A HSC technológia részletes bemutatása 4.rész

A négy részes cikksorozatunkban a GF AgieCharmilles Mikron cég által készített a HSC technológiát átfogóan ismertető tanulmányát olvashatják, mely nyomtatott formában júniustól a Műszaki Magazinban is megjelenik. Regisztrált felhasználóinknak a teljes tanulmány PDF formátumban is elérhető a letöltési oldalunkon.

A tengelyhajtásoknál két HSC-hez alkalmazható hajtáskoncepciót különböztetünk meg: közvetlen hajtás a lineáris és forgó tengelyeken, és hagyományos hajtásmegoldást hajtóműelemekkel.

Csak a HSC-technológiánál érvényesülnek teljes mértékben a közvetlen hajtás előnyei. A munkadarabon még nagy pályaelőtolások esetén is kiváló pontossági értékek és felületminőségek érhetők el. Mivel nincsenek mechanikai erőátviteli elemek az erő hatásvonalában, a súrlódásból és a kopásból, valamint a dinamikai merevségből adódó korlátok nem léteznek többé. A maximális gyorsulásokat gyorsjáratban el lehet érni, és ezek tengelyenként vannak definiálva. A tengelyenkénti gyorsulási értékekből egy elméleti térbeli gyorsulás is számítható az összes tengely egyidejű elmozdulása esetén, az alábbiak szerint:

Gyorsulás tengelyenként képlet

A nagy gyorsjárati sebességek és gyorsulások nem csak a megvalósítható mellékidőkre vannak pozitív hatással. Így a marásoknál zárt pálya mentén – pl. állandó húzóforgácsolás egyenirányban – egyértelmű gépifőidő-csökkentés is megvalósítható. Más a helyzet, mint az oda-vissza marásnál, ahol egyenirány és ellenirány, ill. húzó- és tolóforgácsolás az összes szerszámpályán váltakozik, itt nem változnak a bemerülési feltételek.

Ez pozitívan befolyásolja az elérhető érdességi értékeket. A hosszabb üresjárati utakból adódó időhátrány a gyorsjárati nagy gyorsulásoknak köszönhetően korlátok között tartható.

Ezen a helyen példaként tekintsünk egy 5×5 mm méretű geometriaelemet. Ezen a geometriajellemzőn egy Ø1  mm gömbmaró használatával kell egy nagyon jó felületminőséget létrehozni. Oldalsó pályafogásvételként (ellépésként) válasszuk a br = 0,014 mm értéket. Ez azt jelenti, hogy a szerszámot 357-szer kell párhuzamos pályákon a munkadarab mentén vezetni. A „húzóforgácsolás egyenirányban” marási stratégia konzekvens alkalmazásával a szerszámgépnek 356-szor kell gyorsjáratban újrapozicionálni. Az előző fejezetekben bemutatott számítások alapján a HSC-szerszámgép ezen az 5 mm-es gyorsjárati úton 600 m/s³ gyorsulásváltozás esetén 10 m/s² maximális gyorsulást és 10 000 mm/perc maximális gyorsjárati sebességet ér el. Ebben az esetben a gépnek 0,061  s-ra van szüksége a pályánkénti újrapozicionáláshoz (be- és kilépő mozgást a felületi normális irányában nem veszünk figyelembe). Ezeknek az üresjáratoknak az időaránya ebben a példában 23%.

Kézenfekvő, hogy egy ilyen stratégia alkalmazásakor a hajtásmotorokban nagyon sok hő fejlődik. Egymást gyorsan követő nagy áramcsúcsok válnak szükségessé az időben szűkre szabott fékező és gyorsító intervallumok miatt a nagy gyorsulási értékeknél. Ha a szerszámgépnek ennek ellenére hőtanilag stabilan kell viselkedni, akkor szükségessé válik a hajtásegységek átfogó és hatékony hűtése.

