W dobie cyfryzacji przemysłu obróbka detalu bardziej niż kiedykolwiek wymaga rozwiązań systemowych, tj. takich, które nie tylko szłyby w parze z ową cyfryzacją, ale także zapewniałyby krajom wysoko rozwiniętym, a tym samym i mało konkurencyjnym pod względem kosztów pracy, możliwość konkurowania na rynkach międzynarodowych.

Szansę taką oferują centra obróbcze CNC, które – stworzone z myślą o produkcji seryjnej – jak żadne inne umożliwiają redukcję kosztów wytwarzania, skrócenie czasu obróbki i realizacji zleceń, a przede wszystkim wzrost dokładności i precyzji na niespotykanym dotąd poziomie. To wystarczyło, aby zapewnić im spektakularny sukces na rynku – sukces, który, zapoczątkowany jeszcze w latach 70. XX w., niezmiennie trwa do dziś. Przez ostatnie pół wieku postęp w zakresie budowy obrabiarek CNC szedł w parze z automatyzacją przemysłu i dziś dzięki postępującej cyfryzacji maszyny te są coraz częściej włączane w elastyczne modele organizacji produkcji.

Aby jednak móc w pełni wykorzystać ich potencjał, trzeba wypracować taki model ich automatyzacji, który byłby jednocześnie uniwersalny i całościowy, tj. wykraczałby poza poszczególne metody obróbki CNC, optymalnie łącząc ze sobą wszystkie technologie i procesy realizowane przez dane centrum obróbcze. Obrabiarki CNC są bowiem przykładem technicznej syntezy różnych sztuk i jako takie wymagają całościowego potraktowania.

Idealnie zestrojone komponenty

Przykładem takiego podejścia jest strategia rozwijana przez firmę Ferrocontrol, która od ponad 40 lat specjalizuje się w automatyzacji centrów obróbczych wykorzystywanych m.in. w produkcji prętów, okien, rozdzielnic elektrycznych czy mebli. Oferowane przez nią komponenty systemów automatyki cechują się zarówno uniwersalnością zastosowań, jak i pełną kompatybilnością działania, dzięki czemu stanowią bazę do budowy wszechstronnych rozwiązań systemowych. Do najważniejszych z nich należą:
    • skalowalne komputery przemysłowe i dotykowe panele operatorskie,
    • pakiety HMI dedykowane centrom obróbczym, zintegrowane z systemami CAD/CAM i oprogramowaniem do planowania produkcji,
    • sterowniki CNC, PLC oraz kontrolery ruchu z możliwością sterowania nawet 32 osiami CNC,
    • wielokanałowe interfejsy obsługujące do 8 kanałów CNC, np. w celu równoległej obróbki z użyciem dwóch narzędzi,
    • nawet 64 osie ruchu i CNC z możliwością ich swobodnego łączenia
    • skalowalny system I/O pracujący w sieci EtherCAT do realizacji zadań w czasie rzeczywistym,
    • zintegrowane funkcje bezpieczeństwa do poziomu SIL3,
    • serworegulatory i serwosilniki, w tym dynamiczne napędy wrzeciona,
    • system KERS (Kinetic Energy Recovery System – system odzysku energii kinetycznej) zapewniający wysoką efektywność energetyczną układu przeniesienia napędu,
    • w pełni zintegrowane funkcje widzenia maszynowego,
    • wydajny system MMS (Machine Management System) umożliwiający cyfrową komunikację między kilkoma centrami obróbczymi, np. za pośrednictwem protokołów OPC-UA lub MQTT. 

W systemie oferowanym przez Ferrocontrol poszczególne komponenty porozumiewają się ze sobą za pomocą popularnych protokołów sieci EtherCAT i CAN-open. Zaś programowanie sterownika PLC i funkcji bezpieczeństwa realizowane jest w środowisku programistycznym Codesys umożliwiającym efektywne projektowanie aplikacji w języku obiektowym z uwzględnieniem międzynarodowych standardów oraz normy IEC61131-3.

