Numerična krmilna tehnologija in CNC obdelovalni stroji
Tehnologija numeričnega krmiljenja, okrajšano NC (numerično krmiljenje), je sredstvo za krmiljenje mehanskih gibov in postopkov obdelave s pomočjo digitalnih informacij. Ker sodobno numerično krmiljenje pogosto uporablja računalniško krmiljenje, je znano tudi kot računalniško podprto numerično krmiljenje (Computerized Numerical Control – CNC).
Za doseganje digitalnega informacijskega nadzora mehanskih gibov in procesov obdelave je treba opremiti ustrezno strojno in programsko opremo. Vsota strojne in programske opreme, ki se uporablja za izvajanje digitalnega informacijskega nadzora, se imenuje numerični krmilni sistem (numerični krmilni sistem), jedro numeričnega krmilnega sistema pa je numerična krmilna naprava (numerični krmilnik).
Stroji, ki jih krmili numerično krmiljena tehnologija, se imenujejo CNC obdelovalni stroji (NC obdelovalni stroji). Gre za tipičen mehatronski izdelek, ki celovito združuje napredne tehnologije, kot so računalniška tehnologija, tehnologija avtomatskega krmiljenja, tehnologija natančnih merjenj in načrtovanje obdelovalnih strojev. Je temelj sodobne proizvodne tehnologije. Krmiljenje obdelovalnih strojev je najzgodnejše in najpogosteje uporabljeno področje numeričnega krmiljenja. Zato raven CNC obdelovalnih strojev v veliki meri odraža zmogljivost, raven in trend razvoja trenutne tehnologije numeričnega krmiljenja.
Obstajajo različne vrste CNC obdelovalnih strojev, vključno z vrtalnimi, rezkalnimi in vrtalnimi stroji, stružilnimi stroji, brusilnimi stroji, stroji za elektroerozijsko obdelavo, kovaškimi stroji, laserskimi obdelovalnimi stroji in drugimi CNC obdelovalnimi stroji za posebne namene s specifično uporabo. Vsak stroj, ki ga krmili numerično krmiljenje, se uvršča med NC obdelovalne stroje.
CNC obdelovalni stroji, opremljeni z avtomatskim menjalnikom orodij ATC (Automatic Tool Changer – ATC), razen CNC stružnic z rotacijskimi držali orodij, so opredeljeni kot obdelovalni centri (Machine Center – MC). Z avtomatsko menjavo orodij lahko obdelovanci opravijo več postopkov obdelave z enim samim vpenjanjem, s čimer se doseže koncentracija in kombinacija procesov. To učinkovito skrajša pomožni čas obdelave in izboljša delovno učinkovitost obdelovalnega stroja. Hkrati se zmanjša število namestitev in pozicioniranja obdelovancev, kar poveča natančnost obdelave. Obdelovalni centri so trenutno vrsta CNC obdelovalnih strojev z največjo zmogljivostjo in najširšo uporabo.
Na podlagi CNC obdelovalnih strojev se z dodajanjem večdelnih (paletnih) avtomatskih menjalnikov palet (Auto Pallet Changer – APC) in drugih sorodnih naprav nastala procesna enota imenuje fleksibilna proizvodna celica (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC ne le dosega koncentracijo procesov in kombinacijo procesov, temveč lahko z avtomatsko menjavo delovnih miz (palet) in relativno popolnimi funkcijami avtomatskega spremljanja in krmiljenja izvaja tudi brezpilotne obdelave za določeno obdobje, s čimer se dodatno izboljša učinkovitost obdelave opreme. FMC ni le osnova fleksibilnega proizvodnega sistema FMS (Flexible Manufacturing System), temveč se lahko uporablja tudi kot neodvisna avtomatizirana procesna oprema. Zato je njegova hitrost razvoja precej hitra.