Egy átgondolt hűtésmenedzsmenttel az összes lineáris tengely és a forgó-billenő egység is sikeresen temperálható. A külön hűtőkörök gondoskodnak arról, hogy a hő konzekvens módon kerüljön elvezetésre a gépből, és ne azon belül terüljön szét. A helyes hűtésmenedzsmenttel olyan geometriai stabilitás érhető el, ami biztosítja a mozgást végző egységek extrém magas ismétlési pontosságát.

NC vezérlés

Az NC vezérlés fő feladata a géptengelyek koordinált mozgatása, hogy a kívánt relatív mozgás a szerszám és a munkadarab között létrejöjjön. Itt különbséget teszünk a pályagenerálás és a hajtásszabályozás között. A pályagenerálás foglalja össze az összes műveletet az előtolásokat végző tengelyek előírt elmozdulásainak kiszámításához, az NC program interpolációs pontjai alapján. Az NC vezérlés kiszámítja az előírt elmozdulásokat az előtolást végző tengelyek dinamikai határainak és a megadandó pályatűrések figyelembevétele mellett. Az előtolást végző motorok vezérlését a hajtásszabályozásnak kell az előtolást végző tengelyek kiszámított előírt mozgásaihoz hozzáigazítania. Így biztosítja a hajtásszabályozás azt, hogy az előírt mozgás hirtelen irányváltásainál, valamint változó erők esetén se keletkezzenek a munkadarabon említésre méltó kontúreltérések.

Napjaink HSC-megmunkálása extrém követelményeket támaszt az NC vezérléssel szemben. A vezérléstechnológiában elért műszaki haladás miatt a HSC-követelményeket a HSC-re képes NC vezérlések messzemenően tartalmazzák.

Ide tartoznak:

• felgyorsított mondatfeldolgozási idők,
• szabályozókörök gyors letapogatása,
• nagy teljesítményű előretekintés a mondatokban (Look-ahead),
• pályatervezés intelligens stratégiákkal
• és a mechanikai hatások optimális modellezése a szerszámgép viselkedésére vonatkozóan.

Az NC vezérlést tekinthetjük a HSC-megmunkálásnál az egyik legfontosabb technológiai hajtóerőnek.

Előretekintés (Look-ahead)

Az előretekintés (Look-ahead) funkció biztosítja a géptengelyek nagy dinamikájú mozgását

Az előretekintő funkcionalitás a mozgatott géptengelyek tömegtehetetlensége miatt vált szükségessé. Mivel az irányváltást egy végesen merev összekötéssel rendelkező tömegen digitálisan nem lehet feldolgozni, az irányváltást a sebesség, a hajtások gyorsulásának és a gépkonstrukció dinamikai merevségének függvényében optimális módon kell bevezetni. Ez a pályaelőírás által szükségessé váló irányváltás függvényében szükségessé teszi a még bejárandó pályaszakaszok pályasebességének tervezését – vagyis az NC-mondatok előprocesszálását, lásd: mondat-előretekintés (Look-ahead) – az NC vezérlés által.

Pályatervezés

A döntő célkritériumoknál – megmunkálási idő, pontosság és felületminőség – nem csak a HSC-technológia esetében találkozunk célkritérium-konfliktussal. Az egyik célkritérium elkülönített optimálása minden esetben a többi célkritériummal kapcsolatos kompromisszummal jár együtt. A gépgyártó és a vezérlésgyártó közötti szoros együttműködés jelentheti a konfliktus értelmes – a HSC-pályatervezés keretein belüli – megoldását.

A HSC-pályatervezés fő feladata a tengelyelőtolás optimálása a megengedett pályatűrés egyidejű betartása mellett, és a gépstruktúrában a minimális mértékű rezgéskeltés. Amennyiben a szerszámpálya eltér az egyenestől, akkor a programozott pályaelőtolást a gépspecifikus határértékek függvényében adott esetben nem lehet folyamatosan betartani. Az  optimális pályasebesség kiválasztásához a pályatervezés többek között figyelembe veszi a következőket:

• maximálisan lehetséges tengelyelőtolás,
• maximális tengelygyorsulás és
• megengedett tengelylökés (gyorsulás változásának a sebessége).

