Obrabiarki CNC powstały przede wszystkim po to, aby zwiększyć wydajność i dokładność obróbki poprzez ograniczenie, lub wyeliminowanie ludzkiej, fizycznej pracy. W czasach, gdy praca człowieka kosztuje coraz więcej naturalnym jest, aby jeden pracownik wytworzył jak najwięcej dóbr. Potrzebne są do tego szybkie maszyny. Właściciele firm, które chcą zwiększyć swoje możliwości wytwarzania dóbr, zaczynając analizować możliwość zakupu obrabiarki CNC, często jako podstawowe kryterium wybierają cenę maszyny. Często nie zdają sobie sprawy, że obrabiarki CNC dzielą się na maszyny profesjonalne i amatorskie.
Maszyny profesjonalne są to maszyny, które umożliwiają generowanie zysków, tzn, że potrafią 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.
Maszyny amatorskie są maszynami, które ze względu na konstrukcję, materiały z których są wykonane, możliwości systemu sterowania i szeroko rozumianą wydajność, nie są w stanie wygenerować zysków. Takie maszyny najczęściej stanowią grupę maszyn, które często są wielokrotnie tańsze niż maszyny profesjonalne. Są to maszyny doskonałe do zabawy, dla modelarza, który wykonuje hobbystycznie modele samolotów, okrętów itp. gdzie czas obróbki nie ma istotnego znaczenia.
Na podkreślenie zasługuje fakt, że najczęściej czasy obróbki tego samego detalu na maszynie profesjonalnej i amatorskiej różnią się nie o kilkadziesiąt procent, tylko kilkadziesiąt razy! Co w przypadku maszyny profesjonalnej pozwala wygenerować spory zysk, a obrabiając ten detal na maszynie amatorskiej poniesiemy spore straty. Jest to spowodowane tym, że prawie wszystkie czynniki odpowiadające za koszt wytworzenia danego detalu zależą czasu obróbki i od czasów pośrednich, czyli od wydajności obrabiarki.
Zatem jak odróżnić maszynę profesjonalna od amatorskiej? Nie zawsze cena jest czynnikiem decydującym, ponieważ niektóre z firm, szczególnie o znanej marce produkują maszyny amatorskie, które nie kosztują wcale mało, a użytkownik płaci przede wszystkim za znane logo na obudowie maszyny. Są również maszyny, które sprzedawcy oferują jako profesjonalne, lecz profesjonalnymi to one są tylko dla tych sprzedawców, co ma zachęcić potencjalnego klienta do zakupu. Aby nie dopuścić do sytuacji, w której po zakupie maszyny okazuje się, że maszyna nie spełnia naszych oczekiwań, należy dokładnie przeanalizować rzeczywiste możliwości interesującej nas maszyny.
Przede wszystkim podstawową sprawą jest odwiedzenie firmy oferującej taką maszynę. Najlepiej jeśli pojedziemy do producenta, ponieważ oprócz demonstracji maszyny, będziemy mogli ocenić jak, w jakich warunkach i na jakim sprzęcie te maszyny są produkowane.
Firmy handlowe zazwyczaj oferują obejrzenie maszyny u jakiegoś klienta, co powoduje, że prośby o demonstrację możliwości maszyny podczas jej pracy często jest krępujące. Powoduje to najczęściej domniemanie, że ta maszyna poprawnie wykonuje interesującą nas obróbkę, co nie oznacza, że tak rzeczywiście będzie. Podczas pokazu u producenta najczęściej można bardziej pogrymasić, ponieważ wtedy obu stronom zależy na transakcji.
Jeśli już oglądamy maszynę należy zwrócić uwagę na następujące szczegóły. Profesjonalna maszyna powinna być wykonana na bazie konstrukcji stalowej zawierającej jak najmniej elementów łączących (śruby, zaciski, wkręty) itp. Powinna być przestrzenną konstrukcją zamkniętą zapewniającą wysoką sztywność całej maszyny. 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. Maszyny które sprzedawca przywozi w częściach i składa 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 przez wiele lat będzie miał maszynę z poprawną geometrią.
Wszystkie elementy poruszające się wzajemnie powinny być pozbawione elementów ślizgowych na rzecz ułożyskowania tocznego. Zapewnia to wieloletnią pracę bez konieczności wymiany elementów które naturalnie się wycierają.
Każda oś powinna być ułożyskowana na co najmniej dwóch prowadnicach i czterech wózkach. Przełożenie napędu z obrotowego na liniowy powinno być zrealizowane za pomocą śrub kulowych. W przypadku napędu ruchomej bramy musi ona być napędzana dwoma napędami 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.