Takšen proizvodni sistem, ki temelji na FMC in obdelovalnih centrih, z dodajanjem logističnih sistemov, industrijskih robotov in sorodne opreme ter ga centralizirano in enotno upravlja centralni nadzorni sistem, se imenuje fleksibilen proizvodni sistem FMS (fleksibilni proizvodni sistem). FMS ne more le izvajati brezpilotne obdelave dlje časa, temveč tudi doseči popolno obdelavo različnih vrst delov in sestavnih delov, s čimer se doseže avtomatizacija proizvodnega procesa v delavnici. Gre za visoko avtomatiziran napreden proizvodni sistem.
Zaradi nenehnega napredka znanosti in tehnologije, da bi se sodobna proizvodnja prilagodila spreminjajočemu se povpraševanju na trgu, ni treba le spodbujati avtomatizacije proizvodnih procesov v delavnici, temveč tudi doseči celovito avtomatizacijo, od napovedovanja trga, odločanja o proizvodnji, načrtovanja izdelkov, izdelave izdelkov do prodaje izdelkov. Celoten proizvodni in proizvodni sistem, ki nastane z integracijo teh zahtev, se imenuje računalniško integriran proizvodni sistem (računalniško integriran proizvodni sistem – CIMS). CIMS organsko integrira daljšo proizvodno in poslovno dejavnost ter dosega učinkovitejšo in bolj prilagodljivo inteligentno proizvodnjo, kar predstavlja najvišjo stopnjo razvoja današnje avtomatizirane proizvodne tehnologije. Pri CIMS-u ni pomembna le integracija proizvodne opreme, temveč predvsem integracija tehnologije in funkcij, ki jo zaznamujejo informacije. Računalnik je orodje za integracijo, računalniško podprta tehnologija avtomatiziranih enot je osnova integracije, izmenjava in souporaba informacij in podatkov pa je most integracije. Končni izdelek lahko obravnavamo kot materialno manifestacijo informacij in podatkov.
Numerični krmilni sistem in njegove komponente
Osnovne komponente numeričnega krmilnega sistema
Numerični krmilni sistem CNC obdelovalnega stroja je jedro vse numerične krmilne opreme. Glavni krmilni objekt numeričnega krmilnega sistema je premik koordinatnih osi (vključno s hitrostjo gibanja, smerjo, položajem itd.), krmilne informacije pa večinoma prihajajo iz numerične krmilne obdelave ali programov za krmiljenje gibanja. Zato bi morale najosnovnejše komponente numeričnega krmilnega sistema vključevati: vhodno/izhodno napravo programa, numerično krmilno napravo in servo pogon.
Vloga vhodno/izhodne naprave je vnašanje in iznašanje podatkov, kot so programi za numerično krmiljenje ali krmiljenje gibanja, podatki za obdelavo in krmiljenje, parametri obdelovalnih strojev, položaji koordinatnih osi in stanje stikal za zaznavanje. Tipkovnica in zaslon sta najosnovnejši vhodno/izhodni napravi, potrebni za katero koli numerično krmilno opremo. Poleg tega je lahko, odvisno od numeričnega krmilnega sistema, opremljena tudi z napravami, kot so fotoelektrični bralniki, tračni pogoni ali disketni pogoni. Kot periferna naprava je računalnik trenutno ena najpogosteje uporabljenih vhodno/izhodnih naprav.
Numerična krmilna naprava je osrednja komponenta numeričnega krmilnega sistema. Sestavljena je iz vhodno/izhodnih vmesniških vezij, krmilnikov, aritmetičnih enot in pomnilnika. Vloga numerične krmilne naprave je združevanje, izračunavanje in obdelava podatkov, ki jih vhodna naprava vnese prek notranjega logičnega vezja ali krmilne programske opreme, ter izpisovanje različnih vrst informacij in navodil za krmiljenje različnih delov obdelovalnega stroja za izvajanje določenih dejanj.
