Technologia sterowania numerycznego i obrabiarki CNC
Technologia sterowania numerycznego, w skrócie NC (Numerical Control), to metoda sterowania ruchami mechanicznymi i procesami obróbki z wykorzystaniem informacji cyfrowej. Obecnie, ponieważ nowoczesne sterowanie numeryczne powszechnie wykorzystuje sterowanie komputerowe, jest ono również znane jako komputerowe sterowanie numeryczne (Computerized Numerical Control – CNC).
Aby osiągnąć cyfrowe sterowanie informacjami o ruchach mechanicznych i procesach przetwarzania, konieczne jest wyposażenie w odpowiedni sprzęt i oprogramowanie. Suma sprzętu i oprogramowania wykorzystywanego do realizacji cyfrowego sterowania informacjami nazywana jest systemem sterowania numerycznego (Numerical Control System), a jego rdzeniem jest urządzenie sterujące numeryczne (Numerical Controller).
Maszyny sterowane numerycznie nazywane są obrabiarkami CNC (obrabiarki NC). Jest to typowy produkt mechatroniczny, który kompleksowo integruje zaawansowane technologie, takie jak technologia komputerowa, technologia automatycznego sterowania, technologia precyzyjnych pomiarów oraz konstrukcja obrabiarek. Stanowi on fundament nowoczesnej technologii wytwarzania. Sterowanie obrabiarkami to najwcześniejsza i najszerzej stosowana dziedzina technologii sterowania numerycznego. Dlatego poziom obrabiarek CNC w dużej mierze odzwierciedla wydajność, poziom i trendy rozwojowe współczesnej technologii sterowania numerycznego.
Istnieją różne rodzaje obrabiarek CNC, w tym wiertarki, frezarki i wytaczarki, tokarki, szlifierki, obrabiarki elektroerozyjne, kuźniarki, obrabiarki laserowe i inne specjalistyczne obrabiarki CNC o określonym przeznaczeniu. Każda obrabiarka sterowana numerycznie jest klasyfikowana jako obrabiarka NC.
Obrabiarki CNC wyposażone w automatyczny zmieniacz narzędzi ATC (Automatic Tool Changer – ATC), z wyjątkiem tokarek CNC z obrotowymi uchwytami narzędziowymi, są definiowane jako centra obróbcze (Machine Center – MC). Dzięki automatycznej wymianie narzędzi, detale mogą wykonywać wiele procesów obróbki w jednym zamocowaniu, co pozwala na koncentrację i kombinację procesów. Efektywnie skraca to czas obróbki pomocniczej i poprawia wydajność pracy obrabiarki. Jednocześnie zmniejsza liczbę instalacji i pozycjonowania detali, zwiększając dokładność obróbki. Centra obróbcze są obecnie typem obrabiarek CNC o największej wydajności i najszerszym zastosowaniu.
Bazując na obrabiarkach CNC, poprzez dodanie wielostołowych (paletowych) automatycznych urządzeń wymiany (Auto Pallet Changer – APC) i innych powiązanych urządzeń, powstała jednostka przetwórcza nazywana jest elastyczną komórką produkcyjną (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC nie tylko realizuje koncentrację i łączenie procesów, ale także, dzięki automatycznej wymianie stołów roboczych (palet) oraz stosunkowo kompleksowym funkcjom automatycznego monitorowania i sterowania, umożliwia bezobsługową obróbkę przez określony czas, co dodatkowo zwiększa wydajność przetwarzania. FMC stanowi nie tylko podstawę elastycznego systemu produkcyjnego FMS (Flexible Manufacturing System), ale może być również wykorzystywany jako niezależne zautomatyzowane urządzenie przetwórcze. Dlatego jego rozwój jest bardzo szybki.
Na bazie systemów FMC i centrów obróbczych, poprzez dodanie systemów logistycznych, robotów przemysłowych i powiązanego sprzętu, a także poprzez scentralizowany i ujednolicony system sterowania, taki system produkcyjny nazywa się elastycznym systemem produkcyjnym FMS (Flexible Manufacturing System). FMS umożliwia nie tylko bezobsługową obróbkę przez długi czas, ale także kompleksową obróbkę różnych typów części i montaż podzespołów, automatyzując proces produkcyjny w warsztacie. Jest to wysoce zautomatyzowany, zaawansowany system produkcyjny.
