Na veletrhu EMO 2013 představila firma HEIDENHAIN dvě skupiny softwarových funkcí, které směřují k optimalizaci procesu obrábění na výkon i kvalitu výsledných obrobků. Jedná se o volitelné funkce řídicích systémů řady TNC, určených pro frézovací stroje nebo multifunkční frézovací centra s možností soustružení. První skupina se uplatní při hrubování, druhá zejména při dokončovacích operacích. Některé dílčí funkce jsou známé a osvědčené již z předchozích verzí systémů TNC a iTNC, nový je zejména ucelený koncept a výhody použití vzájemně se doplňujících funkcí ve skupinách.
Pod pojmem Dynamic Efficiency shrnuje společnost HEIDENHAIN inovativní TNC funkce, které uživateli pomáhají výkonové frézování a hrubování provádět nejen efektivnsěji, ale i bezpečněji. Bezpečněji pro nástroj, obrobek, ale také pro stroj. Dynamic Efficiency přitom pomáhá zvýšit řezný výkon a zkrátit dobu obrábění. Dynamic Efficiency obsahuje tři softwarové funkce:
- Trochoidální frézování - funkce pro hrubování drážek a kapes, šetrné k nástroji
- AFC – adaptivní regulace posuvu v závislosti na situaci obrábění (hlavně zatížení vřetene)
- ACC – aktivní potlačení drnčení umožňující větší posuvy a úběr materiálu
Každá z těchto funkcí již sama o sobě nabízí lepší proces obrábění. Avšak zejména jejich kombinace využívá potenciál stroje a nástroje a současně snižuje mechanické zatížení. I měnící se podmínky obrábění, jako například přerušované řezy, různé postupy vnořování do materiálu nebo jednoduché hloubení ukážou, že se použití vyplatí. V praxi je možné zvýšit časový objem třísek o 20 až 25 procent. Funkce Dynamic Efficiency umožňuje vyšší časový objem třísek, a tím zvýšenou produktivitu, aniž by bylo nutno používat speciální nástroje. Zamezí se přetížení nástroje a předčasnému opotřebení břitů, dodatečný zisk spolehlivosti procesu významně přispívá ke zlepšení hospodárnosti. Trochoidální frézování zmenšuje úhel záběru frézy podstatně pod 180 stupňů, což zmenší řezné síly. Odlehčí se nástroji i vřeteníku, a tudíž lze pracovat s velkou hloubkou řezu (u válcových fréz běžně do hloubky 2D, kde D je průměr nástroje). Zejména při frézování pevných nebo kalených materiálů nedochází k nadměrnému opotřebení nástroje, resp. opotřebení je díky větší hloubce řezu rovnoměrně rozloženo po celé délce břitu namísto přetěžování samotného konce. Za povšimnutí stojí i lepší odvod třísek. Boky kapsy vyfrézované metodou trochoidální dráhy je vhodné na konci jednou objet po standardní dráze, aby se odstranily „obloučky“ po trochoidální dráze. Jedinou nevýhodou metody trochoidálního frézování je tak celkové prodloužení dráhy nástroje, které by při konstantní rychlosti posuvu znamenalo delší čas obrábění. Tuto nectnost lze ovšem eliminovat pomocí AFC - další funkce ze skupiny „Dynamic Efficiency“. Adaptivní řízení posuvu AFC (Adaptive Feed Control) znamená velkou pomoc v produktivitě hrubovacích operací. Funkce reguluje velikost posuvu z TNC v závislosti na aktuálním výkonu vřetene a dalších procesních datech. V tzv. zkušebním řezu zaznamenává TNC maximální dosažený výkon na vřetenu. Před vlastním obráběním pak definujete v tabulce aktuální mezní hodnoty, které musí být dodrženy a v rámci kterých smí TNC v režimu „regulace“ ovlivňovat posuv. Samozřejmě se dají zadat různé reakce na přetížení, ty může flexibilně definovat i výrobce stroje. Funkce AFC optimalizuje dobu