Med temi krmilnimi informacijami in navodili so najosnovnejša navodila za hitrost podajanja, smer podajanja in premik podajanja koordinatnih osi. Ta se ustvarijo po interpolacijskih izračunih, posredujejo servo pogonu, ojačajo z gonilnikom in na koncu krmilijo premik koordinatnih osi. To neposredno določa trajektorijo gibanja orodja ali koordinatnih osi.
Poleg tega so lahko, odvisno od sistema in opreme, na primer na CNC obdelovalnem stroju, prisotna tudi navodila, kot so hitrost vrtenja, smer, zagon/zaustavitev vretena; navodila za izbiro in zamenjavo orodja; navodila za zagon/zaustavitev hladilnih in mazalnih naprav; navodila za rahljanje in vpenjanje obdelovanca; indeksiranje delovne mize in druga pomožna navodila. V numeričnem krmilnem sistemu se ta v obliki signalov posredujejo zunanji pomožni krmilni napravi prek vmesnika. Pomožna krmilna naprava izvede potrebno prevajanje in logične operacije na zgornjih signalih, jih ojača in poganja ustrezne aktuatorje za pogon mehanskih komponent, hidravličnih in pnevmatskih pomožnih naprav obdelovalnega stroja za dokončanje dejanj, določenih v navodilih.
Servo pogon običajno sestavljajo servo ojačevalniki (znani tudi kot gonilniki, servo enote) in aktuatorji. Na CNC obdelovalnih strojih se kot aktuatorji trenutno običajno uporabljajo izmenični servo motorji; na naprednih visokohitrostnih obdelovalnih strojih so se začeli uporabljati linearni motorji. Poleg tega so se na CNC obdelovalnih strojih, izdelanih pred osemdesetimi leti prejšnjega stoletja, uporabljali enosmerni servo motorji; pri preprostih CNC obdelovalnih strojih so se kot aktuatorji uporabljali tudi koračni motorji. Oblika servo ojačevalnika je odvisna od aktuatorja in ga je treba uporabljati skupaj s pogonskim motorjem.
Zgoraj so navedene najosnovnejše komponente numeričnega krmilnega sistema. Z nenehnim razvojem tehnologije numeričnega krmiljenja in izboljševanjem ravni zmogljivosti obdelovalnih strojev se povečujejo tudi funkcionalne zahteve za sistem. Za izpolnitev zahtev glede krmiljenja različnih obdelovalnih strojev, zagotavljanje celovitosti in enotnosti numeričnega krmilnega sistema ter lažjo uporabo uporabnika imajo pogosto uporabljeni napredni numerični krmilni sistemi običajno notranji programabilni krmilnik kot pomožno krmilno napravo obdelovalnega stroja. Poleg tega je pri obdelovalnih strojih za rezanje kovin lahko tudi pogon vretena sestavni del numeričnega krmilnega sistema; pri obdelovalnih strojih z zaprto zanko CNC so merilne in detekcijske naprave nepogrešljive za numerični krmilni sistem. Pri naprednih numeričnih krmilnih sistemih se včasih kot vmesnik človek-stroj sistema ter za upravljanje podatkov in vhodno/izhodne naprave uporablja celo računalnik, s čimer se funkcije numeričnega krmilnega sistema povečajo, zmogljivost pa izboljša.
Skratka, sestava numeričnega krmilnega sistema je odvisna od delovanja krmilnega sistema in specifičnih zahtev glede krmiljenja opreme. V njegovi konfiguraciji in sestavi obstajajo znatne razlike. Poleg treh najosnovnejših komponent vhodno/izhodne naprave obdelovalnega programa, numerične krmilne naprave in servo pogona je lahko še več krmilnih naprav. Črtkani okvir na sliki 1-1 predstavlja računalniški numerični krmilni sistem.
Koncepti NC, CNC, SV in PLC
NC (CNC), SV in PLC (PC, PMC) so zelo pogosto uporabljene angleške okrajšave v opremi za numerično krmiljenje in imajo v različnih praktičnih aplikacijah različne pomene.