Wraz z ciągłym postępem nauki i techniki, aby dostosować się do zmieniającego się popytu rynkowego, w nowoczesnej produkcji konieczne jest nie tylko promowanie automatyzacji procesu produkcyjnego w warsztacie, ale także osiągnięcie kompleksowej automatyzacji, od prognozowania rynku, podejmowania decyzji produkcyjnych, projektowania produktu, wytwarzania produktu, aż po sprzedaż. Kompletny system produkcji i wytwarzania utworzony poprzez integrację tych wymagań nazywa się komputerowo zintegrowanym systemem wytwarzania (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS organicznie integruje dłuższą działalność produkcyjną i biznesową, osiągając bardziej wydajną i elastyczną, inteligentną produkcję, reprezentując najwyższy etap rozwoju dzisiejszej zautomatyzowanej technologii wytwarzania. W CIMS nie tylko integracja urządzeń produkcyjnych, ale co ważniejsze, integracja technologii i funkcji charakteryzuje się informacją. Komputer jest narzędziem integracji, wspomagana komputerowo technologia jednostek zautomatyzowanych stanowi podstawę integracji, a wymiana i udostępnianie informacji i danych stanowi most integracji. Produkt końcowy można postrzegać jako materialną manifestację informacji i danych.
System sterowania numerycznego i jego komponenty
Podstawowe komponenty systemu sterowania numerycznego
System sterowania numerycznego obrabiarki CNC stanowi rdzeń wszystkich urządzeń sterowanych numerycznie. Głównym obiektem sterowania systemu sterowania numerycznego jest przemieszczenie osi współrzędnych (w tym prędkość, kierunek, położenie itp.), a informacje sterujące pochodzą głównie z przetwarzania numerycznego lub programów sterowania ruchem. Dlatego też najbardziej podstawowe komponenty systemu sterowania numerycznego powinny obejmować: urządzenie wejścia/wyjścia programu, urządzenie sterowania numerycznego oraz serwonapęd.
Rolą urządzenia wejścia/wyjścia jest wprowadzanie i wyprowadzanie danych, takich jak programy przetwarzania sterowania numerycznego lub sterowania ruchem, dane przetwarzania i sterowania, parametry obrabiarki, położenia osi współrzędnych oraz stan przełączników detekcyjnych. Klawiatura i wyświetlacz to najprostsze urządzenia wejścia/wyjścia niezbędne w każdym systemie sterowania numerycznego. Ponadto, w zależności od systemu sterowania numerycznego, można wyposażyć go w urządzenia takie jak czytniki fotoelektryczne, napędy taśmowe lub stacje dyskietek. Jako urządzenie peryferyjne, komputer jest obecnie jednym z powszechnie używanych urządzeń wejścia/wyjścia.
Urządzenie sterowania numerycznego (CNC) jest kluczowym elementem systemu sterowania numerycznego. Składa się z obwodów interfejsu wejścia/wyjścia, sterowników, jednostek arytmetycznych oraz pamięci. Rolą urządzenia sterowania numerycznego jest kompilowanie, obliczanie i przetwarzanie danych wejściowych z urządzenia wejściowego za pośrednictwem wewnętrznego układu logicznego lub oprogramowania sterującego oraz generowanie różnego rodzaju informacji i instrukcji sterujących poszczególnymi elementami obrabiarki w celu wykonania określonych czynności.
Wśród tych informacji i instrukcji sterujących, najbardziej podstawowe to instrukcje dotyczące prędkości posuwu, kierunku posuwu i przemieszczenia osi współrzędnych. Są one generowane po obliczeniach interpolacyjnych, przekazywane do serwonapędu, wzmacniane przez sterownik i ostatecznie sterują przemieszczeniem osi współrzędnych. To bezpośrednio określa trajektorię ruchu narzędzia lub osi współrzędnych.
