VALMISTUSTEKNIIKAN JATKOKURSSI 2006 Koneistettavan kappaleen mallintaminen ja työstön ohjelmointi 1. Mitä mallinnetaan ja miksi? 2-ulotteisen muotoviivan avulla tehtävät muodot kuten taskujen jyrsinnät ja reikien poraukset eivät vaadi valmiin kappaleen mukaisen mallin muodostamista. Niiden ohjelmointiin riittää tavallisen CAD-geometrian luonti niin että työstävän terän liikerata tasossa voidaan määrittää. Poraustyökiertojen määrittämiseen riittää keskiön paikka ja reiän halkaisija (= työkalun halkaisija) ja syvyys. Avarrettavalle suuremmalle reiälle määritellään vastaava työkierto joka tehdään pienemmällä jyrsinterällä. Huomattava osa tavallisimmilla, pysty- ja vaakakaraisilla kolmiakselisilla koneistuskeskuksilla tehtävää työtä ohjelmoidaan siksi samalla periaatteella kuin sorvausta ohjelmoidaan. Näin muodostettavat ohjelmat toimivat enimmäkseen 2½akselisen työstön tyyppisesti: Kahta akselia ajetaan interpoloiden ja kolmannen asentoa korjataan silloin tällöin. Kun halutaan muodostaa muodoltaan monimutkaisempia pintoja, joita työstettäessä ajetaan samanaikaisesti interpoloiden kolmea tai useampaa akselia, työstörata on edellistä tapaa helpompi luoda kappaleen kolmiulotteisen mallin avulla. Mallintamalla kappaleen ympärille aihio tai rajaamalla työstöalue ohjelma saadaan generoimaan automaattisesti rouhinta- ja viimeistelyradat halutulle kappaleen alueelle halutulla pinnan karheudella. Kolmea useampaa liikeakselia ajetaan yhtäaikaa vain erikoistapauksissa ja siihen pystyviä NC-koneita on vielä harvassa. Määrä on kuitenkin lisääntymässä. Kappaleen mallin käyttö mahdollistaa näissä tapauksissa kappaleen pinnan suunnan tunnistamisen ja työkalun asennon määrittämisen suhteessa kappaleen mallin pintaan tai kappaleen koordinaatistoon nähden. Viimeksimainittu menetelmä mahdollistaa kappaleen työstön perä perää eri suunnista jo käytettäessä indeksipöytää vaakakaraisen koneistuskeskuksen neljäntenä liikeakselina, aitoa neliakselisuutta ei välttämättä tarvita. Kappaleen, aihion ja työkalun mallintaminen tekee mahdolliseksi todellista työstöä mallintavan simuloinnin, jolloin testaamaton ohjelma on luotettavammin suoritettavissa ensimmäisellä yrittämällä.
Työkalun itse tekemiä muotoja ei kannata mallintaa. Taskun pohjan reunan pyöristys syntyy helpoimmin tekemällä viimeistelytyökierto sopivalla pallopäisellä terällä. Pientä pyöristystä on turha mallintaa kappaleeseen. Sama pätee puun työstössä käytettäviin erikoismuotoiltuihin teriin, joilla tehdään esimerkiksi levyn reunan pyöristys, koko muoto yhdellä kierrolla, ja teksteihin yms. kuvioihin, jotka piirtyvät kappaleen pintaan, kun työkalu seuraa pinnalle luotua viivamaista työstörataa siten, että työkalun terävä pää ulottuu hieman pinnan sisään. Työstettävän alueen ulkopuolisen aihionosuuden mallintaminen on usein turhaa, samoin mahdollisesti aihion tarkka mallintaminen. Jotta kappaleen paikka koneistuskeskuksessa ja tehtävät koordinaatistonsiirrot tulisivat yksikäsitteisesti määrätyksi, saattaa olla syytä mallintaa koneistuskeskuksen pöydän ja liikeakselien paikka ja tehdä työstön ohjelmointi näin määritettyjen todellisten liikeakselien suuntien ja paikan avulla. Tällä tavalla tehty ohjelmakoodi tosin ei ole kovinkaan siirtokelpoinen koneesta toiseen tai edes samassa koneessa eri paikkaan työalueella. Kun käytössä on enemmän kuin tavalliset kolme suoraviivaista liikeakselia - neljännellä ja mahdollisesti viidennellä liikeakselilla käännellään joko työkalua (robottipää) tai kappaletta (vaakatasossa pyörivä pyörityspöytä, kallistuva puuntyöstökoneen pöytä tai pystytasossa pyörivä pöytä), pyörivien liikeakselien liike muuttaa samalla työkalun kärjen asemaa kappaleen pinnalla suorien liikeakselien suunnassa niin, että mikään pituus- tms. kompensointi tai nollapisteen siirto ei voi sitä korjata. Silloin työstörata on joka tapauksessa sidoksissa kappaleen paikkaan koneessa ja koneen koordinaatistoon ja työstön ohjelmointi koneen omassa koordinaatistossa, oman mallin avulla on järkevää.