NC (CNC): NC in CNC sta običajni angleški kratici za numerično krmiljenje in računalniško numerično krmiljenje. Glede na to, da sodobni numerični krmili uporabljajo računalniško krmiljenje, lahko štejemo, da sta pomena NC in CNC popolnoma enaka. V inženirskih aplikacijah ima NC (CNC), odvisno od primera uporabe, običajno tri različne pomene: v širšem smislu predstavlja tehnologijo krmiljenja – tehnologijo numeričnega krmiljenja; v ožjem smislu predstavlja entiteto krmilnega sistema – sistem numeričnega krmiljenja; poleg tega pa lahko predstavlja tudi specifično krmilno napravo – napravo za numerično krmiljenje.
SV: SV je običajna angleška okrajšava za servo pogon (Servo Drive, skrajšano servo). V skladu s predpisanimi izrazi japonskega standarda JIS gre za »krmilni mehanizem, ki položaj, smer in stanje objekta sprejme kot krmilne količine in sledi poljubnim spremembam ciljne vrednosti«. Skratka, gre za krmilno napravo, ki lahko samodejno sledi fizikalnim količinam, kot je ciljni položaj.
Pri CNC obdelovalnih strojih se vloga servo pogona odraža predvsem v dveh vidikih: prvič, omogoča delovanje koordinatnih osi s hitrostjo, ki jo določa numerično krmilna naprava; drugič, omogoča pozicioniranje koordinatnih osi glede na položaj, ki ga določa numerično krmilna naprava.
Krmilni objekti servo pogona so običajno premik in hitrost koordinatnih osi obdelovalnega stroja; aktuator je servo motor; del, ki krmili in ojača vhodni ukazni signal, se pogosto imenuje servo ojačevalnik (znan tudi kot gonilnik, ojačevalnik, servo enota itd.), ki je jedro servo pogona.
Servo pogon se ne more uporabljati le v povezavi z numeričnim krmilnikom, temveč tudi samostojno kot sistem za spremljanje položaja (hitrosti). Zato se pogosto imenuje tudi servo sistem. V zgodnjih numeričnih krmilnih sistemih je bil del za nadzor položaja običajno integriran s CNC, servo pogon pa je izvajal le nadzor hitrosti. Zato se je servo pogon pogosto imenoval enota za nadzor hitrosti.
PLC: PC je angleška okrajšava za Programmable Controller (programirljivi krmilnik). Zaradi vse večje priljubljenosti osebnih računalnikov se programabilni krmilniki danes običajno imenujejo programabilni logični krmilniki (Programmalbe Logic Controller – PLC) ali programabilni strojni krmilniki (Programmable Machine Controller – PMC). Zato imajo na CNC obdelovalnih strojih PC, PLC in PMC popolnoma enak pomen.
PLC ima prednosti hitrega odziva, zanesljivega delovanja, priročne uporabe, enostavnega programiranja in odpravljanja napak ter lahko neposredno krmili nekatere električne naprave obdelovalnih strojev. Zato se pogosto uporablja kot pomožna krmilna naprava za numerično krmiljenje. Trenutno ima večina numeričnih krmilnih sistemov notranji PLC za obdelavo pomožnih ukazov CNC obdelovalnih strojev, s čimer se pomožna krmilna naprava stroja močno poenostavi. Poleg tega se lahko PLC v mnogih primerih s posebnimi funkcionalnimi moduli, kot sta modul za krmiljenje osi in modul za pozicioniranje PLC-ja, neposredno uporabi tudi za doseganje točkovnega položaja, linearnega krmiljenja in preprostega krmiljenja kontur, s čimer se oblikujejo posebni CNC obdelovalni stroji ali CNC proizvodne linije.
