Tehnologia de control numeric și mașini-unelte CNC
Tehnologia de control numeric, abreviată ca NC (Numerical Control), este un mijloc de control al mișcărilor mecanice și al procedurilor de procesare cu ajutorul informațiilor digitale. În prezent, deoarece controlul numeric modern adoptă în mod obișnuit controlul computerizat, este cunoscută și sub denumirea de control numeric computerizat (Computerized Numerical Control – CNC).
Pentru a realiza controlul digital al mișcărilor mecanice și al proceselor de prelucrare, trebuie echipate hardware-ul și software-ul corespunzătoare. Suma hardware-ului și software-ului utilizat pentru implementarea controlului digital al informațiilor se numește sistem de control numeric (Sistem de control numeric), iar nucleul sistemului de control numeric este dispozitivul de control numeric (Controlerul numeric).
Mașinile controlate prin tehnologia de control numeric se numesc mașini-unelte CNC (mașini-unelte NC). Acestea sunt produse mecatronice tipice care integrează în mod cuprinzător tehnologii avansate, cum ar fi tehnologia computerizată, tehnologia de control automat, tehnologia de măsurare de precizie și proiectarea mașinilor-unelte. Reprezintă piatra de temelie a tehnologiei moderne de fabricație. Controlul mașinilor-unelte este cel mai vechi și cel mai aplicat domeniu al tehnologiei de control numeric. Prin urmare, nivelul mașinilor-unelte CNC reprezintă în mare măsură performanța, nivelul și tendința de dezvoltare a tehnologiei actuale de control numeric.
Există diverse tipuri de mașini-unelte CNC, inclusiv mașini-unelte de găurit, frezat și alezat, mașini-unelte de strunjire, mașini-unelte de rectificat, mașini-unelte de prelucrare prin electroeroziune, mașini-unelte de forjare, mașini-unelte de prelucrare cu laser și alte mașini-unelte CNC cu scopuri speciale, cu utilizări specifice. Orice mașină-uneltă controlată prin tehnologia de comandă numerică este clasificată drept mașină-uneltă NC.
Mașinile-unelte CNC echipate cu un schimbător automat de scule ATC (Automatic Tool Changer – ATC), cu excepția strungurilor CNC cu port-scule rotative, sunt definite ca centre de prelucrare (Machine Center – MC). Prin înlocuirea automată a sculelor, piesele de prelucrat pot finaliza mai multe proceduri de prelucrare într-o singură prindere, realizând concentrarea proceselor și combinarea acestora. Acest lucru scurtează eficient timpul de prelucrare auxiliară și îmbunătățește eficiența de lucru a mașinii-unelte. Simultan, reduce numărul de instalări și poziționări ale pieselor de prelucrat, sporind precizia prelucrării. Centrele de prelucrare sunt în prezent tipul de mașini-unelte CNC cu cea mai mare putere și cea mai largă aplicație.
Bazat pe mașini-unelte CNC, prin adăugarea de dispozitive de schimb automat cu mai multe mese de lucru (paleți) (Auto Pallet Changer – APC) și alte dispozitive conexe, unitatea de procesare rezultată se numește celulă de fabricație flexibilă (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC nu numai că realizează concentrarea proceselor și combinarea acestora, dar, prin schimbul automat al meselor de lucru (paleți) și funcțiile relativ complete de monitorizare și control automat, poate efectua procesări fără personal pentru o anumită perioadă, îmbunătățind astfel și mai mult eficiența de procesare a echipamentului. FMC nu este doar baza sistemului flexibil de fabricație FMS (Flexible Manufacturing System), ci poate fi utilizat și ca echipament de procesare automat independent. Prin urmare, viteza sa de dezvoltare este destul de rapidă.
