TR-14026-Razvoj nove generacije vertikalnih 5-osnih strugarskih obradnih centara

Projekat Ministarstva nauke: TR-14026 Razvoj nove generacije vertikalnih 5-osnihstrugarskih obradnih centara

Učesnici na projektu: Lola institut u Beogradu

Korisnici projekta: Montavar Lola d.o.o., Lola sistem a.d.

Rukovodilac projekta: dr Vladimir Kvrgić, dipl. inž. maš.

Sadržaj projekta

Sadržaj istraživanja obuhvata konceptualna rešenja vertikalnih jednostubnih i dvostubnih 5-osnih strugarskih obradnih centara za prečnike obrade od 1200 do 4000 mm, konstruktivna rešenja vitalnih sklopova mašina, konceptualna rešenja dvoosnih glodačkih glava sa osama koje se seku i sa osama koje se ne seku, razvoj magacina alata i stanice za odlaganje ugaonih glava, i 3D modeliranje i proračune vitalnih delova obradnih centara.

Deo istraživanja u okviru projekta odnosi se na razvoj upravljačke jedinice vertikalnih 5-osnih strugarskih obradnih centara, jer uvoz ovakvih upravljačkih jedinica ima velika ograničenja. Razvijen je i testiran nov algoritam upravljanja sa ugaonom glavom, kod koje se ose B i C mimoilaze, i koji elimiše uticaje temperaturskih dilatacija postolja mašine na tačnost obrade.

Proverena je usklađenost konceptualnih rešenja familije vertikalnih 5-osnih strugarskih obradnih centara sa zahtevima evropskih direktiva vezanih za bezbednost rada mašina.

 

Cilj projekta

Cilj istraživanja je razvoj nove familije vertikalnih 5-osnih strugarskih obradnih centara koji bi bili izvozni proizvodi domaće industrije mašina alatki namenjeni proizvođačima opreme za energetska postrojenja, avio industriju, vojnu industriju i mnoge druge primene.

 

 

 

 

Usvojena koncepcija petoosnog vertikalnog strugarskog obradnog centra nastala je tako što je na klasičan vertikalni strug najpre dodata C osa i jedinica struganja, bušenja i glodanja, čime je dobijen 3-osni strugarski obradni centar.

Zakretanjem C ose, odnosno radnog stola, i pomeranjem X ose po određenom zakonu dobijeno je kretanje koje odgovara kretanju u XY koordinatnom sistemu. Na ovu mašinu je dodata dvoosna kontinualno upravljana glodačka glava, čime je dobijen 5-osni vertikalni strugarski obradni centar.

 

 

 

Jedinica struganja, bušenja i glodanja

Razvijena jedinica struganja, bušenja i glodanja ima tri mogućnosti rada:

• Kada se vrši struganje jedinica prihvata nosače strugarskih alata. Ovi nosači su tako konstruisani da je blokirano obrtanje alata u ovoj jedinici.
• Kada se vrši 2,5-D glodanje, bušenje ili rezanje navoja u horizontalnoj ravni, jedinica SBG prihvata odgovarajuće alate preko ISO konusa. Ovi alati se tada pogone motorom ove jedinice.
• Kod 5-osnog glodanja jedinica SBG automatski prihvata dvoosnu glodačku glavu koja se nalazi na stanici za odlaganje ovih glava.

 

Tehničke karakteristike jedinice struganja, glodanja i bušenja

Prihvat strugarskih alata Sa «hirt» ozubljenjem
Prihvat glodačkih i bušačkih alata	ISO	50
Najmanji unutrašnji prečnik struganja	mm	360
Maks. broj obrtaja vretena	min-1	3000
Snaga motora vretena-S1	kW	22
Maks. sila rezanja	N	36000
Poprečni presek rama	mm	260x260, 320x320

 

Obrtni sto sa C osom

Konstruktivno rešenje obrtnog stola sa C osom sastoji se iz motora i prenosnika glavnog kretanja, motora i prenosnika pomoćnog kretanja pogona C ose i obrtnog stola.

Pogon obrtnog stola vrši se preko prenosnika glavnog kretanja, kada se mašina koristi za obradu struganjem i prenosnika pomoćnog kretanja – pogona C-ose, kada se mašina koristi za obradu glodanjem i bušenjem. Prenosnik glavnog kretanja je dvostepen, sa mehanizmom kojim se vrši raskidanje/uspostavljanje veze motora glavnog kretanja i obrtnog stola. Prenosnik pomoćnog kretanja je izveden preko sinhronog remenog para i pužnog para sa DUPLEX ozubljenjem čime je omogućeno bezzazorno kretanje.

 

 

 

Slaganjem kretanja alata po X osi i zakretanja obrtnog stola (C osa) po odgovarajućem zakonu dobija se kretanje ekvivalentno kretanju po pravouglom X’Y’ koordinatnom sistemu, koji se zakreće zajedno sa obrtnim stolom. Na taj način se na strugu, uz kretanje reznog alata po Z osi, realizuje 2,5-D glodanje, pa verikalni strug postaje vertikalna glodalica.

