Celul flexibil de fabricaie

Sisteme Avansate de Fabricaie II

Studeni: Nicolescu ConstantinErimia Dragos - GerogeScopul proiectului este simularea unei celule flexibile de fabricaie pentru realizarea unei piese cu suprafee plan paralele, asupra creia se execute operaiile: frezare, gurire, filetare.

Celula de fabricaie este alcatuit din:1. Un centru de prelucrare cu comand numeric, pe trei axe, pentru realizarea diferitelor operaii;2. Un brat robotic, pentru amplasarea / preluarea piesei pe masa de lucru. 1. Centrul de prelucrare cu comand numericCNC este abreviaia de la ,,Computer Numerically Controlled(Control numeric cuComputer). Denumirea CNC se refer ntotdeuna la modul unic de operare al unei maini,adic, la metoda de baza pentru controlul micrilor, i nu spune nimic despre tipulmainii: freza, strung sau altceva. O maina CNC face de matematic si diverse sistemede coordonate pentru a ntelege si procesa informatia pe care o primeste, pentru a determinace trebuie sa miste, unde si ct de repede.Cea mai importanta functie a oricarei masini CNC este controlul precis si riguros almicrii. Toate echipamentele CNC au doua sau mai multe directii de miscare, numite axe.Aceste axe pot fi micate precis si pozitionate precis, de-a lungul intervalului de deplasare.Cele mai cunoscute tipuri de axe sunt cele liniare si de rotatie(miscare curbilinie). n loc de aproduce aceste miscari prin utilizarea de manivele si discuri, asa cum necesita masinileclasice de prelucrare prin aschiere, masinile CNC sunt actionate de servomotoare controlateprin computer si ghidate de un program memorat. n general, tipul de miscare(rapid, liniar,circular), axele care se misca, distantele de miscare si vitezele de miscare(de prelucrare)sunt programabile la majoritatea masinilor CNC. n figura 1. se arata diferentele dintre omasina-unealta conventionala si una controlata CNC.

Fig.1. Diferenta ntre o masina clasica, actionata manual(a) si o masina controlatanumeric(b).Marea majoritate a masinilor CNC sunt capabile sa se miste n trei directii simultan.Aceste directii sunt numite axele masinii. Axele au numele coordomatelor X, Y, Z. AxaXeste ntotdeauna aceea pe care masina, sau o parte a masinii, se deplaseaza(acopera) ceamai mare lungime. De exemplu, axa X poate reprezinta miscarea fata-spate, iar axa Y,miscarea stnga-dreapta. Axa Z reprezinta miscarea verticala, sus-jos. Unealta de prelucrareeste montata, de obicei, pe axa Z.

Structura unei masini cu comenzi numericO masina CNC trebuie sa fie capabila sa comunice cu ea nsasi, pentru a putea opera. Ounitate centrala cu computer, petru control numeric, trimite comenzi de pozitionare catremotoare. Traductoare speciale, fixate pe axele masinii, trebuie sa comunice napoi, catreunitatea centrala, faptul ca motoarele au actionat corect si au miscat axele cu comandacomandata. Abilitatea unei masini de a misca un punct central(scula de prelucrare) n treidirectii, n acelas timp, permite acesteia sa urmareasca orice traiectorie sau suprafata dinspatiul de lucru. Toate miscarile sunt mult mai rapide si mult mai precise dect cele care potfi realizate de un operator uman.Un robot industrial este o forma de masina cu control numeric, prin aceea ca miscarilerobotului sunt comandate cu acelasi tip de controller cu care sunt echipate si masinile-unelte.Diferenta rezida n limbajul de programare utilizat. Un robot consta, n esenta dintr-un bratmecanic articulat, care are la capat un dispozitiv mecanic numit end-efector, cu ajutorulcaruia robotul poate apuca diverse obiecte sau sau poate mnui un aparat de sudura, ndiverse puncte de pe caroseria unui automobil, sau un aparat de vopsit pe care l deplasezade-a lungul unei traiectorii complexe, n vederea unei vopsiri uniforme.Se poate spune si invers, ca o masina-unealta este un fel de robot. Oricum, ambele au ncomun faptul ca functionarea lor depinde de un program numeric care se poate modificafoarte usor, astfel nct, n numai cteva secunde, masina-unealta sau robotul pot sandeplineasca alte sarcini.

