Prototyp frezarki

Obrabiarka hybrydowa integruje robota równoległego typu tripod o trzech translacyjnych stopniach swobody, manipulującego narzędziem skrawającym, oraz mechanizm szeregowy – stół uchylno-obrotowy, o dwóch rotacyjnych stopniach swobody – do którego mocowany jest element poddawany wybranemu procesowi technologicznemu. W efekcie powstało urządzenie o funkcjonalności pięcioosiowej frezarki typu NC (ang. Numerical Control) klasy HSM (ang. High Speed Machining), programowanej za pomocą G-kodu wg standardu ISO.

Zaprojektowany manipulator równoległy składa się z dwóch równoległych platform: nieruchomej, spawanej struktury nośnej obrabiarki (podstawy) oraz ruchomej, do której mocowane jest narzędzie, połączonych za pośrednictwem trzech identycznych, specjalnie zaprojektowanych łańcuchów kinematycznych (ramion). W robocie równoległym wykorzystano jedynie dwa rodzaje przegubów: bierne przeguby uniwersalne i przeguby pryzmatyczne, napędzane liniowymi napędami bezpośrednimi (synchronicznymi z magnesami stałymi – PMSM, ang. Permanent Magnet Synchronous Motor). Oryginalna konstrukcja, będąca przedmiotem kilku udzielonych patentów, pozwoliła na uzyskanie szybkich ruchów w dużej przestrzeni roboczej, z dostateczną obciążalnością i dobrą wibrostabilnością, osiągniętą dzięki modyfikacji charakterystyk dynamicznych poprzez odpowiednie sterowanie oraz wypełnienie konstrukcji nośnej specjalnym materiałem tłumiącym – kompozytem elastomerowym.

Sterownik pozycyjny steruje siłami wywieranymi przez poszczególne napędy. Zadane trajektorie są śledzone za pomocą algorytmu sterowania predykcyjnego opartego na modelu (ang. computed torque control). Trajektorie te są generowane on-line na podstawie wejściowego G-kodu, który wprowadza się do układu sterowania w postaci pliku tekstowego, przygotowanego przez operatora lub wygenerowanego przez programy typu CAM.

Sterownik, zaimplementowany w układzie FPGA, zawiera trzy podsystemy: sterownik pozycyjny (którego zadaniem jest śledzenie zadanej trajektorii), generator trajektorii wygenerowanej na bazie G-kodu oraz nadrzędny układ zabezpieczeń i kalibracji.

Przeznaczeniem frezarki jest wysokoobrotowa obróbka metali miękkich (t.j.: aluminium, miedź), tworzyw sztucznych (t.j.: polioksymetylen, poliwęglan, szkło akrylowe) i innych materiałów (np. drewno).

Urządzenie realizuje obróbkę w dwóch wariantach: 5AX INDEX oraz 5AX SIMULTANEOUS.

Typowe uzyskiwane posuwy robocze wynoszą od 0,02 do 0,1 [mm/ostrze]. Chwilowa prędkość liniowa ruchów roboczych narzędzia względem przedmiotu obrabianego (posuw) wynosi od 0,1 do 10 [m/min]. Prędkość ruchów jałowych narzędzia wynosi około 60 [m/min], natomiast maksymalne chwilowe przyśpieszenie liniowe od 5 do 20 [m/s²]. Obrabiany półwyrób jest mocowany na stole z rowkami teowymi TM10, wykonanymi zgodnie z zaleceniami Polskiej Normy, z zastosowaniem konwencjonalnych uchwytów obróbkowych (imadła, uchwyty trójszczękowe, łapy mocujące, itp.).

W prototypowym urządzeniu zastosowano elektrowrzeciono umożliwiające obróbkę z prędkościami obrotowymi od 1000 do 40 000 [obr/min]. Wrzeciono posiada uchwyt narzędziowy – typ CHN-16 – pozwalające na mocowanie frezów, przeznaczonych do obróbki wysokoobrotowej o średnicach od 3 do 8 [mm]. Mocowanie narzędzi odbywa się ręcznie. Budowa wrzeciona i sposób jego mocowania pozwalają na zmniejszenie momentów skręcających w konstrukcji, co znacząco zwiększa dokładność obróbki. Strefa skrawania jest chłodzona strumieniem zimnego powietrza – minimalna temperatura dochodzi do ‑50 [°C]. Dodatkowo, chłodzone jest również samo wrzeciono.

Przestrzeń roboczą frezarki stanowi walec o średnicy 720 [mm] i wysokości 483 [mm], o środku podstawy umieszczonym w punkcie przecięcia osi pochyłu i obrotu stołu. Kąt obrotu stołu jest nieograniczony, natomiast pochył jest ograniczony do +/-90 [°].

Skonstruowana frezarka jest lekka, w porównaniu do konwencjonalnych obrabiarek CN (waży około 1 900 [kg], bez uwzględnienia osprzętu mocującego element poddawany obróbce i samego elementu), a jej wymiary gabarytowe to: 1020 [mm] długości, 1180 [mm] szerokości i około 2010 [mm] wysokości.

Układy: hamulców, chłodzący elektrowrzeciona oraz dysza chłodząca wymagają zasilania pneumatycznego o ciśnieniu 6–8 [bar] oraz minimalnej wydajności 430 [l/min].

Frezarka została wyróżniona nagrodą „Małego Smoka Wawelskiego” w kategorii obrabiarki na 18-tych Między-narodowych Targach Obrabiarek, Narzędzi i Urządzeń do Obróbki Materiałów – EUROTOOL^® 2013 – w Krakowie.