Konceptualna rešenja dvoosnih glodačkih glava

Tehnički opis koceptualnog rešenja 2-osne ugaone glave sa sledećim karakteristikama:

• Stezanje/otpuštanje nosača alata je automatsko.
• Za pogon glavnog vretena glave koristi se glavno vreteno jedinice struganja, bušenja glodanja.
• Pogon osa 1 i 2 je nezavisan.

 

 

 

 

Ose 1 i 2 su pogonjene sopstvenim servo motorima sa planetarnim reduktorima (sa malim zazorima) u prvom stepenu. Drugi stepen je ostvaren pomoću pužnog para sa CAVEX profilom ozubljenja. Pužni venac obezbeđuje bezzazorno zakretanje osa zahvaljujući sistemu za poništavanje zazora sa radijalnim primicanjem puža pužnom vencu. Prihvat alata u u vretenu ostvaruje se pomoću SK 50 (DIN 2079) konusa. Stezanje i otpuštanje alata vrši se automatski u početnom položaju. Hod potreban za stezanje se ostvaruje pomođu zavojnog vretena koje dobija pogon preko odgovarajuće uključno/isključne spojnice sa glavnog vretena. Upotrebljeni su prstenasti obrtni razvodnici, zahvaljujući kojima je moguće koristiti SHP sa priključka na pinoli bez potrebe za dodatnim povezivanjem. Kao merni sistem položaja ose 1 koristi se obrtni davač integrisan u INA YRTM ležaju koji formira uležištenje ose. Osa 2 koristi namenski apsolutni obrtni merni sistem.

 

Pronalaženje rešenja direktnih i indirektnih kinematičkih jednačina

Koordinatni sistemi članova vertikalnog 5-osnog strugarskog obradnog centra prikazani su na sledećoj slici:

 

Razvijen je i testiran nov algoritam upravljanja vertikalnim 5-osnim strugarskim obradnim centrom kod koga se ose B i C ugaone glave mimoilaze i koji eliminiše uticaje temperaturskih dilatacija postolja mašine na tačnost obrade.

Rešenje direktnog kinematičkog problema daje položaj alata u odnosu na koordinate osnove mašine za poznate vrednosti položaja članova mašine. Ono je dato sledećom jednačinom:

gde je:

 

Rešenje inverznog matematičkog problema koje daje položaje članova mašine za poznati položaj alata dato je jednačinama:

 

 

Ove jednačine su potrebne za realizovanje upravljanja vertikalnim 5-osnim strugarskim obradnim centrom.

 

 

Razvoj nove upravljačke jedinice

Razvoj nove generacije CNC-a za vertikalne 5-osne strugarske obradne centre je zasnovano na EMC2 open source softveru. EMC2 (Enhanced Machine Control) predstavlja univerzalan open source softverski paket koji je izuzetno pogodan za konfigurisanje upravljanja, ne samo mašina sa trivijalnom kinematikom, već i mašina sa složenim kinematičkim sistemom, kakav je ovaj.

 

Razvoj uprvljačke jedinice na ovoj softverskoj osnovi omogućava:

• višestruko nižu cenu hardvera u odnosu na dosadašnje sisteme upravljanja;
• vrhunske performanse upravljačke jedinice;
• transparentan pristup funkcijama za indirektnu i direktnu kinematiku;
• primenljivost i na druge sisteme, kao što su roboti i mašine sa paralelnom kinematikom;
• prilagodljivost korisničkog interfejsa.

 

Realizacija virtuelne mašine, u okviru ovog projekta, čini ovu upravljačku jedinicu jedinstvenom.

Sa stanovišta upravljanja mašinom sa trivijalnom kinematikom, virtuelna mašina kao sredstvo za verifikaciju upravljačkog NC programa nema poseban značaj.

Simulacija programa na virtuelnoj mašini dolazi do izražaja kada se NC program odnosi na mašine sa složenom kinematikom, kakvu ima 5-osni strugarski obradni centar.

Virtuelna mašina je konfigurisana tako da se upravljački signali CNC-a sa realne mašine usmeravaju ka «aktuatorima» virtuelne mašine.

 

Ovo omogućava vizuelnu simulaciju obrade, lako otkrivanje grešaka u upravljačkom programu i pravovermeno otkrivanje kolizione situacije pri izvršavanju programa u realnom vremenu.

 

 

MAGACIN ALATA I STANICA ZA ODLAGANJE UGAONIH GLAVA

Vertikalni 5-osni strugarski centar radi sa više raznih tipova reznih alata za struganje, bušenje i glodanje.