Pe baza FMC și a centrelor de prelucrare, prin adăugarea de sisteme logistice, roboți industriali și echipamente aferente, controlate și gestionate de un sistem central de control într-un mod centralizat și unificat, un astfel de sistem de fabricație se numește sistem flexibil de fabricație FMS (Sistem de Fabricație Flexibil). FMS nu numai că poate efectua procesare fără personal pentru perioade lungi de timp, dar poate realiza și procesarea completă a diferitelor tipuri de piese și asamblarea componentelor, realizând automatizarea procesului de fabricație din atelier. Este un sistem avansat de fabricație extrem de automatizat.
Odată cu progresul continuu al științei și tehnologiei, pentru a ne adapta la situația în schimbare a cererii pieței, pentru producția modernă, este necesară nu doar promovarea automatizării procesului de fabricație din atelier, ci și realizarea unei automatizări complete, de la prognoza pieței, luarea deciziilor de producție, proiectarea produsului, fabricarea produsului până la vânzarea produsului. Sistemul complet de producție și fabricație format prin integrarea acestor cerințe se numește sistem de fabricație integrat pe calculator (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS integrează organic o activitate de producție și afaceri mai lungă, realizând o producție inteligentă mai eficientă și mai flexibilă, reprezentând cea mai înaltă etapă a dezvoltării tehnologiei de fabricație automatizate de astăzi. În CIMS, nu numai integrarea echipamentelor de producție este, dar, mai important, integrarea tehnologiei și integrarea funcțiilor este caracterizată de informații. Computerul este instrumentul de integrare, tehnologia unității automate asistate de calculator este baza integrării, iar schimbul și partajarea de informații și date este puntea de integrare. Produsul final poate fi considerat manifestarea materială a informațiilor și datelor.
Sistemul de control numeric și componentele sale
Componentele de bază ale sistemului de control numeric
Sistemul de control numeric al unei mașini-unelte CNC este nucleul tuturor echipamentelor de control numeric. Principalul obiect de control al sistemului de control numeric este deplasarea axelor de coordonate (inclusiv viteza de mișcare, direcția, poziția etc.), iar informațiile sale de control provin în principal din procesarea controlului numeric sau din programele de control al mișcării. Prin urmare, componentele de bază ale sistemului de control numeric ar trebui să includă: dispozitivul de intrare/ieșire a programului, dispozitivul de control numeric și servomotorul.
Rolul dispozitivului de intrare/ieșire este de a introduce și transmite date, cum ar fi programe de procesare a controlului numeric sau de control al mișcării, date de procesare și control, parametrii mașinii-unelte, pozițiile axelor de coordonate și starea comutatoarelor de detecție. Tastatura și afișajul sunt cele mai elementare dispozitive de intrare/ieșire necesare pentru orice echipament de control numeric. În plus, în funcție de sistemul de control numeric, pot fi echipate și dispozitive precum cititoare fotoelectrice, unități de bandă magnetică sau unități de dischetă. Ca dispozitiv periferic, computerul este în prezent unul dintre dispozitivele de intrare/ieșire utilizate în mod obișnuit.
Dispozitivul de control numeric este componenta principală a sistemului de control numeric. Acesta constă din circuite de interfață de intrare/ieșire, controlere, unități aritmetice și memorie. Rolul dispozitivului de control numeric este de a compila, calcula și procesa datele introduse de dispozitivul de intrare prin intermediul circuitului logic intern sau al software-ului de control și de a genera diverse tipuri de informații și instrucțiuni pentru a controla diferitele părți ale mașinii-unelte în vederea efectuării acțiunilor specificate.
Printre aceste informații și instrucțiuni de control, cele mai elementare sunt instrucțiunile de viteză de avans, direcție de avans și deplasare a axelor de coordonate. Acestea sunt generate după calcule de interpolare, furnizate servomotorului, amplificate de driver și, în cele din urmă, controlează deplasarea axelor de coordonate. Aceasta determină direct traiectoria de mișcare a sculei sau a axelor de coordonate.