Maszyna musi ważyć. Jeśli jesteśmy w stanie ludzką siłą podnieść maszynę z którejkolwiek strony, to oprócz maszyn typu desktop CNC, na pewno jest to zabawka. Maszyny przemysłowe wagi maja już liczone w tonach.
Co do napędów stosowanych w takich maszynach, to najlepsze są serwonapędy cyfrowe pracujące w systemie DPC (Direct Position Control), które charakteryzują się dużą dokładnością ruchu w stanach dynamicznych. Jest to bardzo ważne ponieważ 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 stosowane w urządzeniach profesjonalnych, lecz 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.
Dobry system sterowania to połowa sukcesu. Szybkość rozwoju tego segmentu rynku powoduje, że kilkuletnie maszyny znanych marek będące w doskonałym stanie technicznym, nie nadają się do użytku z powodu przestarzałego systemu sterowania. Dlatego bardzo ważne jest aby system sterowania pozwalał na dokonywanie w przyszłości upgradów dostosowujących go do panujących w przyszłości standardów.
Kolejnym aspektem dotyczącym systemu sterowania jest jego szybkość. Szybkość działania systemu sterowania obrabiarki numerycznej, jest to zdolność do przetwarzania określonej liczby bloków programu w jednostce czasu. Szybkość systemu sterowania istotna jest przede wszystkim w pracach w których występują skomplikowane kształty składające się z dużej liczby wektorów (a takie na maszynach CNC obrabiamy najczęściej).
W tej sytuacji istotnym się staje również kolejny parametr systemu sterowania -możliwość analizowania więcej niż jednego bloku programu na raz. Jest to o tyle istotne, że przy analizowaniu kilku tysięcy wektorów w przód w ciągu sekundy, jesteśmy w stanie tak dostosowywać prędkości w węzłach pomiędzy wektorami, że w przypadku niewielkich kątów pomiędzy nimi, możliwe jest pokonywanie ich z większą niż zerową prędkością. Taki sposób działania interpolatora nazywamy właśnie "Dynamiczną Analizą Wektorów".
Kolejny aspekt działania systemu sterowania dotyczy również działania interpolatora. Po pierwsze komputer PC nie nadaje się do bezpośredniej interpolacji ruchów dla maszyn CNC. Komputer PC 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 opó¼nienia o nieokreślonej wartości. To powoduje że ruchy generowane w ten sposób zawsze będą miały bardzo niską jakość(drgania, wibracje, szarpanie) co jest spowodowane nierównomiernym generowaniem impulsów. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie interpolatora sprzętowego działającego na zupełnie innym procesorze. Najczęściej są to bardzo szybkie procesory DSP. W takim przypadku komputer PC 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. Zostaje tylko Ethernet i to najczęściej na zmodyfikowanej warstwie transportowej.
Dobry system sterowania powinien również 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, których rezultat pomaga odpowiedzieć sobie na większość pytań co do sensowności zakupu danej maszyny.
Należy poprosić o wykonanie kilku figur geometrycznych. A mianowicie kwadrat, trójkąt, koło i elipsę, o wielkości 100mm i grubości 5-8mm, z prędkością co najmniej 50mm/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, ani 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 elektroniczna mierzymy wymiar w obydwu kierunkach. Jeśli odchyłka mieści się w 0.03mm w przypadku frezarek, grawerek i 0.05mm w przypadku ploterów frezujących to jest zadowalająco, natomiast różnica pomiędzy obydwoma wymiarami nie powinna przekraczać odpowiednio 0.02mm i 0.04mm.
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 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 teraz koło. Podczas obróbki koła 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.
Zostaje nam elipsa. Tu najczęściej występują problemy z szybkością przetwarzania w systemie sterowania i podczas obróbki elipsy, zwracamy przede wszystkim uwagę na prędkość i płynność ruchu maszyny.
Następnie "planujemy" powierzchnię o wymiarach ok 100x100mm w pionie, a obok w poziomie, frezem fi 10mm, tak aby odległość pomiędzy kolejnymi ścieżkami wynosiła 9mm. 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 40x40x40mm, 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 0.03mm, oznacza to brak prostopadłości osi Z względem osi X i Y.
Jeśli maszyna wszystkie te testy przejdzie pomyślnie, oznacza to, że mamy do czynienia z maszyną idealną, i na pewno warto ją kupić.