2. Useasta suunnasta työstettävän kappaleen mallintaminen ja työstön ohjelmointi Prismamaisiksi nimitetään kappaleita, joita työstetään eri koordinaattiakselien suunnasta. Tällaisia ovat esimerkiksi vaakakaraisissa työstökoneissa eri suunnista työstettävät tornit ja suuret kappaleet. Tavanomaisiin koneenosiin ja muotteihin on usein tarve tehdä työstöjä eri suunnista niin, että ne kohdistuvat oikein suhteessa toisiin muotoihin. Työstön koordinaatiston määrittämisessä kappaleeseen nähden pitää olla huolellinen. X-akselin ja Y-akselin suuntien pitää olla niin päin, että kappale voidaan kääntää ja kiinnittää kussakin työvaiheessa näiden liikeakselien suuntaisesti koneeseen. NC-koodiin liikekäskyt kirjoittuvat valitun koordinaatiston mukaisina, joten työtason koordinaattien täytyy olla oikeinpäin, koneen X-akselin olla työtason X-akselin suuntainen. Työtaso voi olla myös muussa kuin 90 asteen jaolla olevassa suorakulmaisessa tahkopinnassa. Kappaleen käännön ja kiinnittämisen pitää kuitenkin mahdollistaa kappaleen kääntäminen työstöä varten sellaiseen asentoon, että koneen X-, Y- ja Z-akseli ovat työtason vastaavan koordinaatiston mukaiset. Origon, nollapisteen suhteen tilanne ei ole niin tarkka kuin koordinaattiakselien suunnan kanssa on. Nollapisteen paikka voidaan työstökoneelle määritellä tarvittaessa aina uudestaan. Tämä helpottaa eri suunnista tapahtuvien työstöjen ohjelmointia etenkin, jos uuden työtason nollapiste on helposti laskettavissa alkuperäisen asennon perusteella. Asettelulle on eduksi, jos ohjelman nollapiste määräytyy kappaleen selvän reunan tms. mukaan. Ohjelmallinen nollapisteensiirto kuuluu NC-ohjaimien perusominaisuuksiin. Vaakakaraista 4-5 -akselista työstökonetta käytettäessä kääntely voidaan ainakin osaksi tehdä automaattisesti työstökoneen pöytää pyörittäen. Silloin uusi nollapisteen paikka lasketaan pyörityskeskiön paikan ja kappaleen kiinnityspaikan avulla. Jos kappale ja kiinnitys mallinnetaan suoraan oikeaan paikkaan koneeseen, eri suunnista tapahtuvien työstöjen paikat voidaan laskea automaattisesti. Tämä helpottaa asetteen tekoa, jos tiedetään, millä koneella kappale valmistetaan, mutta sitoo kappaleen koneesen eikä tue koneriippumatonta työstön ohjelmointia. Pystykaraisilla koneilla joudutaan irrottamaan kappale ja kiinnittämään se uudelleen. Tässä vaiheessa tarvitaan kappaleeseen selvä reuna tms, joka asettuu kiinnittimeen oikein paikalleen, ja joka määrittää uuden nollapisteen paikan.
