se omogućava programiranje operacija obrade na način da se uvijek određuje pomak alata u odnosu na predmet obrade, neovisno o tome da li se na stroju pomiče alat u odnosu na predmet obrade ili obratno. Na nekim obradnim strojevima (npr. CNC obradni centri) u ovisnosti o broju osiju koje mogu biti neovisno kontrolirane jedna o drugoj, moguće izraditi vrlo složene izratke u jednom stezanju.

a) b) c)

Slika 1 a) određivanje međusobnog položaja i smjera osiju po pravilu desne ruke

b) određivanje smjera rotacije oko pojedine osi po pravilu desnog vijka

c) pozitivan smjer osiju kod gibanja alata (+X, +Y i +Z) i pozitivan smjer osiju

kod gibanja predmeta obrade (+X', +Y' i +Z').

4

Slika 2. - Koordinatni sustav i upravljane osi strojeva: a) revolverske tokarilice b) čeone tokarilice; c) karusel tokarilice; d) vertikalne konzolne glodalice; e) horizontalne konzolne glodalice; f) vertikalne glodalice s pomićnim vreteništem; g) dugohodne portalne glodalice; h) dugohodne glodalice s pomićnim portalom; (tip Gantry); i), j), k) horizontalne bušilice glodalice, l) dugohodne konzolne blanjalice; m) horizontalne brusilice za okruglo vanjsko brušenje; n) brusilice za obodno plošno brušenje; o) štance s revolverskom glavom; p) stroja za ljuštenje; q) stroja za plameno rezanje; r) plottera.

5

Z-os koordinatnog sustava je okomita na površinu naslanjanja predmeta obrade (radni stol). Kod strojeva s glavnim pravocrtnim gibanjem, koja ne posjeduju glavno vreteno (blanjalice, dubilice, provlačilice…) pozitivan smjer Z-osi je onaj kojim se povećava razmak između predmeta obrade i alata. Kod strojeva s rotacijskim glavnim gibanjem alata ili predmeta obrade, Z-os paralelna je s osi glavnog vretena, a u pojedininim slučajevima te se osi poklapaju. Ukoliko glavno vreteno ima mogućnost zakreta (npr. strojevi s glavnim vretenom smještenim u kutnoj glavi) Z-os paralelna je okomitom položaju osi glavnog vretena u odnosu na površinu za postavljanje predmeta obrade (npr. radni stol). Ako stroj posjeduje više glavnih vretena, Z-os je paralelna smjeru jednog odabranog vretena i to vretena okomitog na površinu oslanjanja predmeta obrade .

X-os predstavlja glavnu os u kojoj se određuje položaj alata ili predmeta obrade. Gdje god je moguće ona se postavlja u horizontalnu ravninu paralelno s površinom oslanjanja predmeta obrade (npr. radnog stola). Kod strojeva s rotacijskim gibanjem predmeta obrade (tokarilice, brusilice za okruglo brušenje) X-os je paralelna osi gibanja alata i radijalno postavljena u odnosu na predmet obrade. Pozitivan smjer osi X je onaj kojim se povećava razmak između alata i predmeta obrade i ovisi o konstrukcijskoj izvedbi stroja:

- kod strojeva s horizontalnim glavnim vretenom, pozitivan smjer osi X je na desnoj strani pravca čelo glavnog vretena-predmet obrade,

- kod jednostupnih strojeva s vertikalno smještenim glavnim vretenom pozitivan smjer osi X je na desnoj strani pravca stup-glavno vreteno,

- kod dvostupnih strojeva s vertikalnim glavnim vretenom pozitivan smjer osi X je na desnoj strani pravca glavno vreteno-lijevi stup. Kod strojeva s pravocrtnim glavnim gibanjem X-os je paralelna sa pravcem

glavnog gibanja, a pozitivan smjer osi poklapa se sa smjerom rezanja (smjerom radnog hoda).

