Technológia numerického riadenia a CNC obrábacie stroje
Technológia numerického riadenia, skrátene NC (Numerical Control), je prostriedok na riadenie mechanických pohybov a procesov spracovania pomocou digitálnych informácií. V súčasnosti, keďže moderné numerické riadenie bežne využíva počítačové riadenie, je známe aj ako počítačom riadené numerické riadenie (Computerized Numerical Control – CNC).
Na dosiahnutie digitálneho informačného riadenia mechanických pohybov a procesov spracovania je potrebné vybaviť sa zodpovedajúcim hardvérom a softvérom. Súhrn hardvéru a softvéru používaného na implementáciu digitálneho informačného riadenia sa nazýva numerický riadiaci systém (číselný riadiaci systém) a jadrom numerického riadiaceho systému je numerické riadiace zariadenie (číselný ovládač).
Stroje riadené technológiou numerického riadenia sa nazývajú CNC obrábacie stroje (NC obrábacie stroje). Ide o typický mechatronický produkt, ktorý komplexne integruje pokročilé technológie, ako je počítačová technológia, technológia automatického riadenia, technológia presného merania a konštrukcia obrábacích strojov. Je základom modernej výrobnej technológie. Riadenie obrábacích strojov je najstaršou a najrozšírenejšou oblasťou technológie numerického riadenia. Preto úroveň CNC obrábacích strojov do značnej miery predstavuje výkon, úroveň a trend vývoja súčasnej technológie numerického riadenia.
Existujú rôzne typy CNC obrábacích strojov vrátane vŕtacích, frézovacích a vyvrtávacích strojov, sústružníckych obrábacích strojov, brúsok, elektroerozívnych obrábacích strojov, kovacích obrábacích strojov, laserových obrábacích strojov a iných špeciálnych CNC obrábacích strojov so špecifickým použitím. Akýkoľvek obrábací stroj riadený numerickou riadenou technológiou sa klasifikuje ako NC obrábací stroj.
CNC obrábacie stroje vybavené automatickým meničom nástrojov ATC (Automatic Tool Changer – ATC), s výnimkou CNC sústruhov s rotačnými držiakmi nástrojov, sa definujú ako obrábacie centrá (Machine Center – MC). Vďaka automatickej výmene nástrojov môžu obrobky vykonávať viacero obrábacích procesov v jednom upnutí, čím sa dosahuje koncentrácia procesov a ich kombinácia. To efektívne skracuje čas pomocného obrábania a zlepšuje pracovnú efektivitu obrábacieho stroja. Súčasne sa znižuje počet inštalácií a polohovania obrobkov, čím sa zvyšuje presnosť obrábania. Obrábacie centrá sú v súčasnosti typom CNC obrábacích strojov s najväčším výkonom a najširším uplatnením.
Na základe CNC obrábacích strojov sa pridaním zariadení na automatickú výmenu viacerých pracovných stolov (paliet – Auto Pallet Changer – APC) a ďalších súvisiacich zariadení výsledná procesná jednotka nazýva flexibilná výrobná bunka (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC nielenže realizuje koncentráciu procesov a kombináciu procesov, ale vďaka automatickej výmene pracovných stolov (paliet) a relatívne úplným automatickým monitorovacím a riadiacim funkciám dokáže vykonávať bezobslužné spracovanie po určitú dobu, čím sa ďalej zlepšuje efektivita spracovania zariadenia. FMC nie je len základom flexibilného výrobného systému FMS (Flexible Manufacturing System), ale môže sa použiť aj ako nezávislé automatizované procesné zariadenie. Preto je jeho vývoj pomerne rýchly.
Takýto výrobný systém, ktorý je založený na systémoch FMC a obrábacích centier, pridaním logistických systémov, priemyselných robotov a súvisiaceho zariadenia a je centralizovaným a jednotným spôsobom riadený a spravovaný centrálnym riadiacim systémom, sa nazýva flexibilný výrobný systém FMS (Flexibilný výrobný systém). FMS dokáže nielen vykonávať bezobslužné spracovanie po dlhú dobu, ale aj dosiahnuť kompletné spracovanie rôznych typov dielov a montážnych komponentov, čím sa automatizuje výrobný proces v dielni. Ide o vysoko automatizovaný pokročilý výrobný systém.
