Mașinile-unelte constau din corpuri staționare și în mișcare, precum și dispozitive de acţionare. Corpurile staționare includ baza sau patul mașinii, coloanele și carcasele. Aceste corpuri trebuie să susțină, să acopere și să protejeze corpurile în mișcare, cum ar fi mesele de lucru, fusurile, angrenajele și rulmenții. În general, dimensiunile structurilor mașinilor-unelte sunt supraestimate pentru a oferi rigiditate ridicată, stabilitate termică și amortizare. Aceste proprietăți sunt necesare pentru a minimiza deformațiile statice și dinamice în timpul prelucrării.

Acționările mașinilor-unelte asigură mișcarea corpurilor în mișcare. Dispozitivele de antrenare pot fi clasificate în două grupe principale, care sunt antrenările de ax și de avans. Această secțiune descrie componentele de bază ale fiecărei unități de acționare și sistemul de control numeric care reglează mișcările fiecărei unități de acționare.

Acționări cu ax

După cum s-a discutat în secțiunea anterioară, antrenările arborelui trebuie să rotească fie sculele de tăiere, ca în cazul găuririi, frezării și șlefuirii, fie piesa de prelucrat, ca în cazul strunjirii. Acționarea axului mașinii-unelte asigură mișcarea primară relativă între scula de tăiere și piesa de prelucrat, care este necesară pentru a efectua operația de îndepărtare a materialului. Acționarea axului trebuie să ofere suficientă viteză unghiulară, cuplu și putere arborelui axului, care este ținut pe rulmenți cu role sau magnetici în carcasa axului. Prin urmare, caracteristicile axului au un impact semnificativ asupra performanței mașinii-unelte și a calității pieselor prelucrate.

Acționările industriale cu ax vin de obicei în trei modele, așa cum se arată în Fig. 53. Este adesea necesară răcirea activă, implementată în general prin răcire cu aer sau apă. Axurile convenționale sunt populare în mașinile-unelte datorită integrării lor modulare în mașinile-unelte. Ea este alcătuită dintr-un motor care antrenează în exterior arborele axului fie printr-o curea trapezoidală, fie printr-un cuplaj. Între motorul electric și arborele axului poate exista un reductor cu o singură treaptă de viteză și un ambreiaj. Acest model este aplicat în mod normal pentru viteze mici sau medii ale axului de până la 15.000 rot/min.

Dezvoltarea materialelor pentru elemente de rulare, designul rulmenților, lubrifieri, antrenare electrică și electronică de putere au permis construcția de arbori compacți cu antrenare directă, care nu necesită elemente de transmisie mecanică. Acești arbori sunt numiți și ca arbori motor, care constă din elemente prezentate în Fig. 54. Inerția și frecarea reduse, precum și rigiditatea și vibrațiile mai mici ale acestui model compact, încurajează implementările sale pentru prelucrarea de mare viteză. Tendințele recente în proiectarea și dezvoltarea antrenărilor cu arbore sunt analizate în (Abele et al. 2010).

Fusele industriale sunt echipate cu senzori pentru monitorizarea stării. Măsurătorile cheie includ temperatura statorului motorului, temperatura rulmenților, viteza de rotație, cuplul mecanic, curenții motorului și puterea electrică.

Unități de avans

Acționările de avans mută structurile mașinii, pe care piesa de prelucrat sau unealta de tăiere este montată, într-un loc dorit. Structurile sunt conduse de-a lungul unei șine sau unui ghidaj. Performanța dispozitivelor de antrenare și a ghidajelor în ceea ce privește viteza și acuratețea de poziționare joacă un rol important în rata de îndepărtare a materialului și în calitatea produsului obținut de la mașina unealtă.

Acționările de avans sunt alimentate fie de motoare liniare, fie de motoare rotative cu șurub cu bile sau pinion cremalieră, așa cum se arată în Fig. 55. Mecanismul șurubului cu bile poate fi conectat la motorul rotativ direct sau prin reductorul de viteză, care este necesar pentru a amplifica cuplul pentru mașini-unelte mari pentru sarcini grele. Mașinile-unelte convenționale au mai multe trepte de reducere a vitezei pentru a obține viteza de avans dorită. În ceea ce privește controlul, viteza de avans de referință specificată în programul NC este combinată cu limitele de accelerație și jerk ale antrenărilor de avans. Un algoritm de generare a traiectoriei în timp real trimite apoi comenzi de poziție discretă către unitatea de avans. Comenzile digitale de viteză corespunzătoare sunt apoi convertite în semnale electrice, care sunt transmise amplificatorului și motorului unității de acționare.