Y-os koordinatnog sustava odre|uje se po pravilu desne ruke tako da oblikuje pravokutni koordinatni sustav (Slika 1.a).

Ako na stroju postoje osim primarnih translacijskih gibanja u osima X, Y i Z i dopunska sekundarna gibanjia ona se označavaju s U, V i W a tercijalna gibanja s P, Q i R (Slika 1.a). Pri tome su primarna gibanja ona koja su najbliža glavnom vretenu.

Ako u osima koordinatnog sustava umjesto alata gibanje obavlja predmet obrade, pozitivan smjer gibanja suprotan je pozitivnom smjeru osi koordinatnog sustava stroja i označava se dopunskom oznakom "prim" ('), npr. X' na Slici 1.c i Slici 2.f.

Rotacijska gibanja oko osiju X, Y i Z označavaju se oznakama A, B, i C (Slika 1.a). Sekundarna rotacijska gibanja označavaju se s D, E itd. Pozitivan smjer rotacije oko pojedine osi određuje se po pravilu desnog vijka (Slika 1.b). Ako rotacijsko gibanje obavlja predmet obrade oznaka gibanja označava se dopunskom oznakom "prim" ('), kao npr. +C' na Slici 1.c i Slici 2.a.

6

Povezivanje dimenzija predmeta obrade s koordinatnim sustavom stroja može se obaviti apsolutnim ili relativnim koordinatama (Slika 3.). Kod oba načina označavanja dimenzija u koordinatnom sustavu, one se nanose od jedne određene nul točke koja se obilježava na crtežu, a i na predmetu obrade. Ta točka u apsolutnim koordinatama predstavlja uvijek referentnu točku - ishodište koordinatnog sustava, dok kod relativnih koordinata svaka slijedeća točka u lancu mjera predstavlja referentnu točku.

a) b)

Slika 3. - Označavanje točaka u koordinatnom sustavu predmeta obrade: a) apsolutno b) relativno.

7

PROGRAM I STRUKTURA PROGRAMA Obrada predmeta na numerički upravljanom stroju opisuje se programom koji se naziva program numeričkog upravljanja ili NC-program. Za svaki zahvat, program sadrži omeđeni dio informacija koji se naziva blok. Svaki blok sastoji se od naredbi, koje sadrže geometrijske ili tehnološke informacije.

Stroj izvršava naredbe u koracima (step-by-step) po redoslijedu navođenja naredbi do završetka predviđene obrade predmeta, odnosno do kraja programa. Blokovi moraju biti poredani u NC-programu po redoslijedu izvođenja zahvata kako je propisano planom operacija.

BLOK

Broj bloka Uvjet puta

Koordinate Interpolacijski parametar Posmak Brzina

vrtnje Oznaka alata

Dopunske funkcije

N G X,Y,Z U,V,W P,Q,R A,B,C

I,J,K F S T M,D

Tehničko programske informacije

Geometrijske informacije Tehnološke informacije

Prva instrukcija NC-programa je "start programa" koja se označava prefiksom % iza kojeg slijedi broj programa (do 9999) po kojem se obavlja spremanje programa i učitavanje programa. Iza ove instrukcije slijedi niz blokova od kojih svaki započima oznakom broja bloka (block-marker number) s prefiksom N, a završava oznakom za kraj bloka (end-of block code) LF (line feed). Svaki blok može sadržavati različiti broj naredbi. Neke naredbe se samo jednom navode u pogramu i nije potrebno njihovo ponovno navođenje u narednim blokovima, npr. smjer vrtnje glavnog vretena, smjer kružne interpolacije, kompenzacija alata i sl. Neke naredbe automatski se pozivaju kod starta upravljačke jedinice.To su naredbe koje obilježavaju standardno izvođenje programa - cancel default naredbe

Slika 4.- Blok NC-programa predstavlja jednu sekvencu programa koja u sebi sadrži sve neophodno potrebne: geometrijske informacije, kojima se određuje relativna putanja između svakog alata i predmeta obrade; tehnološke informacije, kojima se određuju uvjeti rada za svaki alat; i tehničko-programske informacije, kojima se obilježavaju sekvence programa.

