Jak wybrać profesjonalną maszynę CNC?

Maszyny profesjonalne powinny pozwolić wytworzyć produkt, który można sprzedać za kwotę przekraczającą koszt jego wytworzenia. Na koszt wytworzenia składa się cena materiału wraz z odpadami i brakami, koszt amortyzacji obrabiarki, koszt energii elektrycznej, koszt pracy osoby obsługującej maszynę, koszt przygotowania technologii i programów obróbkowych, koszt narzędzi skrawających.

Tymczasem maszyny amatorskie ze względu na konstrukcję, materiały z których są wykonane, możliwości systemu sterowania i szeroko rozumianą wydajność, nie nadają się do osiągania zysków. Są one wielokrotnie tańsze niż maszyny profesjonalne. Są to maszyny doskonałe do zabawy, dla modelarza, który wykonuje hobbystycznie modele samolotów, okrętów itp. - czyli tam, gdzie czas obróbki nie ma istotnego znaczenia. Podkreślmy, że najczęściej czasy obróbki tego samego detalu na maszynie profesjonalnej i amatorskiej różnią się nie o kilkadziesiąt procent, tylko kilkadziesiąt razy! Tymczasem prawie wszystkie czynniki odpowiadające za koszt wytworzenia danego detalu zależą czasu obróbki, przez co przekłada się on wprost na opłacalność

Jak zatem odróżnić maszynę profesjonalna od amatorskiej? Nie zawsze cena jest czynnikiem decydującym, ponieważ niektóre z firm, szczególnie te o znanej marce, produkują maszyny amatorskie, które nie kosztują wcale mało. Również opinie sprzedawcy bywają mało obiektywne. Dlatego możliwości interesującej nas maszyny należy poznać dokładnie przed jej zakupem.

Najlepiej zacząć od wizyty w firmie oferującej wybraną maszynę. Najlepiej jeśli pojedziemy do producenta, ponieważ oprócz demonstracji, będziemy mogli ocenić jak, w jakich warunkach i na jakim sprzęcie odbywa się produkcja. Firmy handlowe zazwyczaj oferują obejrzenie maszyny u klienta, przez co prośby o demonstrację możliwości maszyny podczas jej pracy często bywają krępujące. W tej sytuacji kupujący często przyjmuje, że maszyna poprawnie wykonuje interesującą go obróbkę, co nie oznacza, że tak rzeczywiście będzie. Podczas pokazu u producenta najczęściej można bardziej pogrymasić, ponieważ wtedy obu stronom zależy na transakcji.

Oglądając maszynę należy zwrócić uwagę na następujące szczegóły:

1. Profesjonalna maszyna powinna być wykonana na bazie konstrukcji stalowej zawierającej jak najmniej elementów łączących (śruby, zaciski, wkręty) itp. Przestrzenna konstrukcja zamknięta musi zapewniać wysoką sztywność. Profile aluminiowe połączone za pomocą elementów skręcanych są najczęściej mało stabilne, podatne na odkształcenia i już podczas transportu maszyna może stracić geometrię ponieważ wszystkie elementy trzymają się za pomocą tarcia.


2. Przywiezienie maszyny w częściach i składanie jej u klienta to zupełne nieporozumienie. Idealnie jest gdy maszyna jest złożona z jak najmniejszej ilości części, tzn. rama maszyny to monolit, a brama jest jedną nie rozbieralną częścią. Co prawda wymusza to na producencie posiadanie ogromnych obrabiarek pozwalających obrobić tak duże elementy w jednym zamocowaniu, lecz tylko wtedy użytkownik ma gwarancję, że urządzenie przez wiele lat zachowa poprawną geometrię.


3. Elementy poruszające się wzajemnie powinny być pozbawione elementów ślizgowych na rzecz ułożyskowania tocznego. Zapewnia to wieloletnią pracę bez konieczności wymiany elementów narażonych na wycieranie. Każda oś powinna być ułożyskowana na co najmniej dwóch prowadnicach i czterech wózkach.