Sestava in načelo obdelave CNC obdelovalnih strojev
Osnovna sestava CNC obdelovalnih strojev
CNC obdelovalni stroji so najpogostejša oprema za numerično krmiljenje. Za razjasnitev osnovne sestave CNC obdelovalnih strojev je treba najprej analizirati delovni proces CNC obdelovalnih strojev za obdelavo delov. Pri CNC obdelovalnih strojih se za obdelavo delov lahko izvedejo naslednji koraki:
V skladu z risbami in načrti obdelave delov, ki jih je treba obdelati, z uporabo predpisanih kod in programskih formatov zapišite trajektorijo gibanja orodij, postopek obdelave, procesne parametre, parametre rezanja itd. v obrazec ukazov, ki ga prepozna numerični krmilni sistem, torej zapišite program obdelave.
Vnesite pisni program za obdelavo v numerično krmilno napravo.
Numerična krmilna naprava dekodira in obdeluje vhodni program (kodo) ter pošilja ustrezne krmilne signale servo pogonskim napravam in pomožnim krmilnim napravam vsake koordinatne osi za nadzor gibanja vsake komponente obdelovalnega stroja.
Med premikanjem mora numerični krmilni sistem kadar koli zaznati položaj koordinatnih osi obdelovalnega stroja, stanje potovalnih stikal itd. in jih primerjati z zahtevami programa, da določi naslednje dejanje, dokler se ne obdelajo kvalificirani deli.
Upravljavec lahko kadar koli opazuje in pregleduje pogoje obdelave in delovno stanje stroja. Po potrebi so potrebne tudi prilagoditve dejanj stroja in programov obdelave, da se zagotovi varno in zanesljivo delovanje stroja.
Vidimo lahko, da mora CNC obdelovalni stroj kot osnovno sestavo vključevati: vhodno/izhodne naprave, numerične krmilne naprave, servo pogone in povratne naprave, pomožne krmilne naprave in ohišje obdelovalnega stroja.
Sestava CNC obdelovalnih strojev
Numerični krmilni sistem se uporablja za doseganje nadzora obdelave gostiteljskega stroja. Trenutno večina numeričnih krmilnih sistemov uporablja računalniško numerično krmiljenje (npr. CNC). Vhodno/izhodna naprava, numerična krmilna naprava, servo pogon in povratna naprava na sliki skupaj tvorijo numerični krmilni sistem stroja, njegova vloga pa je bila opisana zgoraj. V nadaljevanju so na kratko predstavljene druge komponente.
Naprava za povratno zanko meritev: Je detekcijska povezava CNC obdelovalnega stroja z zaprto zanko (polzaprto zanko). Njena vloga je, da s sodobnimi merilnimi elementi, kot so impulzni dajalniki, resolverji, indukcijski sinhronizatorji, rešetke, magnetne tehtnice in laserski merilni instrumenti, zazna hitrost in premik dejanskega premika aktuatorja (kot je držalo orodja) ali delovne mize ter jih vrne nazaj v servo pogon ali numerično krmilno napravo ter kompenzira hitrost podajanja ali napako gibanja aktuatorja, da se doseže izboljšanje natančnosti mehanizma gibanja. Položaj namestitve detekcijske naprave in položaj, kamor se detekcijski signal vrne, sta odvisna od strukture numeričnega krmilnega sistema. Servo vgrajeni impulzni dajalniki, tahometri in linearne rešetke so pogosto uporabljene komponente za zaznavanje.
Ker vsi napredni servo motorji uporabljajo tehnologijo digitalnih servo pogonov (imenovanih digitalni servo), se za povezavo med servo pogonom in numeričnim krmilnikom običajno uporablja vodilo; v večini primerov je povratni signal priključen na servo pogon in se prek vodila prenese v numerični krmilnik. Le v redkih primerih ali pri uporabi analognih servo pogonov (splošno znanih kot analogni servo) je treba povratno napravo neposredno priključiti na numerični krmilnik.