A sebesség-, a gyorsulás- és lökésprofilok aktív simításával és a HSC-vezérlés által módosított előírt görbékkel (szer számpályákkal) a mechanika kisebb mértékben gerjed, ugyanakkor a pályasebesség és pályahűség nagy lesz. Ez az alapja a stabil folyamatnak és a tökéletes munkadaraboknak.

Mindezek szemléltetéséhez: jellemző módon a géptengelyeket csak akkor lehet gyorsabban mozgatni, ha azok az előre programozott szerszámpályától bizonyos tűréshatárokon belül eltérhetnek. Ez különösen éles élekkel rendelkező munkadaraboknál érthető meg. Egy teljesen pontos él létrehozásához az egyik megmunkálótengelyt (a tömegtehetetlensége miatt) előbb teljesen meg kell állítani, mielőtt a másik tengely felgyorsulhatna (névleges geometria). A megengedett kontúreltérés alapján a vezérlés a második tengely gyorsulását azonban már akkor elindíthatná, mielőtt az első tengely megérkezett volna a sarokélhez. Ekkor a gép a megadott pályatűrés kihasználásával gyorsabban tudna a sarokél mentén elmozdulni. A mozgás elmosódik annak érdekében, hogy a gép dinamikai határainak betartása mellett a pályasebesség szűk rádiuszoknál is optimális legyen. A felhasználó számára a vezérlés azon képessége a döntő, hogy a sebességprofilt úgy tudja optimálni, hogy a megadott kontúrtűréseket a legkülönbözőbb munkadarab-geometriáknál is be lehessen tartani. Ezzel a módszerrel a geometriai pontosságra és felület minőségre vonatkozó előírások általában minden tetszőleges munkadarabkontúrnál már az első legyártott munkadarabnál teljesíthetők.

Interpoláció

Az interpolátor számítja ki a geometriaadatokból az előírt értékeket a tengelyek helyzetéhez és sebességéhez, amikre az azt követő fix ütemidő szerinti szabályozáshoz van szükség. Itt már az NC-program generálása során különféle interpolációk közül lehet választani:

• lineáris interpoláció,
• körinterpoláció,
• Spline-interpoláció.

A piacon elérhető számos CAM-programozórendszer diszkretizálja a NURBS-alapú CAD-felületadatokat. Ezek a CAM-rendszerek a szerszámpályák tervezéséhez egy rácshálós modellezővel rendelkeznek, ami a Spline-alapú felületleírásokat fazettált poligonhálókkal közelíti a megadott tűrésnek megfelelően. Ezután ezen poligonhálók alapján kerül kiszámításra a szerszámpálya. A legtöbb CAM-rendszer ezeket aztán G01-parancsok formájában adja ki. Ezen a területen csak néhány NC vezérlés gyártó tevékeny: a programozott G01-parancsok alapján az előtolásokhoz az előírt pozícióértékeket Spline-alapú interpolációval számítják ki. Kérdéses, hogy a Spline-ok utólagos létrehozásának egyáltalán van-e értelme.

A gyakorlati tesztek azt mutatták, hogy a Spline-interpoláció az NC vezérlésen a G01-parancsok alapján:

• érzékeny a pontfelhő homogenitásában lévő ingadozásokra, ezért geometriai és felületi hibák keletkezhetnek a munkadarabon a Spline-interpolátor által, az NC-adatok lekerekítéséhez használt szabad terek miatt,
• a Spline-interpolált pályák irányfüggőek (eltérő pályagenerálás pl. oda-vissza marásnál),
• nagy pontsűrűséggel rendelkező G01-parancsokat kell választani, hogy a két előző pontban leírt jelenség mértéke ne legyen túl nagy,
• a munkadarabkontúrok, melyeket az NC-programban csak G01-parancsokkal durván képeztek le, a vezérlésben lévő Spline-alapú interpolátorral ismét lekerekíthetők.