Avantaje si dezavantajePrimul benificiu oferit de toate tipurile de masini CNC este mbunatatirea automatizarii.Intervetia operatorului n producerea pieselor poate fi redusa sau eliminata. Multe masiniCNC pot functiona nesupravegheate pe parcursul ntregului ciclu de prelucrare. Acest aspectofera utilizatorului mai multe beneficii, cum ar fi: reducerea gradului de oboseala, reducereagreselilor provocate din eroare umana, un timp de ciclu constant, deci o productie previzibila.Deoarece masina ruleaza un program de control, nivelul de cunostinte necesar majoritatiioperatorilor CNC(privind tehnologia de prelucrare a metalelor) este, de asemenea, redus ncomparatie cu cea a unui prelucrator prin aschiere(strungar), care lucreaza pe masini clasice.Al doilea avantaj al tehnologiei CNC este rapiditatea si precizia obtiuta pentru piese finite.Odata ce un program este verificat si corectat, cu aceeasi precizie si rapiditate se pot faceuna, zece sau o mie de piese de aceeasi calitate si acelas timp de prelucrare pentru fiecarepiesa.Al treilea beneficiu este flexibilitatea. Deoarece masinile executa programe, schimbareaprelucrarii este usoara ca si ncarcarea unui program. Odata ce un program a fost realizat siprima piesa a fost executata corect, acesta poate fi salvat n memorie, pe dischete sau pebanda magnetica si ncarcate oricnd mai este nevoie de el. Acest lucru implica un altbeneficiu: schimbari rapide n productie. Deoarece punerea n functiune a unei masini CNCeste usoara si rapeda, productia cu astfel de masini este pretabila la diminuarea stocurilor sionoraea comenzilor imediat ce sunt primite.Se prezinta in continuare, mai detaliat, principalele avantaje si dezavantaje ale masinilorCNC n comparatie cu masinile-unelte clasice.

