Dnešní informativní příklad věnuje pozornost nejen řídicímu systému Sinumerik 840D sl Operate V2.7/4.4 a jeho možnostem pro 3D korekce rádiusu nástroje při čelním i obvodovém frézování v pěti osách, ale i komunikaci mezi řídicím systémem CNC stroje a CAM softwarem. Korekce rádiusu frézovacího nástroje je na CNC strojích sice známá již od tzv. 2,5D frézování, ale v oblasti 3D a především při pětiosém frézování vznikají poněkud odlišné situace. Programování s korekcemi je na dnešních CNC strojích prakticky nezbytnou záležitostí, poněvadž NC program se tak stává nezávislým na reálném a především průběžně se měnícím tvaru (vlivem opotřebení) řezného nástroje. Zaměříme se proto v dalším textu detailněji např. na programovací funkci CUT3DF, která je určena pro 3D čelní frézování.
Směr korekce řídicí systém vypočítává zcela automaticky z normálového vektoru plochy, ze směru řezného nástroje a z geometrie frézy.Právě proto pouhé zadání geometrie frézy do tabulky CNC stroje již nestačí. Upozornit je dále nutno i na fakt, že mohou být korigovány jen malé změny rádiusu oproti nástroji, se kterým programátor pracoval v CAM softwaru. S menším rádiusem frézy, než byl předpokládaný, se dá poměrně bez problémů počítat, neměli bychom však zapomenout na mírné zhoršení kvality obrobeného povrchu. Řezný nástroj s větším poloměrem špičky naopak zpravidla vede ke zmenšení zbytkových nerovností obrobeného povrchu způsobených naprogramovaným konstantním radiálním krokem frézy. Větší reálný rádius frézy ovšem může způsobit kolizi řezného nástroje s konturou obrobku. Pokud je však CAM systém schopen v každém bloku normálu plochy poskytnout, může CNC stroj přidat informace o reálném rádiusu frézy i geometrii špičky a řídicí systém tak může vypočítat nový kontaktní bod (kontaktní bod je místo styku řezného nástroje s konturovou křivkou obrobku). Úspěšnému využívání funkce CUT3DF tedy nic nebrání.
Pro frézování s funkcí CUT3DF na čelní ploše jsou použitelné frézy:
- Válcová zápustková fréza (typ 110)
- Fréza s kulovou hlavou (typ 111)
- Fréza s rovným čelem (typ 120 a 130)
- Fréza rádiusová (typ 121 a 131)
- Kuželová fréza s rovným čelem (typ 155)
- Kuželová fréza s rovným čelem a rádiusem (typ 156)
- Kuželová zápustková/kulová fréza (typ 157)
Nahlédněme nyní na funkci CUT3- DF formou stručného praktického příkladu, kdy je realizováno 3D dokončovací frézování na obecné čelníploše (např. plocha mírně konkávního tvaru). V CAM systému zpravidla nejprve naimportujeme model obrobku, definujeme nebo z databáze vybereme frézovací nástroj (fréza s kulovým břitem a s průměrem 10 mm), vygenerujeme např. jednoduchou dráhu typu rastr (jednotlivé řezné pohyby na obráběné ploše jsou rovnoběžné a s definovaným konstantním radiálním krokem) a spustíme postprocessing s výstupním formátem bloků pro Sinumerik 840D. Operátor u obráběcího stroje tak následně přebírá NC program připravený v CAM softwaru, který byl zapsán s orientací nástroje pro pětiosou transformaci a s aktivní 3D korekcí nástroje. Poněvadž na dílně aktuálně není fréza s průměrem přesně 10 mm, ale pomocí nástrojové sondy byla nalezena jen fréza s průměrem např. 9,9 mm, je nutno počítat s mírně horší dosahovanou strukturou obrobeného povrchu. Tímto nástrojem je však nyní možno bez problémů obrábět. Pro korekce délky jednotlivých frézovacích nástrojů je vztažným bodem špička nástroje (průsečík podélné osy a povrchu). Aby však při výměně nástroje byla automaticky zohledněna nejen délková korekce, ale např. i rádius nástroje, zaoblení špičky nástroje nebo úhel mezi podélnou osou nástroje a horním okrajem torusu, nesmíme zapomínat na programování funkcí G41/G42 (G40 je funkcí pro deaktivaci G41/G42).