Pomožni krmilni mehanizem in mehanizem za prenos podajanja: Nahaja se med numerično krmilno napravo ter mehanskimi in hidravličnimi komponentami obdelovalnega stroja. Njegova glavna naloga je sprejemanje ukazov za hitrost vretena, smer in zagon/zaustavitev, ki jih oddaja numerična krmilna naprava; ukazov za izbiro in zamenjavo orodja; ukazov za zagon/zaustavitev hladilnih in mazalnih naprav; signalov pomožnih ukazov, kot so rahljanje in vpenjanje obdelovancev in komponent obdelovalnega stroja, indeksiranje delovne mize ter signalov stanja zaznavnih stikal na obdelovalnem stroju. Po potrebnem prevajanju, logični presoji in ojačanju moči se ustrezni aktuatorji neposredno krmilijo za krmiljenje mehanskih komponent, hidravličnih in pnevmatskih pomožnih naprav obdelovalnega stroja za dokončanje dejanj, določenih v navodilih. Običajno je sestavljen iz PLC-ja in krmilnega vezja z močnim tokom. PLC je lahko integriran s CNC strukturo (vgrajeni PLC) ali relativno neodvisen (zunanji PLC).
Ohišje obdelovalnega stroja, torej mehanska struktura CNC obdelovalnega stroja, je sestavljeno tudi iz glavnih pogonskih sistemov, sistemov pogona podajanja, postelj, delovnih miz, pomožnih gibalnih naprav, hidravličnih in pnevmatskih sistemov, mazalnih sistemov, hladilnih naprav, sistemov za odstranjevanje odrezkov, zaščitnih sistemov in drugih delov. Vendar pa je bilo za izpolnitev zahtev numeričnega krmiljenja in za doseganje polne zmogljivosti obdelovalnega stroja potrebno bistveno spremeniti celotno postavitev, videz, strukturo prenosnega sistema, sistem orodij in obratovalne zmogljivosti. Mehanske komponente obdelovalnega stroja vključujejo posteljo, ohišje, steber, vodilno tirnico, delovno mizo, vreteno, mehanizem za podajanje, mehanizem za menjavo orodij itd.
Načelo CNC obdelave
Pri tradicionalnih strojih za rezanje kovin mora upravljavec pri obdelavi delov nenehno spreminjati parametre, kot sta trajektorija gibanja in hitrost gibanja orodja, v skladu z zahtevami risbe, tako da orodje izvaja rezalno obdelavo obdelovanca in na koncu obdeluje kvalificirane dele.
Obdelava CNC obdelovalnih strojev v bistvu uporablja načelo "diferenciala". Njegovo načelo delovanja in postopek lahko na kratko opišemo takole:
Glede na trajektorijo orodja, ki jo zahteva program za obdelavo, numerično krmilna naprava razlikuje trajektorijo vzdolž ustreznih koordinatnih osi obdelovalnega stroja z najmanjšo količino premika (ekvivalent impulza) (△X, △Y na sliki 1-2) in izračuna število impulzov, ki jih mora vsaka koordinatna os premakniti.
S programsko opremo za »interpolacijo« ali kalkulatorjem za »interpolacijo« numerične krmilne naprave se zahtevani trajektoriji prilagodi ekvivalentna polilinija v enotah »enote minimalnega gibanja« in poišče se prilagojena polilinija, ki je najbližja teoretični trajektoriji.
Glede na trajektorijo vgrajene polilinije numerično krmiljenje neprekinjeno dodeljuje podajalne impulze ustreznim koordinatnim osem in omogoča, da se koordinatne osi obdelovalnega stroja premikajo v skladu z dodeljenimi impulzi prek servo pogona.
Vidimo lahko, da: Prvič, dokler je minimalna količina premika (ekvivalent impulza) CNC obdelovalnega stroja dovolj majhna, se lahko uporabljena prilagojena polilinija enakovredno nadomesti s teoretično krivuljo. Drugič, dokler se spremeni metoda dodelitve impulzov koordinatnih osi, se lahko spremeni oblika prilagojene polilinije, s čimer se doseže namen spreminjanja poti obdelave. Tretjič, dokler je frekvenca…