Ogólne wytyczne projektowania przyrządów obróbkowych.

Przyrządy mocujące (obróbkowe) stosowane w seryjnej produkcji i obróbce detali, powinny spełniać szereg wymogów. Grupa ROEMHELD, jako czołowy dostawca systemów i komponentów mocujących do przyrządów obróbkowych, wyróżnia tutaj pięć głównych kryteriów:

  1. bezpieczeństwo mocowania,
  2. szybkość mocowania,
  3. powtarzalność mocowania,
  4. ergonomię przyrządu,
  5. żywotność komponentów.

Prawidłowy schemat analizy i projektowania systemu mocowania przedstawiono na rysunku

Rysunek 1. Ogólny schemat projektowania systemu mocowania.

Bezpieczeństwo mocowania, rozumiane jako minimalizacja zdarzeń nieprzewidzianych i niebezpiecznych dla otoczenia takich jak np. odmocowanie detalu, wyrwanie detalu przez narzędzie w głowicy obrabiarki czy też niepoprawne zamocowanie powinno być głównym kryterium podczas projektowania systemu mocującego. Siły mocujące oraz punkty mocowania/podparcia muszą być tak dobrane, aby nie nastąpiło samoczynne odmocowanie detalu nawet, w przypadku przekroczenia dopuszczalnych (projektowych) parametrów skrawania. Należy zatem określić współczynnik bezpieczeństwa mocowania rozumiany jako iloraz sum sił mocujących oraz sum sił obróbczych:

gdzie: Fm – siły mocujące; Fo – siły obróbcze.

Zalecany, minimalny współczynnik bezpieczeństwa wynosi min. n = 2 dla maszyn z zamkniętą przestrzenią roboczą oraz min. n = 2.5…10 w przypadku otwartej przestrzeni roboczej (większe ryzyko dla operatora i otoczenia). W przypadku skomplikowanych detali lub sił działających w wielu kierunkach analizować należy wszystkie przypadki.

Wymagana i konieczna staje się kontrola zamocowania, która może być realizowana na 4 sposoby:

  1. hydraulicznie, w zasilaczu hydraulicznym podłączonym na stałe do przyrządu,
  2. hydraulicznie bezprzewodowo, przy systemie paletowym,
  3. pneumatycznie,
  4. elektrycznie.

Hydrauliczna kontrola zamocowania polega na ciągłym kontrolowaniu wartości ciśnienia zasilającego przyrząd i podjęcia stosownych reakcji w przypadku spadku tego ciśnienia. Grupa Roemheld opracowała specjalną serię zasilaczy dedykowanych do przyrządów obróbkowych. Zasilacze wyposażone są w elektroniczny czujnik ciśnienia wyświetlający, w czasie rzeczywistym, faktyczną wartość ciśnienia zasilania, dodatkowo z zaimplementowanym układem sterowania z pętlą histerezy. W przypadku spadku ciśnienia o 10% od wartości zdefiniowanej zasilacz automatycznie uzupełnia ten ubytek; w przypadku trudności w uzupełnieniu ciśnienia (np. wyrwany przewód hydrauliczny w przyrządzie) i spadku o 15% lub więcej od wartości nominalnej zasilacz natychmiast generuje sygnał zatrzymania awaryjnego do maszyny.

Hydrauliczna, bezprzewodowa kontrola ciśnienia, stosowana w systemach paletowych (odłączonych od zasilacza) działa na podobnej zasadzie, przy czym brak jest możliwości uzupełnienia ubytku ciśnienia. Informacja o wartości ciśnienia przesyłana jest bezprzewodowo z samodzielnej, hermetycznej jednostki nadawczej do odbiornika zintegrowanego ze sterowaniem maszyny (rysunek 2). Na podstawie zdefiniowanych progów następuje decyzja o awaryjnym wyłączeniu maszyny lub np. o wyświetleniu komunikatu ostrzegawczego.

Rysunek 2. Bezprzewodowy nadajnik do kontroli ciśnienia. Tutaj: podłączony do imadła hydraulicznego.

Równolegle lub niezależnie od kontroli hydraulicznej może być stosowana kontrola pneumatyczna lub elektryczna. Wymagane tutaj jest jednak stałe podłączenie przyrządu do zasilania pneumatycznego lub elektrycznego. Kontrola elektryczna polega na odczytywaniu sygnałów z wyłączników krańcowych, przy czym możemy odczytywać sygnał „zamocowano”, „odmocowano” lub oba sygnały – w zależności od wymagań i wersji siłownika.

Rysunek 3. Siłownik blokowy z elektrycznym modułem kontroli położenia tłoka.