În plus, în funcție de sistem și echipament, de exemplu, pe o mașină-unealtă CNC, pot exista și instrucțiuni precum viteza de rotație, direcția, pornirea/oprirea axului; instrucțiuni de selectare și schimbare a sculelor; instrucțiuni de pornire/oprire a dispozitivelor de răcire și lubrifiere; instrucțiuni de slăbire și prindere a piesei de prelucrat; indexarea mesei de lucru și alte instrucțiuni auxiliare. În sistemul de control numeric, acestea sunt furnizate dispozitivului auxiliar de control extern sub formă de semnale prin intermediul interfeței. Dispozitivul auxiliar de control efectuează operațiunile de compilare și logică necesare asupra semnalelor de mai sus, le amplifică și acționează actuatoarele corespunzătoare pentru a acționa componentele mecanice, dispozitivele auxiliare hidraulice și pneumatice ale mașinii-unealtă pentru a finaliza acțiunile specificate de instrucțiuni.
Servomotorul este de obicei format din servoamplificatoare (cunoscute și sub denumirea de drivere, unități servo) și actuatoare. La mașinile-unelte CNC, în prezent se utilizează în general servomotoarele de curent alternativ; la mașinile-unelte avansate de prelucrare de mare viteză, au început să se utilizeze motoare liniare. În plus, la mașinile-unelte CNC produse înainte de anii 1980, au existat cazuri de utilizare a servomotoarelor de curent continuu; pentru mașinile-unelte CNC simple, se utilizau ca actuatoare și motoare pas cu pas. Forma servoamplificatorului depinde de actuator și trebuie utilizată împreună cu motorul de acționare.
Cele de mai sus sunt componentele de bază ale sistemului de control numeric. Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei de control numeric și îmbunătățirea nivelului de performanță al mașinilor-unelte, cerințele funcționale pentru sistem sunt, de asemenea, în creștere. Pentru a satisface cerințele de control ale diferitelor mașini-unelte, pentru a asigura integritatea și uniformitatea sistemului de control numeric și pentru a facilita utilizarea de către utilizator, sistemele avansate de control numeric utilizate în mod obișnuit au de obicei un controler programabil intern ca dispozitiv auxiliar de control al mașinii-unelte. În plus, la mașinile-unelte de prelucrare a metalelor, dispozitivul de acționare a axului poate deveni, de asemenea, o componentă a sistemului de control numeric; la mașinile-unelte CNC cu buclă închisă, dispozitivele de măsurare și detectare sunt, de asemenea, indispensabile sistemului de control numeric. Pentru sistemele avansate de control numeric, uneori se utilizează chiar și un computer ca interfață om-mașină a sistemului și pentru gestionarea datelor și dispozitivele de intrare/ieșire, făcând astfel funcțiile sistemului de control numeric mai puternice și performanța mai perfectă.
În concluzie, componența sistemului de control numeric depinde de performanța sistemului de control și de cerințele specifice de control ale echipamentului. Există diferențe semnificative în configurația și componența sa. Pe lângă cele trei componente de bază ale dispozitivului de intrare/ieșire al programului de procesare, dispozitivului de control numeric și servomotorului, pot exista mai multe dispozitive de control. Partea cu casetă punctată din Figura 1-1 reprezintă sistemul de control numeric computerizat.
Conceptele de NC, CNC, SV și PLC
NC (CNC), SV și PLC (PC, PMC) sunt abrevieri în limba engleză foarte frecvent utilizate în echipamentele de control numeric și au semnificații diferite în diferite situații din aplicațiile practice.
NC (CNC): NC și CNC sunt abrevierile comune în limba engleză pentru Numerical Control (Control Numeric) și, respectiv, Computerized Numerical Control (Control Numeric Computerizat). Având în vedere că sistemul de control numeric modern adoptă în întregime controlul computerizat, se poate considera că semnificațiile termenilor NC și CNC sunt complet identice. În aplicațiile inginerești, în funcție de ocazia de utilizare, NC (CNC) are de obicei trei semnificații diferite: Într-un sens larg, reprezintă o tehnologie de control – tehnologia de control numeric; într-un sens restrâns, reprezintă o entitate a unui sistem de control – sistemul de control numeric; în plus, poate reprezenta și un dispozitiv de control specific – dispozitivul de control numeric.