Avantajea) FlexibilitateaO masina CNC poate fi folosita pentru producerea unei piese conform programului ncarcatn memorie. Pentru producerea unei cu totul alte piese este nevoie doar de o operatie simplade rencarcare n memorie a noului program.b) Masinile CNC pot face ceea ce o masina-unelta nu poateO masina CNC poate face conturarea n spatiu 3D(n trei dimensiuni), lucru imposibil cu omasina-unelta clasica. Acest lucru permite inginerilor sa proiecteze piese cu geometrii careerau prohibitive nainte, datorita costurilor foarte mari de fabricatie.c) RepetabilitateaO masina CNC va face 10, 100, 1.000, sau mai multe piese exact la fel, fara abateri (cuexceptia uzurii masinii si a sculei). Un strungar nu poate executa doua piese exact la fel.Probabil 10% din piese vor trebui sa fie reajustate sau vor fi rebutate. Repetabilitatea atinsade masinile cu comenzi numerice nu se poate compara cu cea a unui operator uman.d) Reduce si elimina costurile aferente unei productii de stocFabricantul unui automobil trebuie sa asigure clientilor sai piese de rezerva pentru operioada de mai multi ani de zile, chiar daca marca respectiva de automobil nu se maifabrica. n trecut se realizau mai multe piese si se depozitau n stocuri de rezerva. Acest lucrueste neeconomic deoarece ocupa spatiu, blocheaza bani si materiale. n prezent, cu masinaCNC, se poate realiza o piesa de rezerva imediat ce s-a primit comanda de la client. Sencarca n masina programul, se realizeaza una sau mai multe piese si se livreaza n aceeasizi.e) Reducerea costurilor pentru scule speciale si a timpilor de pregatire a masiniiUneltele si dispozitivele cu care se fixeaza piesele pe masinile-unelte clasice sunt destulde complexe si fabricarea lor (pentru o piesa noua) poate necesita un timp de lucru nsemnat.De asemenea, sunt dificil de modificat. Aceasta nseamna multi bani si mult timp pentru ancepe productia.Masinile CNC nu necesita foarte putin(sau deloc) timp pentru fixarea pieselor. De obicei sefolosesc dispozitive simple de prindere, de tip cleste ssau menghina. Din punct de vedere alsculei, nu este nevoie de fabricarea unor scule speciale, deoarece masina poate folosieficient cteva tipuri de unelte pentru mai multe operatii. Capacitatea de miscare a masinilorCNC permite acestora sa parcurga cu precizie traiectorii de tip contur, nemaifiind nevoie deunelte speciale pentru pozitionare si ghidarea sculei taietoare. O schimbare de ultima ora aproiectarii piesei nu necesita dect modificarea ctorva linii de program. Acesta nseamna,pentru ingineri, posibilitatea de a mbunatati permenent calitatea produselor prin ajustarinecostisitoare n proiectarea pieselor.f) Reducerea timpului de calificare pentru operatoriOperatorii de pe masinile CNC nu controleaza operatiile. Ei doar ncarca si descarca piesele din masina, ntretin si schimba sculele de lucru, apasa pe butoanele de pornire, oprire si, poate, pe butonul de Oprire de Urgenta daca scula este foarte uzata sau s-a rupt n timpul ciclului. Aceste activitati nu necesita mult timp de calificare. Daca operatorul este motivat si inteligent, instruirea dureaza doar cteva saptamni. Salariile operatorilor de masinii CNC sunt mai mici dect salariile cerute de muncitorii calificati n prelucrari prin aschiere, ce lucreaza pe masini-unelte clasice.g) Reducerea necesarului de forta de muncaO masina CNC poate elimina mai multi pasi de procesare (treceri de la un procestehnologic la altul). Acolo unde, de exemplu, o bucata de tabla trebuie sa fie mutata de la unpost la altul, utiliznd o masina CNC, se pot realiza mai multe faze tehnologice la acelasipost de lucru; prin acestea se elimina timpul de demontare, transport si fixare a piesei deprelucrat ntre doua posturi de lucru. Cu alte cuvinte, un singur operator pe o masina CNCpoate face munca mai multor oamini.Pentru a lucra corect, masinile CNC au nevoie de operatori calificati. Dar de ndata ceinformatia completa pentru lucru este nregistrata an fisiere, n format electronic, tehnica deprelucrareceste nglobata n masina si nu mai depinde de factori umani. Instruirea noilorangajati are legatura mai mult cu modul de operare al masinii CNC si cu asteptarilecompaniei privind calitatea produselor finite. Nu toti operatorii trebuie sa cunoasca, n detaliu,tehnologiile de baza ale prelucrarilor metalice prin aschiere.h) Cresterea calitatii produselorNici un om nu poate egala o masina CNC n ceea ce priveste precizia miscarilor. Acestemasini lucreaza cu unitati de masura foarte mici. O masina poate face o gaura la capatul uneimese de lucru, dupa care se poate muta la celalalt capat al mesei si se ntoarce la aceasigaura pentru continuarea prelucrarii cu o eroare de pozitionare mai mica de 10 micrometri. ncuvinte simple, precizia unei masini CNC este comparabila cu a zecea parte din grosimeaunui fir de par.i) Cresterea productivitatiiO masina CNC poate fi programata sa lucreze piese din lemn, cu scule speciale lemnului.Un operator uman nu se poate adapta usor la schimbari rapide de regimuri de lucru (ca deexemplu, trecerea de la un tip la altul) n mod repetat, pentru perioade lungi de timp. MasinileCNC pot lucra doua sau trei schimburi pe zi, fara oprire. Singurii factori care limiteazaproductia cu masini CNC sunt: alimentarea cu material si uzura sculei.De obicei, masinile CNC erau asociate cu productia de serie mare deoarece programareamasinii, mai ales pentru piese complexe, necesita un timp mai ndelungat. n prezent,dezvoltarea tehnologiilor de constructie a computerelor si cea a programelor software permitprogramarea mai usoara a masinilor CNC. n fapt, abilitatea unei masini CNC de a acceptainformatii matematice precise, furnizate de un software specializat, pentru a crea un nouprodus, reduce costurile de exploatare prin reducerea erorilor de programare.j) Cresterea sigurantei n explotareO masina CNC nu necesita pozitionarea manuala a sculei si, deci, nu necesita prezentaoperatorului lnga zona de prelucrat. Principala preocupare a operatorului este de amonitoriza activitatea masinii si de a realiza corectii. Majoritatea masinilor sunt prevazute cuun buton de Oprire de Urgenta pentru oprirea completa a masinii n cazul unei erori defunctionare.Dezavantajea) Investitii mariPretul unei masini CNC de dimensiunii mici este de 30-50 de mii de dolari si ajunge la500.000 USD pentru o masina CNC complexa, de dimensiuni mari. Acest lucru nseamna camasina cumparata trebuie sa lucreze ct mai mult timp, uneori n doua sau trei schimburi,pentru a merita banii investiti. Multe firme mici nu si permit un asemenea cost, ndeosebi ntimpuri cnd dobnzile bancare sunt mari.b) Masinile CNC trebuie programateProgamatorii sunt personal cu calificare nalta, iar cei foarte buni sunt greu de gasit. Ei vorpretinde ntotdeauna salarii mari. Problema costurilor cu programarea masinii poate fi partialrezolvata prin utilizarea de software CAM (Computer Assisted Manufacturing), dar si acestesoftware-uri sunt destul de scumpe.c) Costuri maru de ntretinereMasinile CNC pot fi foarte complexe. Ele trebuie mentinute n foarte buna stare fizica pentrua putea beneficia de avantajele controlului numeric. Desi controller-ul este un dispozitivelectronic si are fiabilitate mare, ocazional se poate defecta. n acest caz reparatia trebuie safie realizata ct mai repede deoarece, s-a vazut de ce, masina CNC trebuie sa lucreze ctmai mult. Pentru reparatia masinilor CNC este nevoie de specialisti att an domeniulmecanic, ct si n domeniul electronic. Acesti specialisti vor pretinde, de asemenea, salariimari.d) Costuri mari de productie pentru serii miciDaca se executa doar una sau doua piese, atunci timpul si costurile cu realizareaprogramului pot fi mai mari dect cele obtinute prin utilizarea unei masini-unelte clasica. Pemasura ce complexitatea geometriilor si numarul de piese creste, masina CNC devine maieconomica.