Kontrola pneumatyczna polega na odczytaniu spadków i wzrostu ciśnienia powietrza w kanałach pneumatycznych. Wybrane siłowniki mocujące Roemheld wyposażone są w kanały powietrzne, które są otwierane lub zamykane w zależności od położenia ramienia dociskowego lub tłoka. Zamknięcie kanału pneumatycznego możliwe jest tylko w momencie prawidłowego ułożenia ramienia dociskowego lub odpowiedniego położenia tłoka, co jest tożsame z osiągnięciem pozycji mocującej; występujący wówczas wzrost ciśnienia w kanale pneumatycznym oddziałuje na wyłącznik ciśnienia, który generuje sygnał elektryczny zezwalający na obróbkę. Zaletą tego układu jest to, że wszystkie siłowniki mogą być kontrolowane jednym kanałem pneumatycznym, a w momencie odmocowania powietrze może być wykorzystywane dodatkowo do oczyszczania siłowników z wiórów.

Rysunek 4. Kompaktowy siłownik mocujący z widocznym kanałem kontroli zamocowania oraz przykładowy diagram sygnałów.

Przyrządy obróbkowe tworzone są z myślą o wzroście bezpieczeństwa i efektywności wytwarzania. W tym przypadku efektywność można określić, jako synonim frazy „dobrze i szybko”. Szybkość mocowania, która zależy od źródła zasilania. Dobór właściwego zasilacza hydraulicznego pozwoli na pełne wykorzystanie możliwości komponentów mocujących, przy czym należy pamiętać o dopuszczalnym przepływie oleju hydraulicznego dla poszczególnych komponentów:

gdzie: Qzas – max. przepływ medium generowany przez zasilacz, l/min; Qdop – max. dopuszczalny przepływ dla odbiornika, l/min; n – ilość odbiorników (siłowników).

Szybkość mocowania można oszacować ze wzoru:

gdzie: tm – czas mocowania, s; Vs – objętość skokowa siłowników, cm3; Qzas – max. przepływ medium generowany przez zasilacz, cm3/s (1 l/min = ~16,67 cm3/s)

Kolejnym aspektem jest powtarzalność mocowania jest istotna z punktu widzenia minimalizacji błędnie wykonanych detali i ma ogromny wpływ na produkt finalny. Powtarzalność mocowania w dużej mierze zależy od samego detalu – inna będzie przy odlewie z formy piaskowej niż z kokili czy też innych procesów wytwarzania prefabrykatów. Nowoczesne narzędzia inżynierskie, jak np. programy do analiz MES pozwalają badać zachowanie detalu w momencie mocowania i obróbki. Na tej podstawie możemy zweryfikować, z dużą dokładnością, poprawność przyrządu obróbkowego jeszcze w fazie projektowania i przedprodukcyjnej.

Rysunek 5. Etapy analizy detalu. a) – model CAD (odlew), b) – model CAD (zakres obróbki), c) – model dyskretny, d) – mapa przemieszczeń, e) – mapa naprężeń zredukowanych.

W całkowitym rozrachunku niezwykle ważnym aspektem jest ergonomia przyrządu. Szybkość mocowania nie będzie miała znaczenia w przypadku, kiedy operator potrzebuje dodatkowo znacznej ilości czasu na przezbrojenie przyrządu. Projektując przyrząd należy pamiętać o łatwości układania i wstępnego pozycjonowania detali oraz bezpieczeństwie operatora – w trakcie mocowania detal nie może być podtrzymywany ręką…

Żywotność komponentów, a tym samym przyrządu jest czynnikiem, który zazwyczaj jest pomijany, mimo, że jest czynnikiem niezwykle istotnym. Oczywiste jest, że elementy hydrauliczne i mechaniczne zużywają się z biegiem czasu. Większość komponentów Roemheld jest praktycznie bezobsługowa, co nie zmienia faktu, że po pewnej ilości cykli zamocowania (zazwyczaj 200.000…2.000.000 w zależności od typu elementu i parametrów obróbki) komponenty należy poddać regeneracji (wymiana pakietów uszczelnień) lub wymianie. Wskazane jest zatem takie zaprojektowanie przyrządu, aby w sytuacji awaryjnej naprawa była szybka i nieskomplikowana. Zdecydowanym liderem w zakresie szybkiej wymiany są komponenty do zabudowy w płycie i zasilane kanałowo lub przez O-ring – odkręcenie śrub mocujących korpus pozwala na szybką wymianę komponentu, bez konieczności rozłączania hydrauliki.

Rysunek 6. Przykładowe komponenty do zabudowy kanałowej, umożliwiające szybką wymianę całego elementu.

Projektując przyrząd obróbkowy należy zatem mieć na uwadze powyższe, ogólne ale oczywiście nie jedyne wytyczne. Faktem jest, że praktycznie każdy detal charakteryzuje się szczególnymi wymaganiami, które wymuszają poszukiwanie rozwiązań optymalnych i kompromisowych – na szczęście wybór komponentów mocujących jest na tyle duży, że większość detali udaje się zamocować produktami katalogowymi.

Autor: dr inż. Maciej Boldys, Inmet-BTH