Sedmiosé drátové řezání

Zdánlivě jednoduché zadání se však ukázalo být neřešitelným problémem pro většinu oslovených firem, které na český trh dodávají elektroerozivní obráběcí stroje. Technicky funkční řešení dokázal navrhnout a předvést pouze jediný z účastníků výběrového řízení – společnost Penta Trading.

Zdánlivě jednoduché zadání

Uvedený problém postavila v červnu 2007 před přední české firmy v oboru elektroerozivního obrábění společnost Desko, a. s. (dříve Jablonecké sklárny), když vyhlásila výběrové řízení na nákup nové elektroerozivní drátové řezačky. Základní obecný požadavek na nový stroj byl přitom formulován na první pohled s téměř triviální jednoduchostí: Stroj musí být schopen řezání dílů, kde je požadovaný úhel větší než 45° a během řezu se mění.

Z dalších konkrétních požadavků lze zmínit vybavení stroje dvouosou děličkou s jednou simultánně řízenou osou (Α) s reakcí na jiskrovou mezeru a jednou indexově řízenou osou (Β), která bude řízena přímo ze stroje, a dále najíždění vnitřních tvarů, u kterých nelze použít klasické "ohmatání" hrany drátem, prostřednictvím CCD kamery s přesností 0,003 mm, jež se v praxi velmi často využívá zejména při výrobě tvarově složitých vysoce přesných forem pro výrobu bižuterních polotovarů. CCD kamera měla současně nabízet možnost upnutí a sejmutí ze stroje při zachování referencí (např. 3R). Všechny osy (5+2) měly být řízeny přímo z řídicího systému stroje.

Obtížné řešení

Jako možní dodavatelé stroje byly v prvním kole osloveny všechny přední firmy v oboru elektroerozivního obrábění, které na českém trhu působí. Uspokojivé teoretické řešení dokázaly nabídnout pouze dvě z nich, a sice se stroji značky Fanuc a Charmilles, na nichž měla být demonstrována praktická schopnost stroje vybaveného dvouosou děličkou vyrobit požadované výrobky s řeznými úhly většími než 45°.

O náročnosti a praktické složitosti řešení požadavků společnosti Desko svědčí mimo jiné skutečnost, že od vyhlášení výběrového řízení po předání a nainstalování funkčního stroje uběhlo 18 měsíců. Všem účastníkům výběrového řízení dělalo největší problém především přímé řízení dvouosé děličky přímo ze stroje. Tento problém uspokojivě dokázala vyřešit pouze jediná firma, a to Penta Trading, s. r. o., která od začátku garantovala přímé ovládání ze systému stroje. Ostatní účastníci nabídli pouze kompromisní řešení, kde byla dělička ovládánapřídavným řízením vedle stroje. Dalším „prubířským kamenem“ se stal požadavek na měření a najíždění vnitřních kontur pomocí optického měřicího systému, tj. CCD kamery. Tento požadavek byla ze všech oslovených firem ochotna řešit pouze Penta Trading, která ve spolupráci se společností Neovision vyvinula funkční řešení. Ostatní dodavatelé se ho ani nesnažili navrhnout. V podstatě opět přišli s kompromisem, když navrhli, aby se vnitřní kontury hledaly mimo drátovou řezačku (např. měřicím systémem Zeiss a 3R systémem), což však představovalo dodatečné náklady ve výši 2–3 miliony korun a zvýšené nároky na obsluhu. Všechny výše popsané technické problémy se společnosti Penta Trading podařilo vyřešit mimo jiné proto, že jako jediná firma v oboru v naší republice disponuje vlastním vývojovým a výzkumným střediskem.

Z technického a marketingového hlediska je řešení Penty Trading pozoruhodné tím, že sériový stroj (Fanuc Robocut α-1iD) byl plně přizpůsoben požadavkům zákazníka, a to jak v oblasti hardwaru, tak svým softwarovým vybavením. Technické úpravy provedené na stroji (například dvouosý naklápěcí stůl řízený softwarově ze stroje nebo hardwarové a softwarové řešení pozicování prostřednictvím CCD kamery) jsou tedy zcela jedinečné a doslova „ušité zákazníkovi na míru“. Navíc je lze vzhledem k celkové univerzálnosti řešení v budoucnosti snadno modifikovat a rozšiřovat.

Řezání úhlů větších než 45 stupňů

V případě společnosti Desko bylo pro řezání dílů s úhlem větším než 45° jako řešení zvoleno spojení dvouosé děličky Jauch Schmider a drátové řezačky Fanuc Robocut α-1iD. Výhodou děličky je možnost přesného indexování ve dvou osách, čímž je dosaženo vysoké přesnosti při obrábění dílů s několikanásobným polohováním. Nejmenší krok řezání je přitom 0,001°. Přesnost děličky je díky přídavným enkodérům přímo na ose otáčení zvýšena na ±5 úhlových sekund. Systém stroje navíc umožňuje synchronní obrábění na ose a indexování na ose