Partile componente ale unei masini cu comanzi numerice

O masina CNC este compusa din doua componente majore pe lnga care se afla diverseechipamente auxiliare. Prima componenta este masina-unelta propriu-zisa care poate fi:strung, freza, masina de gaurit, de alezat, de rectificat, rabotat sau mortezat, masina de taiatcu jet de apa sau laser etc. A doua componenta este controller-ul pentru coordonarea miscariisculei taietoare. Pentru fiecare din cele doua componente pot exista accesorii necesare sauoperationale. De exemplu, pentru controllerpoate exista o consola de introducere date sau uncalculator cu conexiune permanenta pe care se realizeaza progrmele, o imprimanta sau unplotter pentru verificarea acuratetii proramului nainte de utilizarea pe masina.

Fig.2. Masina de frezat verticala cu comanda CNC

Componenta mecanicaMasina-unelta are o constructie speciala. Prima cerinta n proiectarea unei masini-unelta de calitate este rigiditatea. Axele trebuie sa aiba o deflexie minina sub sarcina pentru a nu influenta precizia de prelucrare. Axele sunt actionate, de obicei, cu ajutorul unui mecanism de tip surub-piulita cu bile recirculabile , fig.3. Acest tip de cuplaj ntre axa fixa (surub) si bacul mobil(piulita), ntre care circula bilele de otel, asigura rigiditatea si o frecare mica. Bilele sunt alese sa se potriveasca exact (fara jocuri mecanice) cu dimensiunile filetului, care are labaza o forma rotunjita. O rotatie completa aaxului produce o miscare a bacului cu distanta pasului filetului. n unele solutii constructive,bacul este fix si axa este mobila.Fig.3. Mecanism surub-piulita Masinile CNC mari de numesc centre de prelucrare sau masina-unelta universal si pot fi de tip freza sau strung. Frezele CNC universal au sisteme automate pentru schimbarea sculei si sunt dotate cu o magazie de scule cu zeci sau chiar o suta de scule diferite. Deseori, axul de rotatie a sculei este vertical. Unele masini au cte patru sau cinci axe. Ultimele doua sunt axe de rotatie si permit masinii sa efectueze n piesa gauri si suprafete sub unghiuri diferite. Pot realiza att prelucrare de degrosare, ct si de rectificare(finisare). O astfel de masina cu cinci axe poate prelucra singura o elice de vapor.

Masina CNC

Deplasarea pe cele 3 axe se face prin intermediul unor mecanisme de tip surub piulita. Centrul de prelucrare realizeaza trei miscari de translatie ale sculei aschietoare. Cele trei miscari sunt realizate de 3 motoare pas cu pas, iar transmiterea miscarii se face in toate cazurile prin intermediul unor mecanisme suru-piulita.

Pentru a compensa eventuale necoliniariti ale uruburilor cu motoarele pas cu pas, se folosesc cuplaje elastice.

Acest CNC poate fi folosit si pentru realizarea altor tipuri de piese, avnd o mas pe care se pot prinde diferite menghine pentru fixarea diferitelor piese.

Menghina folosit pentru piesa de prelucrat:

Piesa de prelucrat:

Bratul robotic folosit are 5 grade de libertate (5 rotaii)

nchiderea / deschiderea manipulatorului se realizeaz prin intermediul a 2 roti melcate antrenate de unui melc.

Suprafaa maxim de lucru a CNC-ului este de 780mmx480mm, iar raza de lucru a braului robotic este de 850 mm.