CNC-maskin

CNC (computer numerical control) används inom verkstadsbearbetning runt om i världen. På Scania används bearbetningsmaskinerna för att svarva, fräsa och borra detaljer som kommer från bland annat gjuteriet. Anledningen till varför CNC-maskiner är ett populärt val inom bearbetande företag är för att de minskar manuellt arbete. Detta innebär att produktionen blir mer effektiv både tidsmässigt och kvalitetsmässigt samt att maskinerna kan jobba 24 timmar om dygnet utan att behöva raster. Kvaliteten på maskinens arbete är hög och de kan programmeras till att hålla extremt noggranna toleranser vilket inte vore möjligt för en människa att göra [29].

3.8.1 Maskinella delar

En CNC-maskin är uppbyggd med både maskinella delar samt elektroniska delar. De maskinella delarna bygger upp hur noggrann bearbetningen kan vara medan de elektroniska delarna utför styrningen som får maskinen att utföra de önskade bearbetningen.

3.8.1.1 Servomotor

För att kunna utföra bearbetningen i material i olika hastigheter så används en servomotor. De två vanliga typer av servomotorer som används för CNC-maskiner är DC- och AC-motorer. DC-motorer (likströmsmotor) användes mestadels under 1970 - 80-talet. Efter 1980-talet så började användningen av AC-motorer (växelströmsmotor) att öka och idag är det den vanligaste typen av servomotorer i de industriella

maskinerna. Fördelarna med att använda AC motorer är [29]:

• Hög bearbetningsprestanda

• Högre acceleration och inbromsning

• Högre tillgänglighet

• Underhållsfria

• Lätta att installera

Genom dessa förbättringar genom åren har maskinernas servomotorer blivit mycket mer pålitliga och högre prestanda vilket resulterar i en högre tillgänglighet för maskinen samt en bättre bearbetning [29].

3.8.1.2 Drivning

I de CNC-maskiner som finns på cylinderhuvudlinjen finns det tre olika axlar maskinen kan röra sig i. Axlarna kallas för X-, Y- och Z-led och de skapar ett koordinatsystem så att maskinen kan bearbeta hela detaljer. För att kunna transportera verktyget till den angivna koordinaten så måste maskinen kunna röra sig i dessa tre olika led.

Förflyttningen sker via en kulskruv och linjärstyrning med hjälp utav servomotorn [29].

3.8.1.3 Kulskruvar

Kulskruven är den del utav en verktygsmaskin som omvandlar motorns rotationsrörelse till en linjär rörelse genom en gängad axel och en mutter. Att kulskruven som utför arbetet är i gott skick är väsentligt för att maskinerna ska kunna utföra operationerna med utlovad noggrannhet.

En kulskruv består utav en lång gängad axel som är slipad till en hög noggrannhet för att minska friktionen och där med slitaget när muttern rör sig fram och tillbaka under bearbetning. Muttern som är den del utav kulskruven som är mest komplex är en mutter som går över den gängade axeln. Muttern är en frigående enhet med varierande antal små kullager beroende av storlek och noggrannhet på kulskruven som rullar längst med gängorna i axeln och sedan igenom muttern så att de hamnar längst upp i muttern igen.

Genom att kullagren i mutter går i en sluten krets innebär det att muttern enkelt kan rulla ner för gängorna (Se figur 17). [29]

Figur 17. Kulskruv. [29]

Anledningen till varför det är populärt att använda kulskruvar till drivningen i CNC maskiner är på grund utav effektiviteten i kraftöverföringen och noggrannheten de kan generera. Effektiviteten i kraftöverföringen för en kulskruv är runt 90 procent medans effektiviteten i traditionella system som t.ex. remdrivning är runt 50 procent. Genom att ha en bättre kraftöverföring i form utav kulskruv som drivning i maskinen så krävs det mindre kraft. Kulskruven har även hög precision i positioneringen vilket är viktigt för att kunna hålla de noggranna toleranserna detaljen som bearbetas i maskinen. [29]

Nackdelarna med att använda kulskruv för drivningen är att den är känsliga för

kontaminering då detta kan komma in vid kullagren i muttern vilket ökar förslitningen.

Utöver det så kräver kulskruven smörjning för att minska friktionen inuti muttern.

Förslitningen av en kulskruv bildas av friktionen mellan kullagren och gängan. När en kulskruv är ny så är de förspända vilket innebär att det är ett negativt glapp i muttern.

Förspänningen skapas via att kulan inte ligger i mitten av gängan på de olika sidorna så att det bildas en spänning mellan toppen och botten av muttern. (Se figur 18) [29]

Figur 18. Förspänning i kulskruv. [29]

När kulskruven körs fram och tillbaka i maskinen så bildas friktion vid kullagren. Över tid slits dessa kulor och gängan ner och förspänningen minskar tills det uppstår ett glapp i kulskruven. När glappet uppstår så kommer inte maskinen klara av att hålla de toleranser som krävs för att detaljen ska vara godkänd. På Cylinderhuvudlinjen tolereras ett glapp på 0,030–0,050 mm men om glappet överstiger det så kommer maskinen ej kunna hålla de toleranser som är uppsatta [1].