Spline-kontúr 4 interpolációs ponttal és Spline-kontúr 5 interpolációs ponttal

A: Spline-interpoláció hatása a munkadarabon B: lineáris interpoláció ugyanazon a munkadarabon

Végkövetkeztetésként marad az a kijózanító megállapítás:

• ugyan a vezérlésen használhatunk ismét Spline-okat (a vezérlés interpolátorában vagy mint Spline-paramétert az NC-programban),
• azonban pluszkockázattal kell számolnunk a létrehozható felületminőséget illetően. Ezért a Heidenhain és a GF AgieCharmilles a magas fokú folyamatbiztonság érdekében – minimális programozási ráfordítás mellett – az alábbiakat javasolja:
• CAD kiinduló geometriák kielégítően részletes approximációja szűk tűrés választásával a CAM rendszerben.
• Szerszámpályák diszkretizálása G01-parancsokkal a CAM rendszerben.
• Interpolációs pontok lehetőleg sűrű eloszlása, mert a lineáris interpoláció nem hoz létre ezek között kiegészítő geometriai kapcsolatot. Mind a maximális húrhosszt, mind a G01-parancsok maximális hosszát a lehető legrövidebbre kell választani. A rövid mondatfeldolgozási időknek köszönhetően ez napjainkban többé már nem jelent problémát az NC vezérlés számára.
• Alkalmas pályatűrés megadása az NC vezérlésben (M32). A gép a vonalparancsok alapján közelített kontúrt a lehető legjobban tudja lekövetni, ha a pályák számítása a CAM-rendszerben finom tűréssel történt meg.

Mondatfeldolgozás és szabályozási stratégia

Már az első pillantásra egyértelműnek tűnik, hogy a HSC-megmunkálásnál a mondatfeldolgozási időnek a lehető legrövidebbnek kell lennie. Végeredményben az NC vezérlésnek valós időben kell nagy pályaelőtolásokat a szerszámpályán lévő nagy pontsűrűséggel együtt feldolgoznia.

Azonban a különféle vezérlések mondatfeldolgozási idejének ésszerű összehasonlításához szükség van a konfrontálódásra a vezérlési és szabályozási koncepció alapvető architektúráival. A HSC-megmunkálásnál két alapvető architektúrával találkozunk:

Szerszámorsó

A HSC-megmunkáláshoz használt modern motororsókra nagy fordulatszámok, vektorszabályozás, modern csapágyanyagok és integrált hűtő- és kenőfolyadékkörök jellemzőek. A nagyfokú futáspontosság és kiegyensúlyozottság ezeknél az orsóknál nagyon nyugodt futást eredményez.

Vektorszabályozás

A szerszámorsó működtetése zárt szabályozókörben történik, és a szögpozíció mindig ismert. Ezzel lehetségessé válik a menetek közvetlen megmunkálása is.

Csapágyanyagok

Általában úgynevezett hibrid csapágyakat alkalmaznak. Az  edzett acélból készült csapágyhéjakon belül forgó hengertestként kerámia gördülőtesteket használnak. A centrifugális erők csökkentésén kívül előnyt jelent a kerámiagolyók alacsony fajlagos sűrűsége a nagyobb merevséggel együtt, és a hibrid csapágyak egyértelműen kisebb kopása.

Hűtőkörök

Minden HSC-szerszámorsónál problémát jelent a nagy fordulatszámok által okozott hőképződés. Konstrukciós intézkedésekkel – mint pl. a rögzített csapágy elhelyezése közel az orsóvéghez – az orsó hőtanilag okozott hosszváltozását messzemenően hátrafelé, és így a megmunkálási feladat szempontjából a nem releváns irányba lehet irányítani. Ennek ellenére a szerszámorsó hatékony hűtése segít a képződő hő többi gépelem – pl. a Z vezeték vagy a szerszámtartó – irányába való terjedését minimálisra csökkenteni.