4. Przełożenie napędu z obrotowego na liniowy powinno być zrealizowane za pomocą śrub kulowych. W przypadku napędu ruchomej bramy musi ona być napędzana dwoma śrubami kulowymi i to zsynchronizowanymi w celu utrzymania poprawnej prostopadłości osi! Jest to bardzo ważne, ponieważ w przeciwnym wypadku brama ma bardzo małą sztywność skrętną. Śruby kulowe są precyzyjnymi przekładniami tocznymi i w związku z tym należy je chronić przed kurzem, wiórami, pyłem powstającym podczas obróbki. Obowiązkowo należy stosować osłony zabezpieczające śruby kulowe narażone na bezpośredni kontakt z zanieczyszczeniami.


5. Maszyna musi ważyć. Jeśli jesteśmy w stanie ludzką siłą podnieść maszynę z którejkolwiek strony, to oprócz maszyn typu desktop CNC, jest to najprawdopodobniej zabawka. Maszyny przemysłowe ważą po kilka ton.


6. Spośród napędów najlepsze są serwonapędy cyfrowe pracujące w systemie DPC (Direct Position Control), które charakteryzują się dużą dokładnością ruchu w stanach dynamicznych. Pamiętajmy, że dokładności maszyny są zazwyczaj podawane w stanach statycznych, co nie pozwala ocenić faktycznej dokładności obróbki. Maszyny napędzane serwosilnikami powinny osiągać prędkości od 300 mm/s w górę. Silniki krokowe nie powinny być zazwyczaj stosowane w urządzeniach profesjonalnych. Jest to dopuszczalne w lżejszych maszynach pod warunkiem zastosowania dobrze dobranych silników ze sterownikami oraz zastosowania systemu tłumienia rezonansów. Powinny one osiągać prędkość 100-150 mm/s.


7. Dobry system sterowania to połowa sukcesu. Szybkość rozwoju tego segmentu rynku powoduje, że kilkuletnie maszyny znanych marek będące w doskonałym stanie technicznym, stwarzają problemy związane z przestarzałym systemem sterowania. Dlatego bardzo ważna jest możliwość dokonywanie w przyszłości uaktualnień systemu.


8. Szybkość systemu sterowania określa zdolność do przetwarzania danej liczby bloków programu w jednostce czasu. Szybkość przetwarzania istotna jest przede wszystkim w pracach, w których występują skomplikowane kształty, a takie na maszynach CNC obrabiamy najczęściej. Istotna okazuje się tu także możliwość analizowania więcej niż jednego bloku programu na raz. Dzięki temu jesteśmy w stanie tak dostosowywać prędkości w węzłach pomiędzy wektorami, że w przypadku niewielkich kątów pomiędzy nimi, możliwe jest pokonywanie ich z większą niż zerowa prędkością. Taki sposób działania interpolatora nazywamy "Dynamiczną Analizą Wektorów".


9. Z pracą interpolatora wiąże się kolejny aspekt działania systemu sterowania. Po pierwsze komputer PC nie nadaje się do bezpośredniej interpolacji ruchów dla maszyn CNC, ponieważ nie ma w swoich zasobach sprzętowych precyzyjnego timera, który mógłby być podstawą czasu dla interpolatora. Poza tym większość systemów operacyjnych takich jak Windows i Linux nie są systemami czasu rzeczywistego, co oznacza, że impulsy generowane bezpośrednio przez PC-ta np. na port drukarki mogą mieć opóźnienia o nieokreślonej wartości. To powoduje że ruchy generowane w ten sposób zawsze będą miały bardzo niską jakość (drgania, wibracje, szarpanie). Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie interpolatora sprzętowego działającego na zupełnie innym procesorze. Najczęściej są to bardzo szybkie procesory DSP. W takim przypadku komputer służy tylko jako interfejs użytkownika, a nie interpolator. Aby komunikacja pomiędzy tymi dwoma częściami systemu odbywała się w czasie rzeczywistym, muszą one być połączone bardzo szybką magistralą danych. Rozwiązania typu port szeregowy, równoległy, czy USB do tego się nie nadają. Do dyspozycji pozostaje tylko ethernet i to najczęściej na zmodyfikowanej warstwie transportowej.


10. Dobry system sterowania powinien umożliwiać płynną regulacje prędkości posuwu maszyny - od zera do prędkości zadanej. Powinien również umożliwiać automatyczne generowanie ścieżki narzędzia na podstawie rysunków w formacie *.dxf, itp. z uwzględnieniem korekcji średnicy narzędzia, wybierania kieszeni, wykrywania wysp i wiercenia otworów. Dobrze jest również, gdy system potrafi wyświetlać na ekranie wszystkie dane dotyczące obróbki wraz z wizualizacją postępu pracy w czasie rzeczywistym.

