Przyrządy obróbkowe do systemów zautomatyzowanych

Główne wymagania stawiane przyrządom obróbkowym

Na przestrzeni minionych lat wszystkie procesy obróbkowe związane były zawsze z odpowiednim zamocowaniem obrabianych detali. Stosowane od dawna imadła maszynowe w wielu wypadkach nie były w stanie sprostać potrzebą rynku w zakresie dokładności, pewności i szybkości mocowania. Niska wydajność mechanicznych systemów mocowań i występujące w nich problemy (np. trudny do oszacowania błąd operatorów) powodowała szukanie innych, pewniejszych rozwiązań. W latach 60 ubiegłego wieku nastąpił przełom w dziedzinie hydraulicznych komponentów mocujących, dzięki którym radykalnie wzrosło tworzenie zautomatyzowanych, hydraulicznych przyrządów obróbkowych. Jest to związane z dążeniem do kompleksowej optymalizacji procesów wytwórczych, czyli zarówno od strony ekonomicznej, jakościowej jak i wydajnościowej. Wyeliminowanie lub zredukowanie wpływu czynnika ludzkiego pozytywnie wpływa na wzrost powtarzalności, bezpieczeństwa i niezawodności procesów obróbczych. Z tego względu zautomatyzowane hydrauliczne przyrządy obróbkowe są obecnie najczęściej poszukiwanymi i wdrażanymi systemami mocowań detali. Ilość i stopień komplikacji detali utrudnia proces poprawnego mocowania detali. Z drugiej jednak strony rynek systemów mocujących mocno się rozwija i oferuje szereg rozwiązań nadążających za potrzebami.

Przyrządy obróbkowe muszą spełniać szereg wymagań, a zautomatyzowane systemy mocowań obarczone są dodatkowymi wymaganiami. Spośród najważniejszych cech, którymi powinny odznaczać się przyrządy obróbkowe w aspekcie pewności i bezpieczeństwa pracy należy wymienić:

  1. mocowanie z siłami wystarczającymi do pokonania wszystkich sił występujących w trakcie obróbki,
  2. mocowanie w sposób niepowodujący trwałych odkształceń detali,
  3. mocowanie w sposób zapewniający odpowiednią dokładność i powtarzalność obróbki,
  4. ergonomia i bezpieczeństwo pracy operatora – ułatwienie zmiany detali,
  5. sposób ułożenia detalu eliminujący lub minimalizujący wpływ operatora,
  6. wysokie bezpieczeństwo – możliwość kontroli poprawności procesu mocowania detalu wraz z kontrolą jego ułożenia,
  7. możliwość realizacji sekwencji (kolejności) mocowania,
  8. energooszczędność,
  9. wysoka szybkość mocowania.
Rysunek 1. Najważniejsze wymagania stawiane przyrządom obróbkowym.

Odpowiednie siły mocujące. Jest to najważniejszy parametr decydujący o bezpieczeństwie mocowania detalu. Wartość sił mocujących detal, generowanych przez poszczególne komponenty mocujące musi być wyższa od sił występujących w trakcie obróbki, przy czym istotne są kierunki działania poszczególnych składowych i zdolność do ich pokonania. Dla każdego detalu powinny zostać określone siły obróbki w głównych osiach (FoX, FoY oraz FoZ). Analogicznie określone powinny zostać siły przeciwdziałające siłą obróbki o zgodnych kierunkach, ale przeciwnych zwrotach FmX, FmY oraz FmZ, co wyrazić można zależnościami:

oraz

Hydrauliczne komponenty mocujące charakteryzują się bardzo wysokimi siłami osiąganymi przy małych rozmiarach. Przykładowo komponenty z asortymentu Grupy Roemheld pracujące w przedziale ciśnienia zasilającego aż do 500 barów generują siły do 1570 kN (w przeliczeniu na masę ok. 157 ton). Komponenty mocujące Grupy Roemheld, których część dociskowa dodatkowo wykonuje ruch w innej, niż liniowa, osi generują do 50 kN siły mocującej na punkt. Podobnie jest z systemami mocowania z punktem zerowym, które też stosowane mogą być do pośredniego lub bezpośredniego mocowania detali – przykładowe rozwiązania Stark generują siły mocowania na poziomie 55 kN/jedno gniazdo. W większości przypadków do bezpiecznego zamocowania detalu nie potrzebne są aż tak duże siły mocowania i wystarczają te z przedziału 2…12 kN/element. Warunek ten spełniają praktycznie wszystkie komponenty mocujące Roemheld takie jak siłowniki liniowe i ukierunkowane, dociski dźwignie, centrujące, adaptacyjne czy też kompaktowe.