Jak již bylo výše zmíněno, je pro úspěšnou aplikaci funkce CUT3DF při čelním frézování obecných zakřivených ploch nezbytné programování normálových vektorů. Pro tento druh pětiosého frézování je tedy v jednotlivých blocích nutno uvádět nejen souřadnice X, Y, Z, ale i normálové vektory plochy A5=, B5=, C5= (pro popis normálového vektoru plochy na konci bloku) a případně i A4=, B4=, C4= (pro popis normálového vektoru plochy na začátku bloku). Popis zakřivení dráhy se totiž uskutečňuje právě pomocí normálových vektorů plochy. Dále je zpravidla zapotřebí i údaj o orientaci nástroje ve formě směrového vektoru A3=, B3=, C3=. Jistou otázkou však nyní může být: „Proč v jednotlivých blocích uvádět tolik informací?“ Např. jestliže se v bloku nachází pouze vektor A4=, B4=, C4=, zůstává normálový vektor plochy pro celý blok konstantní. Je-li naopak v bloku pouze vektor A5=, B5=, C5=, realizuje se interpolace prostřednictvím největší kružnice z koncové hodnoty předchozího bloku do naprogramované koncové polohy aktuálního bloku. Jestliže jsou však programovány oba vektory, vede výsledná dráha ke spojitým hladkým pohybům po celé dráze, což se příznivě projevuje např. na výsledné struktuře obrobeného povrchu.
K naznačené problematice je vhodné ještě doplnit, že v základním nastavení obráběcího stroje odpovídají normálové vektory plochy směru osy Z, a to zcela nezávisle na aktivní rovině G17, G18 nebo G19. Jisté zjednodušení celé problematiky však můžeme spatřovat např. v možnosti vynechávání některých složek vektorů, které jsou tak automaticky považovány za nulové. Výhodou je i automatické vztažení normálových vektorů k aktivnímu framu (po aktivaci funkce ORIWKS), což umožní jejich automatické otáčení při rotaci framu. Délka jednotlivých vektorů je samozřejmě zcela nepodstatná.
Jednotlivé hodnoty 3D korekce rádiusu frézovacího nástroje se tedy při aktivaci funkce CUT3DF postupně automaticky vypočítávají z vektorových složek od kontaktního bodu (bod, ve kterém se řezný nástroj dotýká finální obráběné kontury) po špičku nástroje. Výsledný vektor je funkcí CUT3DF používán pro korekci rádiusu nástroje. Díky funkcím např. LEAD a TILT však existuje i další možnost programování s orientací frézovacího nástroje v kombinaci se zadáváním normálového vektoru plochy. Úhly LEAD a TILT jsou vždy vztaženy k normálovému vektoru ploch A4, B4, C4, případně k A5, B5, C5, přičemž normálový vektor plochy se během pohybu po dráze může spojitě měnit. Pro frézování kapes a pro pětiosé obvodové frézování na šikmých bočních stěnách je možno doporučit užívání např. nové funkce CUT3DC. Opět se jedná o 3D korekci rádiusu frézovacího nástroje, avšak nyní se provádí přísuv pro kompenzaci odchylky rádiusu frézy ve směru normálového vektoru obráběné plochy.
Poněvadž v praxi se příliš často nesetkáváme s možností reálně obrábět řezným nástrojem naprosto shodných rozměrů, jako byl nadefinovaný nástroj v CAM systému, můžeme prostřednictvím dalších dvou nových funkcí využít tzv. omezující plochy. Při 3D obvodovém frézování s konstantní nebo spojitou změnou orientace nástroje je často programována dráha osy řezného nástroje. Prostřednictvím funkce CUT3DCCD je možno polohovat reálný frézovací nástroj s ohledem na omezující plochu, která popisuje v CAMu naprogramovanou plochu obrobenou zde definovanou frézou. Dále pak prostřednictvím funkce CUT3DCC lze u válcových fréz využít omezující plochu, na kterou by měla v CAMu definovaná fréza díky své délce dosáhnout a kterou by zároveň neměla poškodit.
Závěrem je již možno jen konstatovat, že patrně nejtypičtějšími oblastmi použití funkcí CUT3DCC a CUT3- DCCD je výroba součástí pro letecký průmysl (obrobky s kapsami, jejichž stěny nejsou kolmé na dno). Více detailů o jednotlivých dnes uváděných funkcích (s podporou obrázků) však až v některém z volně navazujících dílů tohoto seriálu.
Ing. Aleš Polzer, Ph.D.
Článek vznikl za spolupráce ÚST, FSI VUT v Brně s firmou Siemens s. r. o. a redakcí Technického týdeníku.