Aby zorientować się w możliwościach maszyny, należy przede wszystkim wykonać obróbki testowe. Należy poprosić o wykonanie kilku figur geometrycznych (kwadrat, trójkąt, koło, elipsa) o wielkości 100 mm i grubości 5-8 mm, z prędkością co najmniej 50 mm/s, w materiałach co najmniej tak twardych jak te, które chcemy na tej maszynie obrabiać.

• Najpierw wycinamy kwadrat, oglądamy przede wszystkim rogi. Powinny być proste i ostre, róg nie powinien być zaokrąglony, nie powinny być widoczne pofalowania w pobliżu narożnika. W materiale odpadowym zwracamy uwagę czy frez w narożnikach nie wyjeżdżał za daleko. Jeśli widzimy opisane efekty, oznacza to raczej niewielką sztywność tej maszyny. Suwmiarką elektroniczną mierzymy wymiar w obydwu kierunkach. Jeśli odchyłka mieści się w granicach 0,03 mm w przypadku frezarek i grawerek oraz 0,05 mm w przypadku ploterów frezujących, to jest zadowalająco, natomiast różnica pomiędzy obydwoma wymiarami nie powinna przekraczać odpowiednio 0,02 mm i 0,04 mm. Za pomocą kątownika narzędziowego sprawdzamy kąt prosty. Nie powinniśmy widzieć prześwitów patrząc pod światło pomiędzy kątownikiem a kwadratem. Możemy również wyciąć dwa kwadraty i złożyć je razem po odwróceniu jednego do góry nogami. Powinny się one idealnie pokrywać. Jeśli się nie pokrywają, maszyna nie ma prostopadłości osi X-Y.


• Następnie wycinamy trójkąt. Tu oprócz naroży zwracamy uwagę na pochyłe ścianki, które wymagają jednoczesnego ruchu dwoma osiami. Tu oceniamy jakość interpolacji. Im powierzchnia jest bardziej poszarpana, tym gorzej pracuje interpolator i napędy.


• Wycinamy koło. Podczas obróbki zwracamy szczególną uwagę na prędkość pracy i ewentualne drgania, zacięcia i inne zjawiska powodujące np. znacznie zmniejszoną prędkość posuwu w porównaniu z wycinaniem kwadratu. Jeśli widzimy, że koło jest wykonywane wolniej niż kwadrat pomimo, że prędkość zadana jest taka sama, oznacza to, że system nie nadąża z przetwarzaniem dużej ilości wektorów, lub emuluje interpolację kołową z niewielką rozdzielczością. Można to poznać po widocznych na boku koła płaskich powierzchniach tworzących owe koło. Koło jak to koło - powinno być okrągłe. Mierzymy je suwmiarką elektroniczną pod różnymi kątami i sprawdzamy wymiary podobnie jak przy kwadracie.


• Podczas wycinania elipsy najczęściej występują problemy z szybkością przetwarzania w systemie sterowania. Zwracamy przede wszystkim uwagę na prędkość i płynność ruchu maszyny.


• Następnie "planujemy" powierzchnię o wymiarach ok 100x100 mm w pionie, a obok w poziomie, frezem o średnicy 10 mm, tak aby odległość pomiędzy kolejnymi ścieżkami wynosiła 9 mm. Po obróbce sprawdzamy gładkość obrobionej powierzchni. Jeśli na którejkolwiek z planowanych powierzchni pod palcem wyczuwamy schodki, oznacza to, że maszyna pozbawiona jest prostopadłości wrzeciona względem stołu.


• Kolejnym istotnym testem jest wykonanie obróbki stempla. Frezujemy stempel w kształcie sześcianu o wymiarach 40x40x40 mm, tak aby frez wykonywał kolejne kwadraty obniżając się warstwami co 1mm w dół. Mierzymy suwmiarką elektroniczna wymiary w obu kierunkach tuż przy powierzchni i tuż przy podstawie. Jeśli wymiary górny i dolny różnią się o więcej niż 0,03 mm, oznacza to brak prostopadłości osi Z względem osi X i Y.

Jeśli maszyna wszystkie te testy przejdzie pomyślnie, na pewno warto ją kupić!

Przemysław Kimla
www.kimla.pl