Ghidajele sau șinele trebuie să direcționeze mișcarea părților în mișcare în mașinile-unelte. Ghidajele trebuie să aibă un grad ridicat de exactitate, deoarece afectează direct calitatea prelucrării (Dhupia et al. 2007, 2008a). În plus, ar trebui să aibă o rezistență, amortizare, capacitate de încărcare și rigiditate bune pentru a rezista la sarcini, impacturi și vibrații în timpul procesului de prelucrare. În cele din urmă, ca componente în mișcare, ele trebuie să posede rezistență la uzură și caracteristici de frecare scăzută pentru a evita griparea, fenomenele de stick-slip și deteriorarea suprafeței. Există diferite tipuri de ghidaje, dintre care unele sunt ghidaje de frecare (sau slideways), ghidaje de rulare, ghidaje hidrostatice și ghidaje de levitație magnetică. Diferite tehnologii ale modelelor de ghidare și ansamblu de antrenare de avans sunt revizuite în detaliu în (Altintas et al. 2011).

Comenzi numerice

Controlul mașinii-unelte se realizează prin control numeric, care utilizează instrucțiuni codificate sub formă de comenzi alfanumerice (cifre și litere) pentru a regla mișcarea componentelor mașinii. Sistemul de control interpretează aceste comenzi și le convertește în semnalele de control adecvate. Au existat două tipuri de comenzi numerice, și anume, control numeric direct (DNC) și control numeric computerizat (CNC). În DNC, un computer central este utilizat pentru a controla direct toate mașinile-unelte dintr-o unitate de producție, pas cu pas. Principalul dezavantaj este că toate mașinile se pot opri dacă computerul principal suferă defecțiuni. Dezvoltarea CNC provine din disponibilitatea microcontrolerelor programabile cu costuri reduse. În CNC, un microprocesor sau un microcomputer este o parte integrantă a controlului. Acest lucru permite fiecărei mașini-unelte să aibă un computer încorporat, prin care operatorul poate pregăti, stoca și executa în mod independent programe pentru mașină. CNC este cea mai utilizată NC astăzi, datorită flexibilității mai mari a controlerului programabil și a acurateței mai mari rezultate din rata de eșantionare mai mare și viteza de calcul a controlerului dedicat. Controlul numeric distribuit este utilizat acum în sistemul modern de producție complex, în care un computer central este utilizat pentru a controla și coordona un număr de mașini-unelte CNC individuale.

Controlul mișcării în mașina NC poate fi realizat fie prin sistem în buclă deschisă, fie prin sistem în buclă închisă, așa cum se arată în fig. 56. În sistemul cu buclă deschisă, controlerul transmite semnalele la dispozitivele de acționare, dar mișcarea și poziția finală a componentei mașinii nu sunt verificate pentru acuratețe. În sistemul cu buclă închisă, mașina este echipată cu o varietate de senzori, traductoare și contoare pentru a oferi controlerului feedback cu privire la starea componentei mașinii. Convertorul digital-analogic (DAC) este esențial pentru interfața controlerului cu unitățile de acționare.

Există două tipuri de bază de sisteme NC, care sunt cale punct cu punct și cale continuă, așa cum se arată în Fig. 57. Tendințele recente în proiectarea și dezvoltarea NC pentru mașini-unelte sunt analizate în (Neugebauer et al. 2007; Dhupia și Ulsoy 2011).

În poziționare punct cu punct, componenta (capul axului sau masa de lucru) este mutată într-o locație programată fără a lua în considerare traseul de la o locație la alta. Astfel, mașina accelerează inițial la viteza maximă pentru a minimiza timpul de prelucrare și apoi frânează pentru a ajunge la poziția specificată. Acest sistem este adecvat în operațiunile în care poziționarea și prelucrarea au loc secvenţial, cum ar fi găurirea.

În calea continuă, sau conturarea, componenta în mișcare este controlată pentru a urma o cale prescrisă. Astfel, acest control necesită un control exact al poziției și sincronizarea vitezelor. Acest sistem este utilizat pe scară largă în operațiunile de frezare și strunjire. În construirea traseului, controlerul poate compensa geometria sculei de tăiere (adică forma, dimensiunea și uzura sculei). De asemenea, locația sculei de tăiere în cadrul traseului, sau interpolarea, are loc în mod incremental. Această interpolare poate fi liniară, polinom de ordin superior, sau circulară. Interpolarea liniară deplasează componenta mașinii de-a lungul unei linii drepte. Teoretic, interpolarea liniară poate produce orice profil de cale prin reducerea incrementului dintre punctele adiacente. Însă, această interpolare poate necesita o cantitate mare de puncte de date, ceea ce este costisitor din punct de vedere al calculului. Interpolarea polinomială de ordin superior estimează calea utilizând curbe ale ecuațiilor polinomiale superioare (adică, polinoame parabolice, cubice sau mai mari). În cele din urmă, interpolarea circulară mută componenta de-a lungul unui arc circular de rază diferită.