S neustálym pokrokom vedy a techniky, aby sa moderná výroba prispôsobila meniacej sa situácii na trhu a dopytu, je potrebné nielen podporovať automatizáciu výrobného procesu v dielni, ale aj dosiahnuť komplexnú automatizáciu od predpovedí trhu, rozhodovania o výrobe, návrhu produktu, výroby produktu až po predaj produktu. Kompletný výrobný systém vytvorený integráciou týchto požiadaviek sa nazýva počítačom integrovaný výrobný systém (počítačom integrovaný výrobný systém – CIMS). CIMS organicky integruje dlhšiu výrobnú a obchodnú činnosť, dosahuje efektívnejšiu a flexibilnejšiu inteligentnú výrobu a predstavuje najvyšší stupeň vývoja dnešnej automatizovanej výrobnej technológie. V CIMS nie je integrácia výrobného zariadenia len integráciou, ale čo je dôležitejšie, integráciou technológií a funkcií charakterizovanou informáciami. Počítač je integračným nástrojom, počítačom podporovaná automatizovaná jednotka je základom integrácie a výmena a zdieľanie informácií a údajov je mostom integrácie. Konečný produkt možno považovať za materiálne vyjadrenie informácií a údajov.
Systém numerického riadenia a jeho komponenty
Základné komponenty numerického riadiaceho systému
Systém numerického riadenia CNC obrábacieho stroja je jadrom všetkých zariadení numerického riadenia. Hlavným riadením systému numerického riadenia je posun súradnicových osí (vrátane rýchlosti pohybu, smeru, polohy atď.) a jeho riadiace informácie pochádzajú hlavne z programov numerického riadenia alebo riadenia pohybu. Preto by najzákladnejšie komponenty systému numerického riadenia mali zahŕňať: vstupno-výstupné zariadenie programu, zariadenie numerického riadenia a servopohon.
Úlohou vstupno-výstupného zariadenia je vstup a výstup údajov, ako sú programy numerického riadenia alebo riadenia pohybu, údaje o spracovaní a riadení, parametre obrábacieho stroja, polohy súradnicových osí a stav detekčných spínačov. Klávesnica a displej sú najzákladnejšie vstupno-výstupné zariadenia potrebné pre akékoľvek numerické riadiace zariadenie. Okrem toho, v závislosti od systému numerického riadenia, môžu byť vybavené aj zariadeniami, ako sú fotoelektrické čítačky, páskové jednotky alebo disketové jednotky. Ako periférne zariadenie je počítač v súčasnosti jedným z bežne používaných vstupno-výstupných zariadení.
Numerické riadiace zariadenie je jadrom systému numerického riadenia. Pozostáva zo vstupno-výstupných rozhraniových obvodov, ovládačov, aritmetických jednotiek a pamäte. Úlohou numerického riadiaceho zariadenia je zostavovať, vypočítavať a spracovávať údaje vstupujúce zo vstupného zariadenia prostredníctvom interného logického obvodu alebo riadiaceho softvéru a vydávať rôzne typy informácií a inštrukcií na riadenie rôznych častí obrábacieho stroja na vykonávanie zadaných činností.
Spomedzi týchto riadiacich informácií a inštrukcií sú najzákladnejšie inštrukcie týkajúce sa rýchlosti posuvu, smeru posuvu a posunu posuvu súradnicových osí. Tieto sa generujú po interpolačných výpočtoch, poskytujú sa servopohonu, zosilňujú sa ovládačom a v konečnom dôsledku riadia posun súradnicových osí. To priamo určuje trajektóriu pohybu nástroja alebo súradnicových osí.
Okrem toho, v závislosti od systému a zariadenia, napríklad na CNC obrábacom stroji, môžu existovať aj inštrukcie, ako sú rýchlosť otáčania, smer, spustenie/zastavenie vretena; inštrukcie na výber a výmenu nástroja; inštrukcie na spustenie/zastavenie chladiacich a mazacích zariadení; inštrukcie na uvoľnenie a upnutie obrobku; indexovanie pracovného stola a ďalšie pomocné inštrukcie. V numerickom riadiacom systéme sú tieto inštrukcie poskytované externému pomocnému riadiacemu zariadeniu vo forme signálov cez rozhranie. Pomocné riadiace zariadenie vykonáva potrebné kompilačné a logické operácie s vyššie uvedenými signálmi, zosilňuje ich a riadi príslušné ovládače na riadenie mechanických komponentov, hydraulických a pneumatických pomocných zariadení obrábacieho stroja na dokončenie činností špecifikovaných v inštrukciách.