Ponadto, w zależności od systemu i wyposażenia, na przykład obrabiarki CNC, mogą występować również instrukcje takie jak prędkość obrotowa, kierunek, start/stop wrzeciona; instrukcje wyboru i wymiany narzędzi; instrukcje start/stop urządzeń chłodzących i smarujących; instrukcje luzowania i zaciskania przedmiotu obrabianego; indeksowanie stołu roboczego i inne instrukcje pomocnicze. W systemie sterowania numerycznego są one przekazywane do zewnętrznego pomocniczego urządzenia sterującego w postaci sygnałów za pośrednictwem interfejsu. Pomocnicze urządzenie sterujące wykonuje niezbędne operacje kompilacji i logiczne na powyższych sygnałach, wzmacnia je i steruje odpowiednimi siłownikami, które napędzają elementy mechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne urządzenia pomocnicze obrabiarki w celu wykonania czynności określonych w instrukcjach.
Serwonapęd zazwyczaj składa się z serwowzmacniaczy (zwanych również sterownikami, jednostkami serwo) i siłowników. W obrabiarkach CNC obecnie jako siłowniki stosuje się zazwyczaj serwosilniki prądu przemiennego; w zaawansowanych obrabiarkach szybkoobrotowych zaczęto stosować silniki liniowe. Ponadto, w obrabiarkach CNC wyprodukowanych przed latami 80. XX wieku stosowano serwosilniki prądu stałego; w prostych obrabiarkach CNC jako siłowniki stosowano również silniki krokowe. Konstrukcja serwowzmacniacza zależy od siłownika i musi być stosowana w połączeniu z silnikiem napędowym.
Powyższe elementy stanowią najbardziej podstawowe elementy systemu sterowania numerycznego. Wraz z ciągłym rozwojem technologii sterowania numerycznego i poprawą wydajności obrabiarek, rosną również wymagania funkcjonalne stawiane systemowi. Aby sprostać wymaganiom sterowania różnych obrabiarek, zapewnić integralność i jednorodność systemu sterowania numerycznego oraz ułatwić obsługę użytkownika, powszechnie stosowane zaawansowane systemy sterowania numerycznego zazwyczaj posiadają wewnętrzny sterownik programowalny jako pomocnicze urządzenie sterujące obrabiarki. Ponadto, w obrabiarkach do obróbki skrawaniem metali, układ napędowy wrzeciona może również stać się elementem systemu sterowania numerycznego; w obrabiarkach CNC z zamkniętą pętlą sterowania, urządzenia pomiarowe i detekcyjne są również niezbędne dla systemu sterowania numerycznego. W zaawansowanych systemach sterowania numerycznego, czasami nawet komputer jest wykorzystywany jako interfejs człowiek-maszyna systemu oraz do zarządzania danymi i urządzeń wejścia/wyjścia, co zwiększa możliwości systemu sterowania numerycznego i jego wydajność.
Podsumowując, skład systemu sterowania numerycznego zależy od jego wydajności oraz specyficznych wymagań sterowania urządzeń. Istnieją znaczne różnice w jego konfiguracji i składzie. Oprócz trzech najbardziej podstawowych komponentów: urządzenia wejścia/wyjścia programu przetwarzającego, urządzenia sterowania numerycznego i serwonapędu, może istnieć więcej urządzeń sterujących. Część oznaczona linią przerywaną na rysunku 1-1 przedstawia komputerowy system sterowania numerycznego.
Koncepcje NC, CNC, SV i PLC
NC (CNC), SV i PLC (PC, PMC) to bardzo często używane angielskie skróty w sprzęcie sterowanym numerycznie, które w różnych zastosowaniach praktycznych mają różne znaczenie.
NC (CNC): NC i CNC to popularne angielskie skróty oznaczające odpowiednio sterowanie numeryczne (Numerical Control) i komputerowe sterowanie numeryczne (Computerized Numerical Control). Biorąc pod uwagę, że współczesne sterowanie numeryczne opiera się na sterowaniu komputerowym, można uznać, że znaczenia NC i CNC są całkowicie tożsame. W zastosowaniach inżynierskich, w zależności od okoliczności użycia, NC (CNC) zazwyczaj ma trzy różne znaczenia: w szerokim znaczeniu oznacza technologię sterowania – technologię sterowania numerycznego; w węższym znaczeniu oznacza element systemu sterowania – system sterowania numerycznego; ponadto może również oznaczać konkretne urządzenie sterujące – urządzenie sterowania numerycznego.