obrábění - umožní eliminovat prodloužení cyklového času, jež by jinak bylo důsledkem frézování po trochoidální dráze. Optimalizace doby obrábění se projeví také u odlitků s kolísáním rozměrů nebo materiálů (dutiny, přerušované řezy). Příslušnou regulací posuvu se pokoušíme dodržet předem naučený maximální výkon vřetene během celé doby obrábění. Zvýšením posuvu obrábění v zónách s malým úběrem materiálu se celková doba obrábění zkracuje. Funkce AFC dále šetří mechaniku stroje - snížením posuvu při překročení maximálního výkonu na vřetenu až na referenční výkon. Hlavní vřeteno je tak účinně chráněno proti přetížení. Vedlejším, ale nezanedbatelným přínosem použití AFC je monitorování opotřebení a zlomení nástroje. Funkci AFC lze zapínat z NC programu a můžeme ji aktivovat zvlášť pro každý nástroj – podle údaje přímo v tabulce nástrojů. Adaptivní řízení rychlosti není nová myšlenka, objevilo se u řady výrobců. Většinou však je realizováno pomocí PLC nebo dokonce externím zařízením vstupujícím přes PLC rozhraní do korekcí rychlosti posuvu. To je sice relativně jednoduché, ale časové zpoždění může být dost dlouhé na poškození nástroje nebo dokonce vřeteníku skokovými změnami řezného odporu, například při přerušovaném řezu. HEIDENHAIN integruje funkci AFC přímo na úrovni regulačních smyček NC Software. Rychlost odezvy je tak při běžných řezných posuvech dostatečná, aby ochráni la nástroj i v přechodu ze vzduchu do plného materiálu. Při hrubování (výkonovém frézování) se vyskytují velké frézovací síly. V závislosti na otáčkách nástroje, rezonančních vlastnostech stroje a objemu třísek (řezný výkon při frézování) může přitom docházet k takzvanému „drnčení“, které je zvukovým projevem samobuzených kmitů generovaných řezným procesem. Toto drnčení znamená pro stroj vysoké zatížení, hrozí i poškození ložisek vřeteníku nebo dalších částí konstrukce stroje. Na povrchu obrobku způsobuje drnčení viditelné stopy. Také nástroj se silně a nepravidelně opotřebovává, v extrémním případě může dojít i k jeho prasknutí. Pro snížení tendence určitého stroje k drnčení nyní nabízí společnost HEIDENHAIN účinnou regulační funkci ACC (Active Chatter Control). V oblasti výkonového frézování se použití této regulační funkce projevuje zvláště pozitivně u obtížně obrobitelných materiálů. S pomocí ACC jsou možné výrazně lepší řezné výkony. V závislosti na typu stroje se může za stejný čas zvýšit objem obrábění i více než o 25 %. Současně se snižuje zatížení stroje a zvyšuje se životnost nástroje. Výhody použití této funkce lze shrnout do několika bodů:
- lepší kvalita povrchu,
- menší opotřebení nástroje,
- vyšší úběr materiálu,
- kratší cyklový čas.
Tato funkce je ovšem zásahem do regulačních smyček a při jejím nasazení je třeba spolupracovat s výrobcem stroje. Nepoužívají se žádná speciální čidla, veškeré informace o kmitání bere systém z použitého odměřování polohy a rychlosti na osách stroje. Jinými slovy nezbytnou podmínkou úspěšného nasazení této funkce je možnost detekovat kmity na odměřovacích čidlech polohy. U strojů s malou tuhostí a odměřováním daleko od TCP nástroje mohou vzniknout kmity pouze na nástroji nebo mezi nástrojem a odměřováním, které polohové čidlo vůbec nezachytí. V takovém případě kompenzace ze strany systému a pohonů není možná bez zásahu do konstrukce stroje a samotná aplikace ACC bez úpravy stroje by byla neúčinná.