Programowanie obiektowe zostało tu zastosowane nieprzypadkowo: dzięki funkcjom dziedziczenia, enkapsulacji i ponownego użycia kodu umożliwia ono znaczne ograniczenie nakładów na projektowanie, testowanie i konserwację oprogramowania, co ma szczególne znaczenie w przypadku maszyn dostępnych w kilku wariantach. Aby zaprogramować standardowe funkcje obrabiarki, wystarczy sięgnąć po gotowe bloki PLC zawierające predefiniowane cykle obróbcze, co znacznie przyspiesza projektowanie i ogranicza nakłady na testowanie maszyny. Zaś do konfiguracji, nastawy i optymalizacji ruchu osi zastosowano profesjonalne narzędzia programistyczne umożliwiające szybkie i bezpieczne uruchomienie obrabiarki.

Wsparcie od koncepcji po produkcję

Odpowiednie komponenty to jednak nie wszystko: równie istotna jest fachowa i – co najważniejsze – kompleksowa pomoc ze strony ich dostawcy, która powinna obejmować  całość prac nad automatyzacją obrabiarki – począwszy od jej zaprojektowania po produkcję seryjną. Zadanie to realizuje specjalnie do tego celu powołany zespół wdrożeniowy, który aktywnie uczestniczy w rozwijaniu koncepcji centrum obróbczego, aby na tej podstawie opracować i dostarczyć klientowi wszystkie niezbędne środki automatyki i szafy sterownicze (łącznie z okablowaniem) – skonfigurowane i wstępnie sparametryzowane pod konkretną aplikację. Przykładem mogą być komputery przemysłowe firmy Ferrocontrol, dostarczane w wykonaniu i z oprogramowaniem stricte dopasowanym do potrzeb klienta, a jednocześnie wyposażone w łatwą w montażu obudowę umożliwiającą szybką instalację i uruchomienie urządzenia.

Tego typu szeroko zakrojone usługi – od pomocy przy uruchomieniu prototypu po drugą linię wsparcia – stanowią dla producenta maszyny gwarancję długotrwałego partnerstwa. Dowodem na to może być wieloletnia współpraca firmy Ferrocontrol ze światowymi producentami centrów do obróbki aluminium, metali, drewna, tworzyw sztucznych, kompozytów czy szkła i ceramiki.

Jakie funkcje powinno mieć nowoczesne centrum obróbcze? Teoretycznie nie jest ono niczym innym jak obrabiarką sterowaną numerycznie wyposażoną w magazyn i zmieniarkę narzędzi. To jednak nie wszystko: współczesne maszyny CNC nierzadko dysponują również automatycznym podajnikiem detali, zaś sam komponent może być obrabiany z każdej strony w jednym mocowaniu z wykorzystaniem różnych metod obróbki, w tym m.in. wiercenia, gwintowania, frezowania, cięcia i szlifowania, ale coraz częściej także np. znakowania czy hartowania laserowego. Obróbka złożonych detali w jednym mocowaniu ma tu szereg zalet, wśród których na pierwsze miejsce wysuwają się krótkie czasy cyklu, brak konieczności przezbrajania, prostszy system mocowania, a także wyższa i bardziej powtarzalna dokładność dzięki niezmiennej pozycji detalu. Efekt? Wyższa jakość i niższe koszty produkcji.

Ruch wrzeciona pod kontrolą

Sercem każdego centrum obróbczego CNC jest ruchome wrzeciono narzędziowe napędzane silnikiem elektrycznym. Niekiedy w napędach takich wciąż jeszcze wykorzystuje się przemienniki częstotliwości. Taka praktyka ma jednak zasadniczą wadę: jeśli narzędzie nie pracuje, a tym samym nie wymaga podania określonego momentu obrotowego, napęd generuje wysokie straty energii, oddając ją do atmosfery w postaci ciepła. Jest to nie tylko nieefektywne ekonomicznie i ekologicznie, ale także znacznie skraca żywotność napędu.