Rysunek 2. Rodzina docisków kompaktowych Roemheld – siły mocowania do 10,5 kN.

Dla bezpiecznego, powtarzalnego i właściwego mocowania detalu, oprócz samej wartości generowanej przez elementy siły, niezwykle ważne są jej charakter i przebieg. Istotą sprawy jest bowiem takie ukierunkowanie siły, aby nie wprowadzać do detalu sił wypadkowych, które mogą doprowadzić do przesunięcia detalu z baz lub wprowadzać do niego niekorzystne naprężenia. Przebieg siły mocującej na styku z detalem powinien mieć określony charakter liniowy – tak jak w przypadku siłowników liniowych. Warunek ten spełniają niemal wszystkie komponenty mocujące Roemheld: dociski skrętne, dociski dźwigniowe, dociski wahadłowo-przesuwne, dociski kompaktowe czy też blokowe łapy mocujące.

Rysunek 3. Idea mocowania detalu bez sił promieniowych. (fot. Roemheld)

Nieodkształcanie detalu. W wyniku działania zbyt dużych sił mocujących może dojść do trwałego odkształcenia detalu. W większości przypadków zjawisko to jest niedopuszczalne i może wpływać na jakość produktu finalnego. W celu wyeliminowania tego niekorzystnego zjawiska należy odpowiednio dobrać siły poszczególnych komponentów mocujących, jak również miejsce ich przyłożenia. Problem ten opisywany był w artykule „Mocowanie detali o skomplikowanych kształtach” opublikowanym w Magazynie Przemysłowym nr 4 (179) 2018. W celu minimalizacji odkształceń detalu Roemheld opracował kilka rozwiązań jak np. siłowniki adaptacyjne, w których siła reakcji na detal jest niewspółmiernie mniejsza (zazwyczaj 15…40 N) niż właściwa siła mocowania, rozumiana w tym wypadku jako zdolność do pokonania/przeniesienia siły zewnętrznej. Aby niekorzystne zjawiska zredukować do minimum wskazana jest analiza przypadku i weryfikacja za pomocą numerycznych metod obliczeniowych MES.

Dokładność i powtarzalność. Dokładność i powtarzalność mocowania detali jest najważniejszą cechą użytkową przyrządów obróbkowych. Wraz z siłami mocującymi parametry te określają zdatność przyrządu do zastosowania w danej aplikacji. Bardzo wysokie wymagania stawiane gotowym wyrobom wymuszają stosowanie precyzyjnych komponentów i systemów mocujących. Spośród gamy Produktów Roemheld najwyższe dokładności zapewniają siłowniki szczękowe, imadła precyzyjne i centrujące do otworów (wszystkie trzy grupy produktów oferują dokładność ±0,02 mm) oraz systemy mocowań z punktem zerowym (dokładność ±0,01 mm). Wyższe dokładności elementów mocujących są zazwyczaj bezcelowe, ponieważ najczęściej mocujemy detal surowy, a w ewentualnej kolejnej operacji obróbczej bazujemy na powierzchniach obrobionych i stałych elementach pozycjonujących.

Rysunek 4. Przykładowe komponenty Roemheld oferujące dokładność mocowania na poziomie +/-0,02 mm. (fot. Roemheld)

Ergonomia i bezpieczeństwo obsługi oraz sposób ułożenia detalu. Ergonomia przyrządu ma znaczenie dla operatora, a sposób ułożenia detalu jest ważny z punktu widzenia procesu obróbki, ale obie z tych cech powinny być rozważane jednocześnie na etapie projektu. W przypadku poprawnej ergonomii przyrządu operator będzie miał mniejsze tendencje do popełniania błędu i pomyłki przy ułożeniu detalu. Istotne jest tutaj zapewnienie dobrego dostępu do detalu jak również takie zaprojektowanie baz mocujących i pozycjonujących, aby operator nie miał możliwości błędnego ułożenia detalu. W specyficznych wypadkach niemożliwe jest wymuszenie poprawnej pozycji detalu (np. w przypadku detali pozornie symetrycznych). W takich sytuacjach pomocne może być zastosowanie dodatkowego elementu hydraulicznego, który wysuwany przed ułożeniem detalu wymusi określoną pozycję przedmiotu. Przyrząd musi być również tak wykonany, aby jego obsługa była maksymalnie bezpieczna dla operatora.