Sada funkcí adaptivního řízení pro DOKONČOVACÍ operace
- kompenzace přeslechu mezi osami
- aktivní tlumení vibrací
- adaptace regulačních smyček podle hmoty obrobku, polohy os a charakteru pohybu Významné zpřesnění dráhy nástroje se projeví jako
- spolehlivé dodržení zvolené tolerance kontury
- shodná dráha bez ohledu na směr pohybu
- pohyb bez vibrací i při velkých posuvech
Pod pojmem Dynamic Precision jsou shrnuty volitelné funkce pro řídicí systémy HEIDENHAIN, které účinně potlačují dynamické chyby obráběcích strojů. Dynamické chyby se typicky projevují jako stopy na povrchu výsledného obrobku a nelze je jednoduše kompenzovat tabulkami jako statické chyby přesnosti. Funkce systémů HEIDENHAIN TNC zlepšují dynamické chování stroje, dosahují vyšší efektivní tuhosti na TCP a umožňují tak frézování na hranici technologických možností nezávisle na stáří stroje, jeho zatížení a poloze obrábění. A to vše bez zásahu do mechaniky stroje. Pro přesné obrobky s vysokou kvalitou povrchu již není nutné pomalé obrábění. Obráběcí stroje pracují se softwarem Dynamic Precision zároveň rychle a přesně. Mluvíme zde o přesnostech v řádech, které se uplatní při dokončovacích operacích, nikoliv při hrubování. Vysoká přesnost při rychlejším obrábění také znamená zvýšení produktivity. Kusové náklady klesají bez újmy na přesnosti a kvalitě povrchu. Dynamic Precision zajišťuje, aby přesnost zůstala nezávislá na provozní době a na hmotnosti obrobku. Posuvy není nutné globálně snižovat kvůli stáří stroje nebo opotřebení v jednom místě pohybového šroubu nebo vedení. Jednotlivé funkce Dynamic Precision jsou k dispozici jako opce pro řídicí systémy HEIDENHAIN. Mohou být použity jak samostatně, tak kombinovaně. Jde vlastně o adaptivní řízení – změny některých parametrů regulace podle zvolené vstupní veličiny.
CTC – Kompenzace „přeslechu“ - polohových odchylek úměrných zrychlení ve středu nástroje (TCP), a tím i vyšší přesnost ve fázích zrychlování
AVD – Aktivní potlačení vibrací pro lepší povrch
PAC – polohově závislé přizpůsobení regulačních parametrů
LAC – přizpůsobení regulačních parametrů závislé na zatížení (hmotnosti), a tím i vyšší přesnost nezávisle na stárnutí a zatížení
MAC – pohybově závislé přizpůsobení regulačních parametrů Funkce Dynamic Precision jsou na vysoké taktovací frekvenci přizpůsobovány pohybům a zatížení obráběcího stroje, a to přímo v jednotce regulátoru, která je součástí řídicích systémů HEIDENHAIN. Protože se v případě Dynamic Precision jedná o softwarové funkce, není nutný žádný zásah do mechaniky stroje nebo do hnacího ústrojí. Výrobce obráběcího stroje však musí jednotlivé funkce aktivovat, parametrizovat a přizpůsobit stroji. Působením dynamických procesů zrychlování jsou do konstrukce obráběcího stroje zaváděny síly, které mohou krátkodobě deformovat součásti stroje, a tím způsobit odchylky na TCP (Tool Center Point). Kromě deformace ve směru osy může dynamické zrychlení určité osy z důvodů mechanického spřažení os vést rovněž k deformaci os kolmých ke směru zrychlení. V případě, kdy se působiště hnací síly určité osy nekryje s jejím těžištěm, vzniká krouticí moment přímo úměrný zrychlení a způsobující naklápění částí konstrukce během rozjezdu nebo brzdění. Z toho vyplývající polohové odchylky ve směru zrychlující osy, jakož i ve směru příčných os jsou přitom na TCP přímo úměrné velikosti zrychlení. Jestliže jsou dynamické odchylky polohy v souvislosti se zrychlením osy měřením na TCP známé, mohou být tyto, na zrychlení závislé chyby, kompenzovány regulační funkcí kompenzace „přeslechu“ - CTC (Cross Talk Compensation), pro zamezení negativnímu účinku na kvalitu povrchu a přesnost obrobku. Pro měření polohových