3.8.1.4 Linjärstyrning

Linjärstyrningen används i en maskin för att guida det kulskruven flyttar i en linjär rörelse. I en CNC-maskin är det viktigt att de olika axlarna är 90 grader mellan varandra så att resultatet på den bearbetade produkten håller de krav och toleranser uppsatta av tillverkaren.

En linjärstyrning består utav en guideskena där en löpvagn gör linjära rörelser fram och tillbaka. Guideskenan är den del som bestämmer hur CNC-maskinen förflyttar sig i X-, Y- och Z-led och vid installation är det hög noggrannhet så att alla axlar är 90 grader mot varandra så att bearbetningen blir så precis som tillverkaren vill ha. Inuti löpvagnen sitter det lagerrullar som för löpvagnen framåt på guideskenan. När löpvagnen rör sig fram och tillbaka på guideskenan så åker rullarna runt inuti löpvagnen (liknande

koncept som på kulskruv) så kommer de rulla tillbaka till början igen då det är ett slutet cirkulärt system. (Se figur 19) [30]

Figur 19. Linjärstyrning. [29]

Anledningen till varför rullar används i linjärstyrning istället för kulor är för att

kontakten mellan rullarna och guideskenan är högre än vad den vore om kulor används.

Det innebär att trycket på guideskenans yta minskar vilket leder till att linjärstyrningen håller längre och kan hantera en tyngre last. Att använda linjärstyrning innebär en hög noggrannhet vilket är viktigt för bearbetningen för att få ett noggrant resultat.

När maskinen kör bearbetningsprogrammet så utförs samma moment gång på gång.

Detta leder till att maskinen alltid vänder vid samma ställe på linjärstyrningen. Det är ett problem då det skapas små gropar precis i vändningen vilket innebär att maskinen kan börja vibrera och ytfinheten på detaljen blir sämre än för vad som är acceptabelt. [29]

3.8.1.5 Verktygsmagasin

Det finns olika typer av CNC-maskiner, fleroperationsmaskiner och maskiner som bara utför ett moment. I maskinerna som enbart utför ett moment sitter det oftast ett verktyg i spindeln. I fleroperationsmaskiner så sitter det ett verktygsmagasin som automatiskt kan byta till de verktyg som är aktuellt för den operationen som ska utföras. I ett

verktygsmagasin kan det t.ex. sitta mellan 12 upp till flera hundra verktyg vilket innebär att alla verktyg som kommer behövas vid bearbetningen av en detalj finns i maskinen.

Det innebär att maskinen aldrig behöver stanna för att byta verktyg vilket är tidseffektivt [29].

3.8.1.6 Spindel

Spindelns jobb i en CNC-maskin är att hålla och rotera detaljen eller verktyget som används vid bearbetningen. Om det t.ex. är en CNC-fräs så är det spindeln som håller i och snurrar verktyget medans detaljen sitter fast i en fixtur eller skruvstycke. Om det är en CNC-svarv så är det spindeln som roterar detaljen i önskad hastighet och verktyget som vanligtvis står still [29].

3.8.2 Elektroniska delar

Programmet i en CNC-maskin är det som får maskinen att utföra rörelserna som programmeraren vill utföra. För att kunna skapa ett program till en CNC-maskin så måste det skapas en visuell bild av hur maskinen ska utföra jobbet, med vilket verktyg och i vilken hastighet. Genom att ha en visuell bild så skapas ett optimalt program med så lite tidssvinn som möjligt. CNC-systemet skickar signaler till maskinens servomotorer utifrån vad det står i programmet så att maskinen utför de önskade rörelserna. En pulsgivare mäter hur långt kulskruven har fört verktyget i de olika axlarna och skickar signaler tillbaka till CNC-systemet som jämför distansen med den distans som är skriven i programmet tills de stämmer överens och stannar servomotorerna. (Se figur 20) [29]

Figur 20. CNC-maskins elektroniska uppbyggnad. [29]

3.8.2.1 Pulsgivare

För att mäta distansen maskinens verktyg har rört sig används en pulsgivare. En

pulsgivare kan se ut som en rund glasskiva som har en lysdiod som lyser igenom skivan som räknar pulser per varv. En pulsgivare kan ha upp mot 16 000 000 pulser/varv [31]

vilket innebär att maskinen har en hög noggrannhet. Om t.ex. programmet säger att verktyget ska färdas 50 mm i X-led så skulle CNC-systemet omvandla detta till pulser för varje mikrometer som den ska färdas. Om den ska färdas 50 mm innebär detta att CNC-systemet omvandlar detta till en signal med 50 000 pulser. När maskinen börjar röra sig så jämför CNC-systemet kontinuerligt antalet pulser som maskinen har rört sig med de antal som skickades ut för att veta när maskinen ska stanna. Genom att använda dessa pulsgivare innebär det att maskinerna kan utföra preciserade mått vilket är fördelaktigt för företag som arbetar med noggranna bearbetningar. [29]

3.8.2.2 CNC-system

CNC-systemet är uppbyggt med hjälp utav PLC (Programmerbart styrsystem) och NC (Numerisk kontroll). En PLC:s funktion i en CNC-maskin är att utföra knapptryckningar ifrån maskinens HMI (Human-Machine Interface) som t.ex. öppna och stänga ventiler eller sätta av och på kylvatten. NC:s uppgift i maskinen är att styra axlarna med hjälp