Kontrola i bezpieczeństwo procesu. Kontrola procesu zamocowania i ułożenia detalu na etapie zamocowania jak również samej obróbki jest niezwykle istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy. W celu poprawnej kontroli pozycji detalu mówimy o kontrolowaniu położenia elementów dociskających (ramion, dźwigni) oraz o właściwym przyleganiu detalu do baz. Realizowane to może być za pomocą systemu czujników elektrycznych lub systemu pneumatycznego. I tak na przykład komponenty mocujące Roemheld wyposażane są w kanały pneumatyczne, które zostają zamknięte lub otwarte w zależności od ułożenia części dociskowej komponentu.

Rysunek 5. Siłownik dźwigniowy Roemheld z pneumatyczną kontrolą zamocowania i odmocowania. Obok – przebieg ciśnienia powietrza w zależności od pozycji ramienia. (fot. Roemheld)

Odnotowane wówczas spadki lub wzrosty ciśnienia powietrza podawanego do dodatkowego kanału kontrolnego odczytywane są za pomocą wyłącznika ciśnienia (pot. presostatu) i interpretowane przez układ sterujący.

Rysunek 6. Schemat ideowy pneumatycznej kontroli zamocowania. (fot. Roemheld)

Podobne rozwiązanie stosowane jest w celu kontroli przylegania detalu do bazy. Rysunek 6 przedstawia siłownik centrujący Roemheld, który posiada kontrolę przylegania detalu do bazy.

Rysunek 7. Siłownik Roemheld z kontrolą przylegania detalu ( 1 – otwór kontrolny). (fot. Roemheld)

Z punktu widzenia bezpieczeństwa istotna jest również kontrola siły mocowania po zamocowaniu oraz w trakcie obróbki. Realizowane to może być poprzez kontrolowanie ciśnienia zasilającego. Wybrane zasilacze hydrauliczne (np. wersja modułowa zasilaczy Roemheld) pozwala na monitorowanie i cyfrowy odczyt wartości aktualnego ciśnienia w każdej nitce zasilającej elementy mocujące. Jakikolwiek spadek ciśnienia może zostać natychmiast stwierdzony i zarejestrowany a system sterujący może podjąć stosowne działania. Alternatywną metodą kontroli ciśnienia jest bezprzewodowa kontrola ciśnienia. System oferowany przez Roemheld składa się z nadajnika i odbiornika. Nadajnik, wkręcony bezpośrednio w układ nadaje do jednostki odbiorczej sygnał o wartości aktualnego ciśnienia zasilania panującego w układzie. Odbiornik obsługuje do 16 nadajników i połączony jest np. ze sterowaniem maszyny. Możliwe jest zaimplementowanie tego rozwiązania np. do systemów paletowych lub innych, w których zasilacz nie jest na stałe połączony z przyrządem lub wymagamy dodatkowego zabezpieczenia.

Rysunek 8. Nadajnik bezprzewodowej kontroli ciśnienia. (fot. Roemheld)