8

Skupine naredbi: Naredbe G (geometric) skup geometrijskih informacija pomoću kojih se određuje:

a) vrst interpolacije (linearna ili kružna) c) ravnina koordinatnog sustava d) korekcija alata e) tip radnog ciklusa f) uvjeti posmičnog gibanja j) način određivanja dimenzija (apsolutni, inkrementalni) k) način određivanja posmaka l) način određivanja brzine vrtnje glavnog vretena m) jedinične mjere za dužinu (metar, inch) Naredbe X, Y i Z za pravocrtno gibanje ,A, B, i C za rotacijsko gibanje kružne interpolacije I, J i K : Pomaci u smjeru osi stroja određuju se naredbama kod kojih prefiks (X,Y i Z) označava os u kojoj se obavlja pomak iza kojeg slijedi numerička vrijednost koja označava veličinu pomaka. Ukoliko se pomaci obavljaju po kružnom luku prefiks naredbe kružne interpolacije numerička vrijednost koja slijedi iza prefiksa (I, J i K ) jednoznačno određuje poziciju centra kružnice.

Osim naredbi koje čine ulaz geometrijskih podataka NC-programa, program mora sadržavati i tehnološke podatke. Naredbe F (feed) i numeričkom vrijednosti koja slijedi označavaju veličinu posmaka u minuti ili po okretaju glavnog vretena. Brzina vrtnje glavnog vretena određuje se naredbom S (speed) iza koje slijedi numerička vrijednost brzine vrtnje. Kod strojeva sa spremnikom alata i automatskom izmjenom alata, promjena alata se provodi naredbom T (tool) iza kojeg slijedi numerički podatak koji određuje alat. Uz ovu naredbu pridodaje se i dopunska naredba D i numeričkom vrijednošću koja služi za korekciju dimenzija alata od dimenzija navedenih u programu na stvarne dimenzije alata. Ostali tehnološki podaci kao što su promjena smjera vrtnje glavnog vretena, njegovo zaustavljanje, uključenje i isključenje uređaja za hlađenje i sl., određuju se naredbama s prefiksom M (miscellinius function). U NC-programu koriste se i druge naredbe suglasno mogućnostima upravljačke naprave i kompleksnosti alatnog stroja. Na primjer dijelove programa koji se više puta pojavljuju u programu moguće je pisati kao potprograme, koji se mogu pozivati iz glavnog programa naredbom L i numeričkom vrijednošću pomoću koje se potprogrami označavaju i pozivaju.

9

Primjer jednog programa za numerički upravljanu tokarilicu prikazan je na slici.

% 00066 N1 G96 F0.4 S180 T1 M4 LF

N2 G0 X70 Z-2 LF

N3 G1 X-1.6 LF

N4 G1 Z0 LF

N5 GO X68 LF

N6 G81 X62 Z-94 I3 K4 LF

N7 G81 X43 Z-44 I3 LF

N8 G0 X80 Z10 LF

N9 G96 F0.1 S200 T2 LF

N10 G0 X0 Z0 LF

N11 G1 Z-2 LF

N12 G87 X38 I8 LF

N13 G87 Z-46 I6 LF

N14 G88 X60 I3 LF

N15 G1 Z-91 LF

N16 G1 X68 Z-95 LF

N17 G0 X80 Z10 M30 LF

10

OSNOVE NUMERIČKI UPRAVLJANOG TOKARENJA Prema konstrukcijskoj izvedbi tokarilice (Slika 5.), određuje se smjer osi

koordinatnog sustava stroja, sve tokarilice se mogu svrstati u dva skupa: skup desnih tokarilica, kod kojih se alat (desni tokarski nož) nalazi ispred osi predmeta obrade i skup lijevih tokarilica kod kojih se alat (lijevi tokarski nož) nalazi iza osi predmeta obrade. Kod oba skupa os Z poklapa se s osi rotacije predmeta obrade, dok je os X okomita na os Z i usmjerena prema alatu. Kako se na tokarilicama obrađuju rotacijski predmeti os Y nema značaja.