Výrobky s úhly většími než 45° lze řezat i přímo elektroerozivní drátovou řezačkou. Aby to však bylo možné, musí být při konstrukci stroje splněno několik důležitých podmínek. Pro řezání vysokých úhlů musí mít především UV hlava potřebný rozjezd, aby mohla vyjet dostatečně daleko z kolmé pozice – konkrétně o něco více, než je tangenta úhlu násobená výškou řezaného kusu. Dalšími důležitými faktory jsou například tuhost mechanické konstrukce pro udržení přesné pozice napnutého drátu, konstrukce diamantových vodítek pro přesné vedení drátu v ohybu včetně nastavených korekcí drátu nebo konstrukce trysek výplachu a práce pod vodní hladinou. Podstatné je také adaptivní řízení jiskry, které je schopné při takovýchto podmínkách udržet stabilní řezání bez trhání drátu, ale s konstantní energií jiskry. Svou roli hraje i stabilní napnutí drátu, které je u dodané drátové řezačky zajištěno pomocí servomotorů, a to jak na straně napnutí, tak na straně odtahu drátu. Důležitý je i správný výpočet korekce průměru drátu pro nakloněný drát.

Připojení CCD kamery

Jedinečnost technického řešení navrženého společností Penta Trading spočívá v tom, že na sériovou elektroerozivní drátovou řezačku Fanuc Robocut α-1iD byly dodatečně nainstalovány nové hardwarové prvky – například řídicí karta pro pět současně interpolovaných os, naklápěcí a rotační osa, CCD kamera s přesností 0,003 mm aj. – a ve spolupráci se společností Neovision byl vyvinut software pro komunikaci CCD kamery (resp. PC, které ji řídí) s drátovou řezačkou. Optický měřicí systém byl použit z toho důvodu, že při řezání úhlů větších než 45° nelze využít standardní pozicování drátem, a proto je nutné najíždět na tvar podle výpočtu pozic vnější kontury.

Vlastní připojení CCD kamery (resp. jakéhokoli externího zařízení) ke stroji není snadnou záležitostí. Moderní CNC řídicí systémy mají pro účely hardwarového rozšíření připraven systém tzv. makroprogramování. Kamera je připojena pomocí rozhraní FireWire do PC, jež komunikuje s drátovou řezačkou prostřednictvím lokální sítě LAN. Ovládací program pro obsluhu kamery byl napsán přes speciální knihovnu rozhraní, kterou firma Fanuc ve svých řídicích systémech -série podporuje. Přes toto síťové rozhraní se několikrát za sekundu ovládací program kamery dotazuje stroje na stav systému, pozice a další potřebné údaje. Na tyto podněty a režimy pak program reaguje a své výsledky zapisuje zpět do definovaných parametrů ve stroji. Výsledkem je, že obsluha stroje nemusí vůbec nic přepisovat ručně, ale pouze nastaví vstupní podmínky měření (průměr měřeného otvoru, rozestup, průměr rolny apod.). V případě vyřezávání složitějších tvarů, jako jsou např. kaplíky, se provede nejprve jejich měření v řadě, určí se přesně středy otvorů a úhel natočení. Program pak pokračuje jejich vyřezáním dle předem zadané kontury a nastavené technologie. Po ukončení dojde k opětovnému změření vyřezaných otvorů a vytvoření měřicího protokolu. A to vše pouhým zadáním jednoho kódu! Tím je navíc zajištěna opakovatelnost výroby a je vyloučena chyba obsluhy chybným přepisem hodnoty. Obsluha přitom PC, které řídí CCD kameru, nemusí ovládat ani myší ani klávesnicí, neboť všechna potřebná data jsou zadávána prostřednictvím maker stroje Fanuc.

Výhodou tohoto řešení je jeho univerzálnost a snadná rozšiřitelnost. Díky otevřené koncepci nic nebrání tomu, aby byly zadávány požadavky i na výpočet složitějších tvarů, než jsou kruhové.

Dvouosý stůl řízený ze stroje

Zcela novým technickým řešením, jež bylo vyvinuto na základě požadavků společnosti Desko, je ze stroje softwarově řízený dvouosý stůl. To bylo umožněno díky tomu, že řídicí systém drátové řezačky Fanuc α-iD je postaven na platformě Fanuc 30i, která je schopna řídit až deset servomotorů. Stroj bylo nutné dále dovybavit interpolační kartou pro pětiosé obrábění a přidat moduly pro řízení os (servozesilovače). Posílen byl také výkon zdroje servosystému zvýšením rekuperačního rezistoru pro případ náhlého zastavení všech os. Protože rotační stůl obsahuje přímé odměřování, bylo nutné stroj vybavit ještě jednotkou pro přímé odměřování.

Praktické využití řezačky

S takto vybaveným strojem budou v Desku vyráběny nejen tvarově složité vysoce přesné formy pro výrobu bižuterních polotovarů, ale počítá se také s jeho využitím při kooperacích. Drátová řezačka Fanuc Robocut α-1iD tak určitě nalezne uplatnění i při výrobě nástrojů z tvrdokovu nebo speciálních strojních dílů, kde novou technologií na drátové řezačce lze nahradit tvarové broušení a pětiosé obrábění.

Václav Klain

Penta Trading

www.penta-edm.cz

vaclav.klain @botticelli.cz