Kuva: kappale kiinnitettynä vaakakaraisen työstökoneen pyörityspöytään 3. Kolmiakseliset liikeradat Vaakakaraisella viisiakselisella työstökeskuksella käytetään tarpeen mukaan kolmea, neljää tai viittä liikeakselia, joista työkalua liikutellaan kolmella suoraviivaisella, X-, Y- ja Z- akselilla ja kahdella viimeisellä, B ja C-akselilla käännellään kappaletta Y- akselin ja kääntyneen Z-akselin ympäri. (X-akselin ympäri pyörittävää A-akselia ei tässä koneessa ole, kallistuvalla kehdolla varustetussa koneessa voi olla) Neliakselisella pystykaraisella työstökoneella työkalua liikutellaan kahdella suoraviivaisella liikeakselilla, pöytää ja samalla pöydällä olevaa kappaletta kolmannella ja työkalua tai pöytää kallistetaan yhdellä pyörivällä liikeakselilla. Työkalu voidaan tarvittaessa kiinnittää kulmakaralaatikkoon, jolloin sille voidaan hakea haluttu asento XY-tasossa pyörittämällä sitä Z-akselin ympäri. Kulmakaralaatikon pyöritystä ei ole kuitenkaan tarkoitettu muiden liikeakseleiden kanssa ajettavaksi interpoloivaksi akseliksi vaan leikkuusirkkelin ja levymäisten kappaleiden pääty- ja sivuporausten tekoon. Varsinaiset ajoliikkeet tehdään tälläkin koneella pääasiassa kolmiakselisina ja työkalua kallistetaan tarvittaessa neljännellä.
Jos kappaleen työstö voidaan tehdä yhdestä suunnasta liikutellen työstävää terää kolmen suoraviivaisen X-, Y- ja Z-liikeakselin avulla, yksinkertaiset työstöradat voidaan ohjelmoida kuten tavalliset 2½- ja kolmiakseliset radat kukin työstö kerrallaan omassa paikallisessa koordinaatistossaan. Koordinaatistot määritellään suoraan koneelle sen parametreihin ja valitaan käyttöön haluttu koordinaatisto ohjelman komennolla G54.G59. Näiden paikat suhteessa koneen peruskoordinaatistoon voidaan määrittää myös ohjelmassa G10-komennon avulla. Ohjelmakoodiin kirjoitetaan esim G10 L2 P1 -riville koordinaatiston nollapisteen haluttu paikka koneen liikeakseleihin nähden ja haluttu pyörivien liikeakselien asento ja otetaan koordinaatisto käyttöön komennolla G54. On huomattava, että kunkin paikalliskoordinaatiston X- ja Y- akselin on oltava samansuuntaisia koneen vastaavien akselien kanssa ja työkalu lähestyy kappaletta aina positiivisen Z-akselin suunnasta. Kappaletta pyörittävien liikeakselien B ja C asennot voidaan kirjoittaa halutuiksi oikean asennon saavuttamiseksi. Näiden kiertäminen siirtää kappaletta myös X-, Y- ja Z- suunnassa, mikä on huomioitava. Jos työstöjä halutaan tehdä useammasta suunnasta, työstöradat ja käännöt voidaan tehdä tällä menetelmällä, määritellään kukin työstö erikseen tapahtumaan Z- suunnasta korjataan ohjelmakoodiin työstön haluttu X-, Y-, Z- nollapiste ja B-, C- kiinnitysasento. Kun työstöt koodautuvat suhteessa kappaleen nollapisteeseen, kappaleen paikka koneella on muutettavissa yhtä koodiriviä korjaamalla. Toinen mahdollinen tapa on sijoittaa kappale jo alusta alkaen oikeaan paikkaan koneen koordinaatistoon, jolloin työstöradat voidaan koodata koneen oman koordinaatiston mukaisina. Kappaleen siirto paikasta toiseen on silloin jälkikäteen ongelmallista. Työstöradat siirtyvät, mutta turva- ja pikaliiketasojen määrittelyjen kanssa tulee ongelmia, ne eivät muutu.