- veći promjer - veća vrijednost X. - veća duljina - veća vrijednost Z. Radi lakšeg programiranja vrijednosti osi X koje se odnose na

pozicioniranje neke točke unose se kao promjeri, za razliku od parametra kružne interpolacije I koji se unosi kao normalna vrijednost X osi. Nepoštivanje ovih pravila može dovesti do krupnih pogrešaka pri izradi NC-programa.

a)

b) Slika 5.- Koordinatni sustav osnovnih izvedbi numerički upravljanih tokarilica: a) kada se alat nalazi ispred predmeta obrade, b) kada se alat nalazi iza predmeta obrade.

11

KARAKTERISTIČNE TOČKE NC-TOKARILICE

Nul točka stroja (Machine zero point) M Nul točka stroja predstavlja ishodište koordinatnog sustava stroja i ujedno

predstavlja ishodište apsolutnog koordinatnog sustava prema kojem su svi ostali koordinatni sustavi relativni. Ona je nepromjenjiva i određena od strane proizvođača. Međutim, neovisno o njenom čvrstom položaju, pomoću transformacija koordinata, koordinatni sustav stroja može se dovesti u bilo koji položaj.

Nul točka predmeta obrade (Workpiece zero point) W Nul točka predmeta obrade predstavlja ishodište njegovog koordinatnog

sustava na osnovu kojeg se zasniva izrada programa obrade. Položaj ove točke u prostoru slobodno se odabire kod izrade programa, pri čemu se obilježavanje osi i osnih pravaca mora podudarati s koordinatnim sustavom stroja.

Referentna točka alata (Tool mount reference point) N Referentna točka alata N je točka u kojoj se obavlja postavljanje alata u

držač i, početnu točku za mjerenje alata. Postavljena je na držaču alata a njen položaj određuje proizvođač.

Referentna točka (Reference point) R Referentna točka stroja predstavlja točku u radnom prostoru stroja koja je

određena pomoću graničnih prekidača.Određuje točan položaj alata u radnom prostoru prije početka rada.Prije svakog izvođenja programa potrebno je alat dovesti u referentnu točku.

12

DIMENZIONIRANJE I NUL TOČKA Informacije o predmetu obrade navedene u konstrukcijskom crtežu podacima koji opisuju tolerancije, kvalitetu površine, materijal i sl. u većini slučajeva je nepovoljan za neposrednu primjenu, jer u njemu sadržani podaci nisu navedeni na odgovarajući način. Radi toga se na osnovu konstrukcijskog crteža izrađuje tehnološki crtež, koji sadrži sve podatke o predmetu obrade kao i konstrukcijski crtež, ali su u njemu navedene dimenzije prilagođene potrebama izrade NC-programa.

Dimenzioniranje određenih geometrijskih veličina na tehnološkom crtežu, obavlja se u odnosu na izabrani koordinatni sustav.

Na tehnološkom crtežu (Slika 7.) sve dimenzije su preračunate i označene u odnosu na nul točku koordinatnog sustava predmeta obrade i navedene u apsolutnoj vrijednosti u odnosu na nju ili pak u odnosu na predthodno unesenu vrijednost, kao relativna (inkrementalna) vrijednost između pojedinih točaka .

Pravilan odabir položaja nul točke predmeta obrade W znatno olakšava izradu NC-programa. Smanjenje mogućih pogrešaka pri unošenju geometrijskih dimenzija uz pojednostavljenje programiranja osiguravaju posebne naredbe navedene u slijedećem poglavlju.

U tehnološkom crtežu sve dimenzije se nanose u odnosu na nul točku predmeta obrade W (ishodište koordinatnog sustava predmeta obrade), koja se može postaviti u funkcijsku vezu s nul točkom stroja M.