Servopohon sa zvyčajne skladá zo servozosilňovačov (tiež známych ako ovládače, servojednotky) a akčných členov. Na CNC obrábacích strojoch sa v súčasnosti ako akčné členy všeobecne používajú striedavé servomotory; na pokročilých vysokorýchlostných obrábacích strojoch sa začali používať lineárne motory. Okrem toho sa na CNC obrábacích strojoch vyrobených pred 80. rokmi 20. storočia vyskytli prípady použitia jednosmerných servomotorov; pre jednoduché CNC obrábacie stroje sa ako akčné členy používali aj krokové motory. Tvar servozosilňovača závisí od akčného člena a musí sa používať v spojení s hnacím motorom.
Vyššie uvedené sú najzákladnejšie komponenty numerického riadiaceho systému. S neustálym vývojom technológie numerického riadenia a zlepšovaním úrovne výkonu obrábacích strojov sa zvyšujú aj funkčné požiadavky na systém. Na splnenie požiadaviek na riadenie rôznych obrábacích strojov, zabezpečenie integrity a jednotnosti numerického riadiaceho systému a uľahčenie používania používateľom majú bežne používané pokročilé numerické riadiace systémy zvyčajne interný programovateľný ovládač ako pomocné riadiace zariadenie obrábacieho stroja. Okrem toho sa pri obrábacích strojoch na kov môže stať súčasťou numerického riadiaceho systému aj pohon vretena; pri CNC obrábacích strojoch s uzavretou slučkou sú pre numerický riadený systém nevyhnutné aj meracie a detekčné zariadenia. Pri pokročilých numerických riadiacich systémoch sa niekedy ako rozhranie človek-stroj systému a na správu údajov a vstupno-výstupné zariadenia používa aj počítač, čím sa funkcie numerického riadiaceho systému stávajú výkonnejšími a výkonnejšími.
Záverom možno povedať, že zloženie numerického riadiaceho systému závisí od výkonu riadiaceho systému a špecifických požiadaviek na riadenie zariadenia. Existujú významné rozdiely v jeho konfigurácii a zložení. Okrem troch najzákladnejších komponentov vstupno-výstupného zariadenia spracovateľského programu, numerického riadiaceho zariadenia a servopohonu môže existovať viac riadiacich zariadení. Prerušovaná časť na obrázku 1-1 predstavuje počítačový numerický riadiaci systém.
Koncepty NC, CNC, SV a PLC
NC (CNC), SV a PLC (PC, PMC) sú veľmi často používané anglické skratky v numerickom riadení a v rôznych praktických aplikáciách majú rôzne významy.
NC (CNC): NC a CNC sú bežné anglické skratky pre Numerical Control (Numerické riadenie) a Computerized Numerical Control (Počítačové numerické riadenie). Vzhľadom na to, že moderné numerické riadenie využíva počítačové riadenie, možno predpokladať, že významy NC a CNC sú úplne rovnaké. V technických aplikáciách má NC (CNC) v závislosti od použitia zvyčajne tri rôzne významy: V širšom zmysle predstavuje technológiu riadenia – technológiu numerického riadenia; v užšom zmysle predstavuje entitu riadiaceho systému – systém numerického riadenia; okrem toho môže predstavovať aj špecifické riadiace zariadenie – zariadenie numerického riadenia.
SV: SV je bežná anglická skratka pre servopohon (Servo Drive, skrátene servo). Podľa predpísaných pojmov japonskej normy JIS ide o „riadiaci mechanizmus, ktorý berie polohu, smer a stav objektu ako riadiace veličiny a sleduje ľubovoľné zmeny cieľovej hodnoty“. Stručne povedané, ide o riadiace zariadenie, ktoré dokáže automaticky sledovať fyzikálne veličiny, ako je cieľová poloha.