4. Työstökoneen käyttö indeksoivasti Indeksoiva käyttö tarkoittaa kappaleen kääntelyä pyörivien liikeakseleiden avulla sopivaan asentoon, minkä jälkeen ajetaan kolmiakselisia työstöratoja pöytien ollessa lukittuina asentoonsa. Tätä menettelytapaa käytetään yleisesti vaakakaraisilla työstökeskuksilla, joissa kappaleet on kiinnitetty pyöritettävään palettiin ja sillä mahdollisesti olevaan kiinnitystorniin ja kappaleisiin tehdään työstöjä yhdestä tai useammasta suunnasta. Käyttötapa tunnetaan myös nimellä Prismatic Machining Työstöradat voivat sisältää työkiertoja ja kaikkia sellaisia liikkeitä, missä työkalun suunta pysyy samana. Työstöradat voidaan tehdä tavallisten 2 ½ - ja 3-akselisten ratojen tapaan yksinkertaisen geometrian avulla. Myös pintoja ja 3-ulotteisia käyriä voidaan työstää käyttäen konetta indeksoivasti, mutta työkalun suunta työstöradalla täytyy pitää kiinteänä. Mahdolliselta kooltaan noin vesiämpärin kokoisia työstettäviä kappaleita voidaan kiinnittää paletille ja pyörittää työstössä B-akselilla Y-akselin ympäri. Tällä menettelytavalla voidaan tehdä kuutiomaiseen kappaleeseen työstöjä neljän tahkopinnan suunnasta ja myös näiden tahkopintojen välisistä kulma-asennoista. Jos työstöt voidaan tehdä indeksoivasti, työstöt ajetaan 3 akselin yhtäaikaisna liikkeinä. Työtason paikka määritellään ohjelmassa työstön koordinaatiston siirrolla koneen koordinaatistoon nähden, mihin sopii hyvin ohjelmakoodin G10 määrittely, joka otetaan käyttöön komennoilla G54 G59. (Myös G52 nollapisteensiirto olisi mahdollinen tapa tehdä tämä siirto) G10-rivi voidaan määrittää koodina tai antaa postprosessorin tehdä määrittely ja käyttöönotto. Sopiva tapa valita työtasojen koordinaatisto neliakselista indeksoivaa työstöä varten on esitetty seuraavassa kuvassa. Jos työstettävä kappale kiinnitetään torniin tai leukoihin, se voidaan työstää kolmesta tahkopinnan suunnasta ja näiden väliasennoista. Jos kiinnitetään suoraan paletille, työstöt on mahdollista tehdä kaikkiaan neljän tahkopinnan suunnasta ja näiden väliasennoista.
Kuva2. Työtasovalinnat neliakselista indeksoivaa ajoa varten. Mikäli työstettäviä tahkopintoja on enemmän tai kappale on pieni, indeksoivat työstöt neljälle tahkopinnalle voidaan tehdä kääntelemällä kappaletta C-akselilla 90 asteen välein antaen B-akselin olla paikallaan asennossa B0. Viides tahkopinta, yläpinta voidaan työstää asennossa B-90 C0. Kaikki muut työstettävät pinnat ovat käännettävissä kohtisuoraan terää vasten asennossa B0 C0, C90, C180 ja C-90. Kunkin tahkopinnan geometriaa tehtäessä työtaso kannattaa määritellä sellaiseksi, että oikeaa asentoa haettaessa C-akselia pyörittäen paikallinen x akseli asettuu vaakasuoraan, työstökoneen X-akselin suuntaiseksi, ja y-akseli pystyyn. Kuva3. Työtasovalinnat viisiakselista indeksoivaa työstöä varten
Kummallakin indeksoivalla työstötavalla työtason x-akseli on siis valittava niin, että kappaletta pyörittämällä se saadaan työstökoneen positiivisen X-akselin suuntaiseksi ja vastaavasti y-akseli on saatava työstökoneen Y-akselin suuntaiseksi. Positiivisen Z-akselin on osoitettava kappaleesta poispäin, jotta terä voi lähestyä kappaletta positiivisen Z-akselin suunnasta. NC-koodiin työstöliikkeet ja pikaliikkeet kirjoitetaan yleisesti kunkin paikallisen koordinaatiston mukaisina X, Y, Z arvoina. Koska kone ajaa ne todellisilla liikeakselillaan, paikallisten koordinaattien on ajohetkellä oltava koneen liikeakselien mukaisessa asennossa.