SV: SV to popularny angielski skrót od serwonapędu (Servo Drive, w skrócie servo). Zgodnie z terminologią japońskiej normy JIS, jest to „mechanizm sterujący, który przyjmuje położenie, kierunek i stan obiektu jako wielkości sterujące i śledzi dowolne zmiany wartości docelowej”. Krótko mówiąc, jest to urządzenie sterujące, które może automatycznie śledzić wielkości fizyczne, takie jak położenie docelowe.
W przypadku obrabiarek CNC rola serwonapędu odzwierciedla się głównie w dwóch aspektach. Po pierwsze, umożliwia on działanie osi współrzędnych z prędkością podaną przez urządzenie sterujące numerycznie; po drugie, umożliwia pozycjonowanie osi współrzędnych zgodnie z położeniem podanym przez urządzenie sterujące numerycznie.
Obiektami sterowania serwonapędu są zazwyczaj przemieszczenie i prędkość osi współrzędnych obrabiarki; siłownik jest serwosilnikiem; część, która steruje i wzmacnia sygnał wejściowy, jest często nazywana serwowzmacniaczem (znanym również jako sterownik, wzmacniacz, jednostka serwo itp.) i stanowi rdzeń serwonapędu.
Serwonapęd może być używany nie tylko w połączeniu z urządzeniem sterowania numerycznego, ale także samodzielnie jako system towarzyszący pozycjonowaniu (prędkości). Dlatego często nazywa się go również serwonapędem. We wczesnych systemach sterowania numerycznego, część sterująca położeniem była zazwyczaj zintegrowana z CNC, a serwonapęd odpowiadał jedynie za regulację prędkości. Dlatego serwonapęd był często nazywany jednostką sterowania prędkością.
PLC: PC to angielski skrót od Programmable Controller (sterownik programowalny). Wraz ze wzrostem popularności komputerów osobistych, aby uniknąć pomyłki z komputerami osobistymi (zwanymi również PC), sterowniki programowalne są obecnie powszechnie nazywane programowalnymi sterownikami logicznymi (Programmable Logic Controller – PLC) lub programowalnymi sterownikami maszyn (Programmable Machine Controller – PMC). Dlatego w przypadku obrabiarek CNC, PC, PLC i PMC mają dokładnie to samo znaczenie.
Sterowniki PLC charakteryzują się szybką reakcją, niezawodną wydajnością, wygodą użytkowania, łatwością programowania i debugowania oraz mogą bezpośrednio sterować niektórymi urządzeniami elektrycznymi obrabiarek. Dlatego są szeroko stosowane jako pomocnicze urządzenia sterujące w urządzeniach sterowanych numerycznie. Obecnie większość systemów sterowania numerycznego posiada wewnętrzny sterownik PLC do przetwarzania instrukcji pomocniczych obrabiarek CNC, co znacznie upraszcza sterowanie pomocnicze obrabiarki. Ponadto, w wielu przypadkach, dzięki specjalnym modułom funkcjonalnym, takim jak moduł sterowania osiami i moduł pozycjonowania sterownika PLC, sterownik PLC może być również bezpośrednio wykorzystywany do sterowania położeniem punktu, sterowania liniowego i prostego sterowania konturem, tworząc specjalistyczne obrabiarki CNC lub linie produkcyjne CNC.
Zasada składu i przetwarzania obrabiarek CNC
Podstawowy skład obrabiarek CNC
Obrabiarki CNC to najpopularniejszy sprzęt sterowany numerycznie. Aby wyjaśnić podstawową budowę obrabiarek CNC, należy najpierw przeanalizować proces obróbki detali na obrabiarkach CNC. W przypadku obrabiarek CNC, w celu obróbki detali, można wdrożyć następujące kroki:
Na podstawie rysunków i planów procesów części przeznaczonych do obróbki, korzystając z ustalonych kodów i formatów programu, zapisz trajektorię ruchu narzędzi, proces obróbki, parametry procesu, parametry cięcia itp. w formie instrukcji rozpoznawalnej przez system sterowania numerycznego, czyli napisz program obróbki.