Kenőanyagkörök

A nagy sebességű orsókban lévő csapágyakat legtöbbször olaj-levegő keverékkel kenik. Egy olaj-levegő keverék kenésű szerszámorsó kialakítása során arra kell ügyelni, hogy az orsó-végen lévő labirinttömítés sem álló helyzetben, sem forgás közben ne eresszen át olajcseppeket. Így a grafitelektródák megmunkálása is lehetségessé válik.

Elektronikai felügyelet

Az egyik legfontosabb közvetett költségtényező a gép rendelkezésre állási mutatója. Akinek sikerül a gép rendelkezésre állását:

• nagyobb termelékenységgel a gépi főidők során és
• a mellékidők áthidalásához folyamatbiztos automatizálással konzekvens módon az ügyfelei érdekében jelentősen növelni, megteremti a lehetőséget a drámai költségcsökkentés bevezetéséhez. Ezen a ponton válik fontossá a „smart machine”. Az intelligens marási folyamat szinonimájaként a „smart machine” fokozott teljesítményt, termelékenységet és folyamatbiztonságot tesz lehetővé, így pozitívan hat a gyártóeszközök üzemeltetési költségeire. A GF AgieCharmilles „smart machine” moduljai ebben az összefüggésben a következő funkciókat kínálják: precizitás, termelés, védelem.

Példaként említsük meg ezen a helyen az alábbi „smart machine” modulokat:

5 tengelyes marási technológia

Az 5 tengellyel rendelkező HSC-marógépek iránti erősen növekvő érdeklődés azzal magyarázható, hogy lehetőség van

• rövid és stabil szerszámok használatára,
• a szerszámél konstans anyagfogási viszonyainak biztosítására,
• összetett geometriák komplett megmunkálására egy felfogásban.

Ezekkel a lehetőségekkel a komplex folyamatláncokat egy gépen lehet egyesíteni. Ez idő- és pénzmegtakarítást jelent. Így a beruházási összeg ugyan magas, azonban nem drága, mert egy beruházás csak akkor drága, ha nem térül meg. Ezért a nagy versenynek kitett iparágakban egyre több vállalkozás vezeti be az 5 tengelyes technológiát.

Hajtáskoncepció

A lineáris tengelyek és a forgó-billenő tengelyek tökéletes együttműködése abszolút döntő tényező. A szimultán 5 tengelyes HSC-megmunkáláshoz a lineráris és Torque-motorok helyes alkalmazásával a teljesítmény szempontjából egy teljesen homogén rendszer valósítható meg.

Tengelyek felépítése

Mind az elérhető felületminőségre, mind a pontosságra és a megmunkálási időre jelentős kihatással van a szerszámgép kinematikája. A HSC-gépeknél két koncepció terjedt el:

• gépek billenőfej-kinematikával (egy-egy forgó tengely a szerszámon és a munkadarabon),
• gépek asztal-asztal kinematikával (két forgó tengely a munkadarabon).

A géptengelyek zavaró kontúrjaival és a maximális munkadarabtömegekkel kapcsolatos általános megfontolásokon kívül figyelembe kell venni a kinematika hatásait a felületminőségre, a pontosságra és a megmunkálási időre vonatkozóan:

• forgó tengelyek pozicionálási pontosságának kihatása az érintkezési pont relatív pozíciópontosságára a szerszám és a munkadarab között a forgásközépponttól mért növekvő távolságban,
• a lineáris tengelyeken szükségessé váló elmozdulások ki-hatása az érintkezési pont relatív pozíciópontosságára a szerszám és a munkadarab között, valamint a szerszám pozicionálása során a mellékidőre.

Fordította: Major Tamás, GALIKA Szerszámgépek Kft.