5. Neli- ja viisiakseliset työstöradat Kun työkalun suunnan on voitava kääntyä työstöradalla pisteestä toiseen siirryttäessä, rata on ohjelmoitava neli- tai viisiakselisena. Tämä tarkoittaa sitä, että työstö on mallinnettava pinnan tai pinnalle projisoidun käyrän avulla. Näin ohjelmoiduille työstöradoille tiedetään työkalun paikan lisäksi työkalun asento, suuntavektori. Pintoihin perustuva työstö tunnetaan yleisesti nimellä Surface Machining Kun kappaletta pyöritetään liikeakseleilla uuteen asentoon, eli käännellään työkalun suuntaa kappaleeseen nähden, suorien liikeakseleiden X-, Y- ja Z-koordinaattiarvoja on myös korjattava jatkuvasti vastaavasti. Työkalun haluttu suunta voidaan usein tavoittaa useammalla kuin yhdellä liikeakselien mahdollisella asennolla, mikä vaikeuttaa hyvän postprosessorin laadintaa ja tekee mahdolliseksi yllättävät liikkeet kesken radan etenkin, kun ylitetään kulmissa 90 asteen jaolla olevia ympyräneljänneksien rajoja. Moniakseliset työstöradat kerrotaan työstökoneelle globaaleina X-, Y-, Z-, B-, C- arvoina, suhteessa määriteltyyn tai koneen ja pyörityspöytien mukaiseen origoon. Siksi moniakseliset radat ovat huonosti siirrettäviä koneelta toiselle. Moniakseliset työstöradat sisältävät lähes pelkästään G1-liikkeitä eli usean liikeakselin samanaikaisia lineaarisia interpolaatioita, hyvin pieniä siirtymiä asentoyhdistelmästä toiseen. Kaaren interpoloinnit muutetaan postprosessorissa lyhyiksi suoriksi liikkeiksi. Ohjelmista tulee siksi aina hyvin pitkiä. (Kaariinterpoloinnit G2 ja G3 tapahtuvat työstökoneilla aina jossakin selvässä tasossa, kahdella akselilla kerrallaan, joskus harvoin kolmella, kuin ruuvipintaa työstäen, ei koskaan kolmea useampaa akselia yhtä aikaa liikuttaen) Neli- tai viisiakselisella pystykaraisella koneella, jossa on kallistuva ns. robottipää, tilanne on helpompi. Koska kappaletta ei käännetä, vaan työkalua kallistetaan neljännellä ja viidennellä liikeakselilla, kappaleen paikka ei muutu työkalun suunnan muuttumisen vuoksi eikä työstöradan seuraavan X-, Y-, Z-koordinaatin arvoa tarvitse korjata työkalun käännön vuoksi. Näin tapahtuu etenkin silloin, kun koneen ohjaus osaa käsitellä työstöradan koordinaattiarvoa työkalun kärjen uutena tavoiteltavana paikkana eikä liikeakselin ohjearvona. Kappaleen nollapisteen paikka on myös helposti muutettavissa. Robottipään heikkoutena vaakakaraiseen koneeseen nähden on pienempi karateho, koska kara on liikkuvassa osassa.