Pored mašine se nalazi magacin alata sa 30 mesta za alate. Na 29 mesta moguće je staviti strugarske alate kao i glodačke i bušačke alate sa ISO konusom. Jedno mesto u magacinu se razlikuje od ostalih (više je za 18mm) i ono služi za odlaganje adaptivne ploče. Rotacioni alati se sopstvenom težinom oslanjaju u ležištima (1) a za njihovu pravilnu orijentaciju služe pločica (2) i čivija (3).Strugarski alati se oslanjaju sop stvenom težinom a za orjentaciju i držanje pri izmeni služe čivija (4)-(Ø12) i čivija (5)-( Ø10).

Pogon magacina alata vrši se motorom (6), preko jednostepenog i ciklo prenosnika (7), zupčanika (8) na zupčanik sa ležajem (9). Tako se pokreće lančanik (10) koji vuče lanac na kom se nalaze alati, a informaciju o položaju magacina daje davač broja obrtaja (11).

Prenosni odnos prenosnika (7) je ic = 29•2,4545=71,18, a prenosni odnos zupčastog para (8) i (9) je i = 67/15 = 4,466 pa je ukupni prenosni odnos kod magacina alata i = 71,18•4,466•3,75 =1192,3. Držanje alata u tačnoj poziciji za izmenu alata (automatsku ili ručnu) vrši se preko hidrocilindra (12) kojim se lanac fiksira pri izmeni alata. Unošenje alata na magacin alata se vrši kroz otvor na kabini mašine. Na tom otvoru postoje automatska vrata koje otvara ili zatvara pneumatski cilindar, a koji u sebi ima senzore za informaciju o tome da li su vrata magacina otvorena ili zatvorena.

 

PROVERA USKLAĐENOST PROJEKTA SA ZAHTEVIMA EVROPSKIH DIREKTIVA, EN I ISO STANDARDA

U okviru istraživanja bezbednosnih zahteva kod mašinskih obradnih centara čija su konceptualna rešenja u fazama projektovanja, proizvodnje i korišćenja usklađena sa bezbednosnim zahtevima EN i ISO standarda izvršena je prethodna analiza najvećeg broja problema iz oblasti ukupne bezbednosti i zdravlja na radu i drugih oblasti i disciplina koje se tiču ovih problema. U tom smislu prilikom istraživanja i utvrđivanja bezbednosnih zahteva kod predmetnih mašina nametnula su se brojna interdisciplinarna pitanja i problemi koje je trebalo rešavati. Okvirno, pitanja i problemi koje smo utvrdili sveli su se, uglavnom, u pet grupa i to:

• Bezbednosni zahtevi koji su vezani za projektovanje i konstrukciju mašina i njihovih delova i sklopova (Direktiva 89/392 EEC, Standardi: EN 292-1, EN 292-2; ISO 12100-2:2003, EN 1050 i drugo).
• Bezbednosni zahtevi koji su vezani za montažu, postavljanje i podešavanje mašina; (Standardi: EN 292-1, EN 292-2, EN 1050, EN 294, EN 349, EN 418, EN 50020, EN 60 204, ISO 447-1984 i drugo).
• Bezbednosni zahtevi koji su vezani za korišćenje mašine u svim režimima rada; (Standardi: EN 1050, EN 294, EN 418, ISO 12100-2:2003, EN 60204-1, EN 292-1, EN 292-2 i drugo).
• Bezbednosni zahtevi koji su vezani za rukovaoce-operatere mašina i lica koja ih održavaju i čiste; (Standardi: ISO-OHSAS 18001:2005; EN 1050, EN 614-1, EN 547-3, EN 294, EH 132, EN 60204-1, EN 292-1, EN 292-2 i dr).
• Bezbednosni zahtevi vezani za uslove radne okoline (Direktive:89/654/EEC,80/1107/EEC, 89/392/ EEC, Standardi: ISO 14001:2004 i EN ISO 14001:2004 i drugo.)

 

Sva ta pitanja i problemi su tretirana kompleksno i povezano. To je podrazumevalo sistemski pristup i nalaženje rešenja u celini i integritetu.

U tom smislu u ovoj oblasti stvorili smo osnove za realizaciju sistemskog projektovanja i proizvodnje predmetnih mašina. Time su se stekli preduslovi za: stvaranje bezbedne mašine, sigurniju, zdraviju i produktivniju proizvodnju, sigurniji brži, zadovoljniji i motivisaniji rad rukovaoca, bolju usklađenost dokumentcije sa propisanim zahtevima i drugo. Treba istaći i to da je za funkcionisanje koncepcije rada koju smo utvrdili neophodno postojanje odgovarajućeg integralnog informacionog sistema planiranja i upravljanja projektovanjem, proizvodnjom, održavanjem, sistemom menadžmenta kvaliteta i drugim poslovnim funkcijama. Takva koncepcija obuhvata i pronalaženje određenog profila kadrova i formiranje radnog tima za postavljanje, sprovođenje i korišćenje ovakvog koncepta i sistema.

U sklopu ovih aktivnosti predviđene su i odgovarajuće edukacije, stručna obrazovanja i usavršavanja svih ljudi koji su uključeni u navedene projekte.