SV: SV este abrevierea comună în limba engleză pentru servo drive (Servo Drive, prescurtat servo). Conform termenilor prescriși ai standardului japonez JIS, este „un mecanism de control care preia poziția, direcția și starea unui obiect ca mărimi de control și urmărește modificările arbitrare ale valorii țintă”. Pe scurt, este un dispozitiv de control care poate urmări automat mărimi fizice, cum ar fi poziția țintă.
La mașinile-unelte CNC, rolul servomotorului se reflectă în principal în două aspecte: în primul rând, permite axelor de coordonate să funcționeze la viteza dată de dispozitivul de comandă numerică; în al doilea rând, permite poziționarea axelor de coordonate în funcție de poziția dată de dispozitivul de comandă numerică.
Obiectele de control ale servoacționării sunt de obicei deplasarea și viteza axelor de coordonate ale mașinii-unelte; actuatorul este un servomotor; partea care controlează și amplifică semnalul de comandă de intrare este adesea numită servoamplificator (cunoscut și sub numele de driver, amplificator, unitate servo etc.), care este nucleul servoacționării.
Servomotorul nu poate fi utilizat doar împreună cu dispozitivul de control numeric, ci poate fi utilizat și singur, ca sistem de însoțire a poziției (vitezei). Prin urmare, este adesea numit și servosistem. În primele sisteme de control numeric, partea de control al poziției era în general integrată cu CNC, iar servomotorul efectua doar controlul vitezei. Prin urmare, servomotorul era adesea numit unitate de control al vitezei.
PLC: PC este abrevierea în limba engleză a Programmable Controller (Controler programabil). Odată cu creșterea popularității computerelor personale, pentru a evita confuzia cu computerele personale (numite și PC-uri), controlerele programabile sunt acum denumite în general controlere logice programabile (Programmalbe Logic Controller – PLC) sau controlere de mașini programabile (Programmable Machine Controller – PMC). Prin urmare, pe mașinile-unelte CNC, PC, PLC și PMC au exact aceeași semnificație.
PLC-ul are avantajele unui răspuns rapid, performanței fiabile, utilizării convenabile, programării și depanării ușoare și poate acționa direct unele aparate electrice ale mașinilor-unelte. Prin urmare, este utilizat pe scară largă ca dispozitiv auxiliar de control pentru echipamentele de control numeric. În prezent, majoritatea sistemelor de control numeric au un PLC intern pentru procesarea instrucțiunilor auxiliare ale mașinilor-unelte CNC, simplificând astfel considerabil dispozitivul auxiliar de control al mașinii-unelte. În plus, în multe cazuri, prin intermediul unor module funcționale speciale, cum ar fi modulul de control al axelor și modulul de poziționare al PLC-ului, PLC-ul poate fi utilizat direct și pentru a realiza controlul poziției punctuale, controlul liniar și controlul simplu al conturului, formând mașini-unelte CNC speciale sau linii de producție CNC.
Principiul compoziției și procesării mașinilor-unelte CNC
Compoziția de bază a mașinilor-unelte CNC
Mașinile-unelte CNC sunt cele mai tipice echipamente de control numeric. Pentru a clarifica componența de bază a mașinilor-unelte CNC, este necesar mai întâi să analizăm procesul de lucru al mașinilor-unelte CNC pentru prelucrarea pieselor. La mașinile-unelte CNC, pentru a prelucra piese, se pot implementa următorii pași:
Conform desenelor și planurilor de proces ale pieselor care urmează să fie prelucrate, utilizând codurile și formatele de program prescrise, scrieți traiectoria de mișcare a sculelor, procesul de prelucrare, parametrii procesului, parametrii de așchiere etc. în forma de instrucțiuni recunoscută de sistemul de control numeric, adică scrieți programul de prelucrare.
