A CNC gépek felépítése

A CNC gépekben a mozgatást elektromos, és ma már ritkábban, inkább speciális ese-tekben pneumatikus, vagy hidraulikus energiaforrással valósítják meg. Az elektromos mozga-tások esetében a kefés DC motorokat használták először, ezeket követték a léptetőmotorok, majd a szinkron szervomotorok. A fejlődés mozgatórugói a pontos vezérelhetőség, teljesít-mény, ár stb. A trendek abba az irányba mutatnak, hogy a mozgató eszközben minél kevesebb drága réz, és elhasználódó alkatrész legyen, ugyanakkor a számítástechnikai és a

teljesít-ményelektronikai félvezető eszközök paraméterei az utóbbi időben igen sokat javultak, az áruk csökkenése mellett.

Ma a legegyszerűbb CNC gépek egy mikroszámítógépből – pl. egy asztali PC-ből –, teljesítményelektronikai meghajtó áramkörből, és a mechanikai gépből épülnek fel. Ezek a berendezések olcsóak, felhasználásuk a prototípusgyártásban, egyedi megmunkálásoknál, ill.

kis sorozatok esetében jellemző. Pontos és igényes feladatok elvégzésére alkalmasak, de meg-lehetősen lassúak, és a kezelőnek sok kézi műveletet, pl. szerszám és munkadarab cserét ma-gának kell kézzel elvégezni.

A következő gépkategóriában a számítógép a HMI funkciót (Human Machine Interface), a parancsok és a program végrehajtását, és ennek alapján a pályavezérlési művele-teket végzi el, míg a mozgatásokat ténylegesen egy PLC, vagy hasonló eszköz végzi.

Napjainkban a többprocesszoros, ill. több maggal rendelkező processzorokat tartalmazó számítógépek esetében a PLC funkciókat a korábbi számítógép feladatokkal együtt ugyanaz az erős erőforrásokkal rendelkező számítógép hajtja végre. A számítógép a pályavezérlési parancsokat adja ki a tengelyek intelligens hajtásvezérlésének. A hajtásvezérlésben önálló, de nem a PC-k esetében használatos, hanem ún. DSP vagy DSC (Digital Signal Processor, ill.

Digital Signal Controller) dolgozza fel a parancsokat, és biztosítja a megadott pálya minden paraméter szerinti pontos lekövetését. A mai gépek egyidejűleg, egymással szigorú összhang-ban több tucat tengely mozgatására, és néhány pálya egyidejű végigjárására képesek.

Rugalmas automatizálás közvetlen alapjait 1952 körül a MIT (Massachusetts Institute of Technology) laboratóriumban alakították ki. A megmunkálási példa furatok viszonylag nagy pontosságú elhelyezése volt. A megmunkálás előtt kellett a szerszám és a munkadarab pozíci-óját egymáshoz képest helyzetbe hozni a két koordináta tengely mentén. A fúrási helyzetek két koordinátában megadott helyeit, mint geometriai program adatait lyukszalagon (digitáli-san) olvasták be.

Az NC/CNC gépek kialakításánál arra törekedtek, hogy a korábban kézi beállításokat, kapcsolásokat, műveletközi méréseket és szánmozgatásokat, a programokba írják le és ezeket a gép hajtsa végre. A CNC gépek szerkezeti felépítése kezdetben a hagyományos megmunká-ló gépek konstrukciós alapjain fejlődött ki.

A főmozgást biztosító hajtóművek kezdetben csak kis mértékben változtak, az aszink-ron motorok által hajtott hajtóművekbe (elektromágneses) tengelykapcsolókat építettek be, de egyébként a fogaskerekes áttételek megmaradtak.

A villamos hajtások és szabályozások rohamos fejlődése következtében az NC/CNC gépek is átalakításra kerültek. A főhajtásokba nagy teljesítményű állandó mágneses DC moto-rok kerültek szabályozható fordulatszám mellett, azonban nagyon széles fordulatszám tarto-mányban ezek sem voltak jól használhatók. A fejlődésben az aszinkron váltóáramú motorok (AC) frekvenciaszabályozással, majd vektorszabályozással kerültek bevezetésre.