Wprowadź pisemny program przetwarzania do urządzenia sterującego numerycznie.
Urządzenie sterujące numeryczne dekoduje i przetwarza program wejściowy (kod) i wysyła odpowiednie sygnały sterujące do urządzeń serwonapędowych i urządzeń sterujących funkcjami pomocniczymi każdej osi współrzędnych w celu sterowania ruchem każdego komponentu obrabiarki.
Podczas ruchu układ sterowania numerycznego musi w każdej chwili wykrywać położenie osi współrzędnych obrabiarki, stan przełączników ruchu itp. i porównywać je z wymaganiami programu w celu określenia następnej czynności, aż do momentu przetworzenia kwalifikowanych części.
Operator może w każdej chwili obserwować i kontrolować warunki obróbki oraz stan roboczy obrabiarki. W razie potrzeby konieczna jest również modyfikacja działań obrabiarki i programów obróbki, aby zapewnić jej bezpieczną i niezawodną pracę.
Jak widać, podstawowy skład obrabiarki CNC powinien obejmować: urządzenia wejścia/wyjścia, urządzenia sterowania numerycznego, serwonapędy i urządzenia sprzężenia zwrotnego, pomocnicze urządzenia sterujące oraz korpus obrabiarki.
Skład obrabiarek CNC
System sterowania numerycznego służy do sterowania procesem w obrabiarce. Obecnie większość systemów sterowania numerycznego wykorzystuje komputerowe sterowanie numeryczne (np. CNC). Urządzenie wejścia/wyjścia, urządzenie sterowania numerycznego, serwonapęd i urządzenie sprzężenia zwrotnego przedstawione na rysunku tworzą razem system sterowania numerycznego obrabiarki, a jego rola została opisana powyżej. Poniżej pokrótce przedstawiono pozostałe komponenty.
Urządzenie sprzężenia zwrotnego pomiaru: Stanowi ogniwo detekcyjne obrabiarki CNC z zamkniętą (półzamkniętą) pętlą. Jego zadaniem jest wykrywanie prędkości i przemieszczenia rzeczywistego przemieszczenia siłownika (takiego jak uchwyt narzędzia) lub stołu roboczego za pomocą nowoczesnych elementów pomiarowych, takich jak enkodery impulsów, resolwery, synchronizatory indukcyjne, kratki pomiarowe, liniały magnetyczne i laserowe przyrządy pomiarowe. Następnie przekazuje je z powrotem do serwonapędu lub układu sterowania numerycznego, kompensując prędkość posuwu lub błąd ruchu siłownika w celu poprawy dokładności mechanizmu ruchu. Pozycja montażu urządzenia detekcyjnego oraz miejsce, w którym sygnał detekcji jest sprzężony zwrotnie, zależą od struktury układu sterowania numerycznego. Wbudowane serwonapędy, tachometry i kratki pomiarowe to powszechnie stosowane elementy detekcyjne.
Ze względu na fakt, że wszystkie zaawansowane serwonapędy wykorzystują technologię serwonapędów cyfrowych (zwanych serwonapędami cyfrowymi), do połączenia serwonapędu z urządzeniem sterującym numerycznie zazwyczaj używana jest magistrala. W większości przypadków sygnał sprzężenia zwrotnego jest podłączony do serwonapędu i przesyłany do urządzenia sterującego numerycznie za pośrednictwem magistrali. Tylko w nielicznych przypadkach lub w przypadku stosowania serwonapędów analogowych (powszechnie znanych jako serwonapędy analogowe), urządzenie sprzężenia zwrotnego musi być bezpośrednio podłączone do urządzenia sterującego numerycznie.