Alternatywą jest zastosowanie systemu sterującego pracą wrzeciona w całym zakresie momentu obrotowego, tak że silnik zasilany jest wyłącznie taką ilością energii, jaka w danym momencie jest rzeczywiście potrzebna. Możliwość taką oferuje m.in. serwonapęd E-Darc C firmy Ferrocontrol wyposażony w bezpośrednio programowalną macierz bramek (Field Programmable Gate Array) i przystosowany do pracy z silnikami synchronicznymi i asynchronicznymi o liczbie obrotów do 20 000 min–1. Jego zastosowanie ma szereg zalet: ogranicza zużycie wrzeciona, zmniejsza ilość wykorzystywanej przez nie energii, a także automatycznie wyrównuje odchyłki liczby obrotów spowodowane skokową zmianą obciążenia, dzięki czemu ogranicza wpływ różnic w grubości materiału i prędkości posuwu na końcową jakość obróbki. Ma to szczególne znaczenie w przypadku wrzecion wysokiej częstotliwości: umożliwia bowiem znaczną poprawę jakości obrabianej powierzchni, a tym samym ogranicza konieczność ręcznych poprawek.

Szybka wymiana narzędzi

Jak wspomniano, integralnym elementem centrum obróbczego jest także automatyczna zmieniarka narzędzi umożliwiająca szybką wymianę narzędzia obróbczego na wrzecionie. Zintegrowana z magazynem narzędziowym, umożliwia skrócenie czasu przezbrojenia obrabiarki nawet poniżej 2 sekund, a tym samym sprawną realizację nawet złożonych cykli obróbczych składających się z wielu następujących po sobie etapów. Cykle te można zoptymalizować także z wykorzystaniem profesjonalnych narzędzi dostępnych w pakiecie HMI, w tym funkcji kalkulacji czasu realizacji procesu, która pozwala nie tylko precyzyjnie określić długość obróbki, ale także na tej podstawie obliczyć koszty tego procesu. Zadanie to można jeszcze wygodniej zrealizować z wykorzystaniem systemu MMS (Machine Management System) dysponującego całym szeregiem funkcji do digitalizacji hali produkcyjnej, w tym stworzenia cyfrowego bliźniaka danej aplikacji.

Wymianę narzędzi można dodatkowo skorelować z napędem wrzeciona, np. z zastosowaniem funkcji inteligentnego zarządzania zestawami parametrów, która umożliwia zapisanie nawet 16 zbiorów danych dotyczących określonego narzędzia, w tym parametrów opisujących jego geometrię. Tego typu parametryzacja napędu wrzeciona  ma istotny wpływ na dynamikę jego pracy i całkowite zużycie energii. Dlaczego? Narzędzia mogą mieć bardzo różną masę i kształt (wystarczy porównać tarczę tnącą, gwintownik, wiertło i frez), a tym samym i odmienny wpływ na pracę napędu. Różnice te można zniwelować właśnie dzięki wykorzystaniu predefiniowanych zestawów parametrów optymalnie dobranych dla konkretnego narzędzia.

To jednak nie wszystko: funkcje dostępne w systemie sterowania obrabiarki można wykorzystać także do automatyzacji procesów załadunku i wyładunku detali. Np. oprogramowanie firmy Ferrocontrol – zintegrowane ze stołem obrotowym lub paletyzatorem – pozwala na załadunek i odbiór komponentów bez wstrzymywania pracy maszyny. Dzięki temu procesy obróbki i transportu realizowane są równolegle: podczas gdy jeden detal jest obrabiany, drugi już czeka w blokach startowych.

Pełny zestaw funkcji

Automatyzacja każdego centrum obróbczego CNC – zarówno tego wyposażonego w trzy, jak i pięć osi – jest potężnym przedsięwzięciem wymagającym dostępu do całego pakietu narzędzi i funkcjonalności. W przypadku firmy Ferrocontrol pakiet taki obejmuje całościowy zestaw komponentów, które można swobodnie łączyć ze sobą na zasadzie modułów. Co ważne, każdy z nich jest w pełni kompatybilny z pozostałymi, dzięki czemu zakres ich konfiguracji jest niemal nieograniczony. Ich lista jest imponująca i zawiera m.in. sterowniki i napędy, panele operatorskie z dotykowym ekranem HMI, a nawet komponenty bezpieczeństwa przystosowane do bezprzewodowej integracji z obrabiarką.