Introduceți programul de procesare scris în dispozitivul de control numeric.
Dispozitivul de control numeric decodează și procesează programul (codul) de intrare și trimite semnalele de control corespunzătoare către dispozitivele de servomotare și dispozitivele auxiliare de control al funcțiilor fiecărei axe de coordonate pentru a controla mișcarea fiecărei componente a mașinii-unelte.
În timpul mișcării, sistemul de control numeric trebuie să detecteze în orice moment poziția axelor de coordonate ale mașinii-unelte, starea comutatoarelor de deplasare etc. și să le compare cu cerințele programului pentru a determina următoarea acțiune până la procesarea pieselor calificate.
Operatorul poate observa și inspecta condițiile de prelucrare și starea de funcționare a mașinii-unelte în orice moment. Dacă este necesar, sunt necesare și ajustări ale acțiunilor mașinii-unelte și ale programelor de prelucrare pentru a asigura funcționarea sigură și fiabilă a mașinii-unelte.
Se poate observa că, în componența de bază a unei mașini-unelte CNC, aceasta ar trebui să includă: dispozitive de intrare/ieșire, dispozitive de control numeric, servomotoare și dispozitive de feedback, dispozitive auxiliare de control și corpul mașinii-unelte.
Compoziția mașinilor-unelte CNC
Sistemul de control numeric este utilizat pentru a realiza controlul procesării mașinii-unelte gazdă. În prezent, majoritatea sistemelor de control numeric adoptă control numeric computerizat (de exemplu, CNC). Dispozitivul de intrare/ieșire, dispozitivul de control numeric, servomotorul și dispozitivul de feedback din figură constituie împreună sistemul de control numeric al mașinii-unelte, iar rolul său a fost descris mai sus. În continuare sunt prezentate pe scurt alte componente.
Dispozitiv de feedback al măsurării: Este legătura de detectare a unei mașini-unealtă CNC în buclă închisă (semi-buclă închisă). Rolul său este de a detecta viteza și deplasarea efectivă a actuatorului (cum ar fi suportul sculei) sau a mesei de lucru prin intermediul unor elemente de măsurare moderne, cum ar fi encodere de impulsuri, rezolvere, sincronizatoare de inducție, grile de distribuție, cântare magnetice și instrumente de măsurare cu laser, și de a le transmite înapoi către dispozitivul de servomotorizare sau către dispozitivul de control numeric, compensând viteza de avans sau eroarea de mișcare a actuatorului pentru a atinge scopul de a îmbunătăți precizia mecanismului de mișcare. Poziția de instalare a dispozitivului de detectare și poziția în care este transmis semnalul de detectare depind de structura sistemului de control numeric. Encoderele de impulsuri încorporate în servomotor, tahometrele și grilele de distribuție liniare sunt componente de detectare utilizate în mod obișnuit.
Deoarece toate servomotoarele avansate adoptă tehnologia servomotoarelor digitale (denumite servomotoare digitale), pentru conectarea dintre servomotor și dispozitivul de control numeric se utilizează de obicei o magistrală; în majoritatea cazurilor, semnalul de feedback este conectat la servomotorul și transmis către dispozitivul de control numeric prin magistrală. Doar în câteva cazuri sau atunci când se utilizează servomotoare analogice (cunoscute în mod obișnuit ca servomotoare analogice), dispozitivul de feedback trebuie conectat direct la dispozitivul de control numeric.