A mellékhajtások területén a léptetőmotoros meghajtások inkább a kisebb teljesítményű gépeken maradtak használatban. A szabályozott, visszacsatolt (szervo) hajtások teljesítménye, nagy gyorsulások mellett is biztosítja az egyre növekvő pontosságot. A motorok forgó moz-gását hajtóművekkel golyós orsókra viszik, amely holtjátéktól mentesített anyával alakítja át lineáris asztalmozgássá (2.5. b. ábra). A hagyományos csúszó vezetékeket az akadozó csú-szás kiküszöbölése miatt gördülő, hidro- vagy aero-statikus vezetékekre cserélték, a gördülő vezetékek vezetőpályáját kemény kopásálló kérgű kivitellel és többnyire az azon gördülő gör-gős papucsokkal alakították ki (2.5. ábra).

2.5. ábra: Visszavezetett görgős papucs, b. Előfeszített golyós-anyapár golyósorsóval

A lineáris motorok megjelenésével a hajtások dinamikai lehetőségei tovább bővültek és az egyenes vonalú mozgást a szabályozottan változtatott mágneses mezők célszerű kapcsolá-sával oldják meg.

A hagyományos gyártástechnológiákhoz képest az NC (CNC) megmunkálások nagyobb beállási, és visszaállási pontosságuk révén egyre erőteljesebben terjedtek el és ez által a ru-galmas automatizálás új lehetőségeit nyitották meg. A pontos asztalmozgatáshoz és beállítás-hoz a gépek szerkezeti felépítésénél a hagyományos csúszó vezetékes megoldások helyett leggyakrabban gördülő elemes vezetékeket használnak.

A mozgatás mellett fontos kérdés a pontos pozícionálás is.

Nyíltláncú rendszerekben ma a léptetőmotorok a hagyományos, néhány fokos léptetés mellett megfelelő elektronikával ún. mikrostep üzemmódban töredékfokokkal is stabilan mozgathatóak.

Zártláncú rendszerekben szükséges a távolság, ill. útmérés, ami lehet analóg, illetve di-gitális (2.6. ábra). Itt jellemző, hogy a mozgató tengelyekre szerelhető szögjeladók a tengely helyzetét akár a teljes kört több millió elemi lépésre való felbontással képesek pontosan kö-vetni. Ezek a szögjeladók inkrementális, és abszolút szöghelyzet információt adó változatban is elérhetőek.

A mérő egységek működési jellemzőinek áttekintése látható a 2.6. ábrán.

2.6. ábra: Az útadó mérő egységek különböző esetei

A gépgyártásban használt NC és CNC gépek kialakítása történetileg a hagyományos forgácsoló gépek szerkezeti kialakításának bázisán fejlődött ki, ugyanakkor számos újdonság is beépítésre került: a szerszámcserék, forgó szerszámos beállítási lehetőségek, munkadarab-csere, gépen belüli mérés stb. (2.7. ábra CNC gépeket és az azokból felépített rendszert szem-lélteti az EXCEL CSEPEL engedélyével).

A forgácsolási eljárások jellegzetessége, hogy főmozgással (ami a forgácsleválasztást biztosítja), és beállító valamint további mellékmozgásokkal hozza a szerszámot és a munka-darabot olyan relatív helyzetbe, hogy egy előre meghatározott elképzelés (technológiai terv) alapján a munkadarab egyes felületei elkészüljenek.

2.7. ábra: A munkadarab előállítása a szerszám mozgásprogramjával, vagy programszerszámmal

A szerszám mozgáspályák megtervezésekor már kell egy elképzelésnek lenni arról, hogy milyen szerszámmal és milyen gépen szeretnénk a feladatot megoldani (2.8. ábra).

2.8. ábra: CNC Gépekből integrált gyártórendszer és egyes rész rendszerei (munkadarab ellátás, csere) [forrás: Excel Csepel]

A szerszámok lehetnek olyanok, amelyek már a mdb. profil bemásolásával (program-szerszámmal) valósítják meg a megmunkálást.

Más esetekben a szerszám élek tengelyenkénti egyszerű vagy bonyolultabb mozgatá-sával (henger, kúp, gömbfelületek stb.), esetleg begördítésével, az ehhez szükséges lefejtő mozgásokkal lehet létrehozni a szükséges geometriájú felületeket (pl. fogazatok).

A legösszetettebb szoborszerű felületeket a „viszonylag egyszerű” geometriájú szer-szám (pl. gömbmaró) mozgáspályájának generálásával (több koordináta irányú elmozgatá-sokkal) képezhetjük le. (Ilyen pl. a több tengelyes 2 ½ D; 3D; 5D-s marás.)