odchylek dvou vzájemně mechanicky spřažených os lze použít mřížkové měřidlo (KGM) v rovině dané těmito dvěma osami. Výsledné odchylky na TCP jsou ovšem často závislé nejenom na zrychlení, ale také na postavení os v pracovním prostoru. To lze regulační funkcí CTC rovněž zohlednit. PAC (Position Adaptive Control) – polohově závislé přizpůsobení regulačních parametrů umožňuje udržet vlečnou chybu polohové regulace ve zvoleném tolerančním pásmu, což je důležité pro plné využití dynamiky stroje. Regulační parametry se mění podle skutečné potřeby v každé poloze, jinak by musely být nastaveny v celém rozsahu podle nejhoršího případu. LAC – přizpůsobení regulačních parametrů závislé na zatížení Dynamické chování strojů s pohyblivými stoly se může měnit v závislosti na hmotnosti, resp. setrvačnosti upnutého obrobku. Prostřednictvím opce LAC (Load Adaptive Control) je řídicí systém schopen automaticky detekovat aktuální hmotnost, resp. setrvačnost obrobku a aktuální třecí síly. Pro optimalizaci změněné regulační odezvy při různém zatížení lze aktivovat adaptivní servořízení vzhledem ke zrychlení, přídržnému momentu, statickému tření a tření při vysokých otáčkách. Řízení je i během obrábění obrobku schopné kontinuálně přizpůsobovat parametry serva aktuální hmotnosti obrobku. Tím je také vlečná odchylka regulace držena v předepsaném tolerančním poli. Opce MAC (Motion Adaptive Control) nabízí, dodatečně k polohově závislým změnám parametrů stroje opcí PAC, možnost změny parametrů stroje v závislosti na jiných vstupních veličinách, jako je rychlost, vlečná odchylka nebo zrychlení určitého pohonu. Tímto pohybově závislým přizpůsobením regulačních parametrů lze u pohonů, jejichž stabilita se při různých rychlostech posuvu mění, realizovat např. přizpůsobení Kv-faktoru závislé na rychlosti. Dalším případem použití je změna momentu předpětí mezi motory Master a Slave závislá na zrychlení při momentovém Master-Slave řízení „tandemového“ pohonu. S opcí MAC lze např. snižováním momentu předpětí parametrizovaným rostoucím zrychlením dosáhnout při tomto uspořádání výrazně vyššího maximálního zrychlení při pohybech rychloposuvem. AVD – Aktivní potlačení vibrací Při nízkofrekvenčních vibracích obráběcích strojů na šikmých nebo zaoblených plochách často dochází k povrchovým problémům v podobě viditelných stínů nebo změn kontrastu. Přitom se mohou na povrchu obrobku zviditelnit nerovnosti 1 μm a menší. Tyto nedostatky často vyžadují dodatečné opracování povrchu, což je spojeno s vícenáklady. Častou příčinou nízkofrekvenčních poruch mohou být na jedné straně pružné členy mechanismu pohonů, jako např. kmity vznikající mezi hnací (motor) a hnanou (saně) stranou, nebo také kmity upevnění, kdy velká zrychlení os stroje působením přes upevňovací prvky na uchycení a základ stroje způsobují tyto poruchy. Poruchy vyvolané velkým zrychlením sice lze zmenšit omezením dynamiky, to však vede k delším dobám obrábění. Funkce AVD (Active Vibration Damping) cíleně potlačuje dominantní nízkofrekvenční kmity prostřednictvím regulační smyčky TNC. AVD zde působí ze dvou hledisek: za prvé vede k čistému povrchu obrobku, protože potlačuje viditelné důsledky kmitání. Za druhé AVD umožňuje rychlé frézování bez vibrací. AVD tak zvyšuje produktivitu stroje a/nebo zlepšuje kvalitu povrchu obrobků. Souhrnně lze říci, že účelným nasazením funkcí skupiny Dynamic Precision lze omezit negativní vlivy zrychlení stroje na výslednou přesnost a kvalitu povrchu obrobku. Pak si můžeme dovolit zvednout maximální hodnoty „Jerk“ – tedy povolit servům větší dynamiku při zachování předepsané tolerance kontury. To se nakonec projeví zkrácením doby obrábění a celkové produktivity.