Mecanismul auxiliar de control și mecanismul de transmisie a avansului: Acesta este situat între dispozitivul de control numeric și componentele mecanice și hidraulice ale mașinii-unelte. Rolul său principal este de a primi viteza, direcția și instrucțiunile de pornire/oprire ale axului transmise de dispozitivul de control numeric; instrucțiuni de selectare și schimbare a sculelor; instrucțiuni de pornire/oprire ale dispozitivelor de răcire și lubrifiere; semnale de instrucțiuni auxiliare, cum ar fi slăbirea și strângerea pieselor de prelucrat și a componentelor mașinii-unelte, indexarea mesei de lucru și semnalele de stare ale comutatoarelor de detectare de pe mașina-uneltă. După compilarea necesară, judecata logică și amplificarea puterii, actuatoarele corespunzătoare sunt acționate direct pentru a acționa componentele mecanice, dispozitivele auxiliare hidraulice și pneumatice ale mașinii-unelte pentru a finaliza acțiunile specificate de instrucțiuni. De obicei, este compus dintr-un PLC și un circuit de control cu curent puternic. PLC-ul poate fi integrat cu CNC-ul în structură (PLC încorporat) sau relativ independent (PLC extern).
Corpul mașinii-unelte, adică structura mecanică a mașinii-unelte CNC, este compusă și din sisteme principale de acționare, sisteme de avansare, paturi, mese de lucru, dispozitive auxiliare de mișcare, sisteme hidraulice și pneumatice, sisteme de lubrifiere, dispozitive de răcire, sisteme de îndepărtare a așchiilor, sisteme de protecție și alte componente. Cu toate acestea, pentru a îndeplini cerințele controlului numeric și a valorifica pe deplin performanța mașinii-unelte, aceasta a suferit modificări semnificative în ceea ce privește aspectul general, designul aspectului, structura sistemului de transmisie, sistemul de scule și performanța de funcționare. Componentele mecanice ale mașinii-unelte includ patul, cutia, coloana, șina de ghidare, masa de lucru, axul principal, mecanismul de avans, mecanismul de schimb al sculelor etc.
Principiul prelucrării CNC
La mașinile-unelte tradiționale de tăiere a metalelor, la prelucrarea pieselor, operatorul trebuie să modifice continuu parametrii, cum ar fi traiectoria de mișcare și viteza de mișcare a sculei, în funcție de cerințele desenului, astfel încât scula să efectueze prelucrarea așchietoare pe piesa de prelucrat și, în final, să prelucreze piesele calificate.
Prelucrarea mașinilor-unelte CNC aplică în esență principiul „diferențial”. Principiul său de funcționare și procesul pot fi descrise pe scurt după cum urmează:
În funcție de traiectoria sculei cerută de programul de procesare, dispozitivul de comandă numerică diferențiază traiectoria de-a lungul axelor de coordonate corespunzătoare ale mașinii-unelte cu valoarea minimă de deplasare (echivalentul impulsurilor) (△X, △Y în Figura 1-2) și calculează numărul de impulsuri de care are nevoie fiecare axă de coordonate pentru a se deplasa.
Prin intermediul software-ului de „interpolare” sau al calculatorului de „interpolare” al dispozitivului de comandă numerică, traiectoria necesară este echipată cu o polilinie echivalentă în unități de „unitate minimă de mișcare” și se găsește polilinia echipată cea mai apropiată de traiectoria teoretică.
În funcție de traiectoria poliliniei montate, dispozitivul de comandă numerică alocă continuu impulsuri de alimentare axelor de coordonate corespunzătoare și permite axelor de coordonate ale mașinii-unelte să se deplaseze în funcție de impulsurile alocate prin intermediul servoacționării.
Se poate observa că: În primul rând, atâta timp cât cantitatea minimă de mișcare (echivalentul impulsurilor) a mașinii-unelte CNC este suficient de mică, polilinia ajustată utilizată poate fi înlocuită în mod echivalent cu curba teoretică. În al doilea rând, atâta timp cât metoda de alocare a impulsurilor axelor de coordonate este modificată, forma poliliniei ajustate poate fi modificată, atingându-se astfel scopul de a schimba traiectoria de procesare. În al treilea rând, atâta timp cât frecvența...