Sekwencja mocowania. Sekwencja mocowania jest ważna z punktu widzenia odpowiedniego ułożenia i wypozycjonowania detalu w trakcie obróbki. Zazwyczaj wymagane jest dosunięcie detalu do bazy i dopiero po ustaleniu pozycji właściwe zamocowanie. Realizowane może to być na trzy sposoby: za pomocą oddzielnie sterowanych linii zasilających, za pomocą zaworów czasowych lub za pomocą zaworów sekwencyjnych. Pierwsze rozwiązanie jest kosztowne, ponieważ wiąże się z rozbudową zasilacza hydraulicznego. Drugie rozwiązanie może powodować błędy, ponieważ jedynym czynnikiem przełączającym sekwencję jest podstawa czasu i nie mamy na to wpływu (detal może nie zdążyć dosunąć się do bazy). trzecie rozwiązanie jest optymalne pod względem ekonomicznym jak i funkcyjnym. Zawór sekwencyjny otwiera się dopiero po osiągnięciu ustalonego progu ciśnienia, zatem do tego czasu wcześniejsze elementy wykonawcze wykonują ruch (Rysunek 9). W pierwszej kolejności wysuwa się siłownik (1) i dociska detal do bazy (a). Po osiągnięciu ustawionego progu ciśnienia (tutaj 30 bar) zawór sekwencyjny otwiera się dostarczając ciśnienie do siłowników (2) i (3), które dociskają detal do baz (b) i (c). Zawory sekwencyjne mogą być łączone szeregowo lub równolegle, a sekwencja działania może obejmować wiele elementów w wielu odstępach czasu (w oparciu o progi ciśnienia).

Rysunek 9. Idea sterowania z zaworem sekwencyjnym. (fot. Roemheld)

Energooszczędność i szybkość mocowania. Dwa ostatnie parametry związane są z zasilaczami hydraulicznymi. Na rynku znaleźć można wiele typów zasilaczy, ale tylko niektóre wersje nadają się do bezpiecznego i pewnego zasilania przyrządów obróbkowych. Zdecydowana większość przyrządów nie będzie współpracowała poprawnie z zasilaczami wyposażonymi w rozdzielacze suwakowe czy też z zasilaczami z maszyn (za duże natężenie przepływu oleju i za duże spadki ciśnień). Prawidłowe źródło zasilania przyrządów jest niezwykle ważne z punktu widzenia powtarzalności i bezpieczeństwa mocowania i powinno charakteryzować się m.in.: stabilnym ciśnieniem wyjściowym i stabilnym natężeniem przepływu (tutaj zdecydowanie lepsze są pompy wielotłokowe), możliwością kontroli i ustawienia ciśnienia wyjściowego, zabudowanym układem filtracyjnym, zbiornikiem dobrze odprowadzającym ciepło, odpowiednimi rozdzielaczami (szczelne rozdzielacze gniazdowe) spełniającymi właściwą funkcję w sytuacji zaniku napięcia (np. zamknięcie wszystkich wyjść i wejść) czy też właściwym sterowaniem. Szybkość mocowania uzależniona jest od natężenia przepływu generowanego przez pompę hydrauliczną. Im większe natężenie przepływu tym większa prędkość zamykania elementów mocujących. Wszystkie komponenty hydrauliczne posiadają pewne ograniczenia w zakresie dopuszczalnego natężenia przepływu, dlatego stosowanie pomp o zbyt dużych parametrach może doprowadzić do problemów z ich funkcjonowaniem. Zalecana dla większości przyrządów wartość to 1…4.5 l/min. Przyrządy obróbkowe pracują zazwyczaj nieprzerwanie na kilka zmian. Energooszczędne źródło zasilania jest zatem niezwykle ważne z ekonomicznego punktu widzenia. Zasilacze hydrauliczne oferowane przez Grupę Roemheld pracują w trybie wyłączenia z funkcją histerezy. Po osiągnięciu właściwego ciśnienia silnik pompy wyłącza się; dopiero zmiana sekwencji ruchu lub spadek ciśnienia o 10% powoduje ponowne, krótkotrwałe włączenie silnika w celu uzupełnienia ubytku ciśnienia. W szczelnych przyrządach obróbkowych, dzięki zastosowaniu w zasilaczu rozdzielaczy gniazdowych, ponowne włączenie silnika pompy zasilacza niejednokrotnie występuje dopiero w momencie zainicjowania odmocowania. W tym czasie zasilacz jest w trybie niewielkiego poboru mocy. Wszelkie zmiany stanu zasilacza odbywają się natychmiast i bez wpływu na bezpieczeństwo procesu obróbki, przy jednoczesnej oszczędności energii w stosunku do zasilaczy np. z funkcją przelewu.

Rysunek 10. Zasilacz modułowy z rozdzielaczami gniazdowymi i elektronicznymi czujnikami ciśnienia na wszystkich wyjściach. (fot. Roemheld).

dr inż. Maciej Boldys (INMET-BTH)