Mechanizm sterowania pomocniczego i mechanizm transmisji posuwu: Znajduje się pomiędzy urządzeniem sterowania numerycznego a elementami mechanicznymi i hydraulicznymi obrabiarki. Jego główną rolą jest odbieranie instrukcji dotyczących prędkości wrzeciona, kierunku oraz startu/zatrzymania, wysyłanych przez urządzenie sterowania numerycznego; instrukcji wyboru i wymiany narzędzi; instrukcji startu/zatrzymania urządzeń chłodzących i smarujących; sygnałów instrukcji pomocniczych, takich jak luzowanie i zaciskanie przedmiotów obrabianych i elementów obrabiarki, indeksowanie stołu roboczego oraz sygnałów stanu przełączników detekcyjnych obrabiarki. Po niezbędnej kompilacji, logicznej ocenie i wzmocnieniu mocy, odpowiednie siłowniki są bezpośrednio napędzane, aby napędzać elementy mechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne urządzenia pomocnicze obrabiarki w celu wykonania czynności określonych w instrukcjach. Zazwyczaj składa się on ze sterownika PLC i obwodu sterowania o dużym natężeniu prądu. Sterownik PLC może być zintegrowany z CNC (wbudowany sterownik PLC) lub względnie niezależny (zewnętrzny sterownik PLC).
Korpus obrabiarki, czyli struktura mechaniczna obrabiarki CNC, składa się również z głównych układów napędowych, układów napędowych posuwu, łoża, stołów roboczych, pomocniczych urządzeń ruchowych, układów hydraulicznych i pneumatycznych, układów smarowania, układów chłodzenia, układów usuwania wiórów, układów zabezpieczających oraz innych części. Aby jednak spełnić wymagania sterowania numerycznego i w pełni wykorzystać wydajność obrabiarki, wprowadzono znaczące zmiany w jej ogólnym układzie, wyglądzie, strukturze układu napędowego, układzie narzędzi i wydajności operacyjnej. Do elementów mechanicznych obrabiarki należą łoże, skrzynia, kolumna, szyna prowadząca, stół roboczy, wrzeciono, mechanizm posuwu, mechanizm wymiany narzędzi itp.
Zasada obróbki CNC
W przypadku tradycyjnych obrabiarek do obróbki metalu, podczas obróbki części, operator musi stale zmieniać parametry, takie jak trajektoria ruchu i prędkość ruchu narzędzia, zgodnie z wymaganiami rysunku, tak aby narzędzie wykonało obróbkę skrawaniem przedmiotu obrabianego i ostatecznie przetworzyło wykwalifikowane części.
Obróbka na obrabiarkach CNC zasadniczo opiera się na zasadzie „różnicowej”. Jej zasadę działania i proces można w skrócie opisać następująco:
Na podstawie trajektorii narzędzia wymaganej przez program przetwarzania, układ sterowania numerycznego rozróżnia trajektorię wzdłuż odpowiednich osi współrzędnych obrabiarki o minimalnej wartości ruchu (ekwiwalent impulsów) (△X, △Y na rysunku 1-2) i oblicza liczbę impulsów, które każda oś współrzędnych potrzebuje do przesunięcia.
Za pomocą oprogramowania do „interpolacji” lub kalkulatora „interpolacji” urządzenia sterującego numerycznie do wymaganej trajektorii dopasowuje się równoważną linię łamaną w jednostkach „minimalnej jednostki ruchu”, a następnie wyszukuje się dopasowaną linię łamaną najbliższą trajektorii teoretycznej.
Na podstawie trajektorii dopasowanej polilinii urządzenie sterujące numerycznie w sposób ciągły przydziela impulsy posuwu do odpowiednich osi współrzędnych i umożliwia osiom współrzędnych obrabiarki poruszanie się zgodnie z przydzielonymi impulsami za pomocą serwonapędu.
Widać, że: Po pierwsze, dopóki minimalna wartość ruchu (ekwiwalent impulsu) obrabiarki CNC jest wystarczająco mała, dopasowana polilinia może być równoważnie zastąpiona krzywą teoretyczną. Po drugie, dopóki metoda alokacji impulsów osi współrzędnych zostanie zmieniona, kształt dopasowanej polilinii może zostać zmieniony, osiągając w ten sposób cel zmiany trajektorii przetwarzania. Po trzecie, dopóki częstotliwość…