Na CNC obrábacích strojoch sa úloha servopohonu prejavuje najmä v dvoch aspektoch: Po prvé, umožňuje súradnicovým osiam pracovať rýchlosťou danou numerickým riadiacim zariadením; po druhé, umožňuje polohovanie súradnicových osí podľa polohy danej numerickým riadiacim zariadením.
Riadiacimi objektmi servopohonu sú zvyčajne posun a rýchlosť súradnicových osí obrábacieho stroja; akčným členom je servomotor; časť, ktorá riadi a zosilňuje vstupný poveľový signál, sa často nazýva servozosilňovač (tiež známy ako ovládač, zosilňovač, servojednotka atď.), ktorý je jadrom servopohonu.
Servopohon sa dá použiť nielen v spojení s numerickým riadením, ale aj samostatne ako systém na riadenie polohy (rýchlosti). Preto sa často nazýva aj servosystém. V skorých numerických riadiacich systémoch bola časť riadenia polohy vo všeobecnosti integrovaná s CNC a servopohon vykonával iba riadenie rýchlosti. Preto sa servopohon často nazýval jednotkou riadenia rýchlosti.
PLC: PC je anglická skratka pre Programmable Controller (Programmable Controller). S rastúcou popularitou osobných počítačov sa programovateľné ovládače, aby sa predišlo zámene s osobnými počítačmi (tiež nazývanými PC), teraz všeobecne nazývajú programovateľné logické ovládače (Programmalbe Logic Controller – PLC) alebo programovateľné riadiace jednotky strojov (Programmable Machine Controller – PMC). Preto majú na CNC obrábacích strojoch PC, PLC a PMC úplne rovnaký význam.
PLC má výhody rýchlej odozvy, spoľahlivého výkonu, pohodlného používania, jednoduchého programovania a ladenia a dokáže priamo riadiť niektoré elektrické spotrebiče obrábacích strojov. Preto sa široko používa ako pomocné riadiace zariadenie pre numerické riadiace zariadenia. V súčasnosti má väčšina numerických riadiacich systémov interné PLC na spracovanie pomocných inštrukcií CNC obrábacích strojov, čím sa výrazne zjednodušuje pomocné riadiace zariadenie obrábacieho stroja. Okrem toho sa v mnohých prípadoch prostredníctvom špeciálnych funkčných modulov, ako je modul riadenia osí a polohovací modul PLC, dá PLC priamo využiť aj na dosiahnutie bodového riadenia polohy, lineárneho riadenia a jednoduchého riadenia kontúr, čím sa vytvárajú špeciálne CNC obrábacie stroje alebo CNC výrobné linky.
Zloženie a princíp spracovania CNC obrábacích strojov
Základné zloženie CNC obrábacích strojov
CNC obrábacie stroje sú najtypickejšími zariadeniami s numerickým riadením. Pre objasnenie základného zloženia CNC obrábacích strojov je najprv potrebné analyzovať pracovný proces CNC obrábacích strojov na spracovanie dielov. Na CNC obrábacích strojoch je možné na spracovanie dielov implementovať nasledujúce kroky:
Podľa výkresov a procesných plánov obrábaných dielov, pomocou predpísaných kódov a programových formátov, zapíšte trajektóriu pohybu nástrojov, proces obrábania, procesné parametre, parametre rezania atď. do inštrukčného formulára rozpoznateľného numerickým riadiacim systémom, teda napíšte program obrábania.
Vložte písomný program do numerického riadiaceho zariadenia.
Numerické riadiace zariadenie dekóduje a spracováva vstupný program (kód) a odosiela zodpovedajúce riadiace signály do servopohonov a pomocných riadiacich zariadení každej súradnicovej osi na riadenie pohybu každej súčasti obrábacieho stroja.
Počas pohybu musí numerický riadiaci systém kedykoľvek detekovať polohu súradnicových osí obrábacieho stroja, stav spínačov pojazdu atď. a porovnať ich s požiadavkami programu, aby určil ďalší postup, kým sa nespracujú kvalifikované diely.
Obsluha môže kedykoľvek pozorovať a kontrolovať podmienky spracovania a pracovný stav obrábacieho stroja. V prípade potreby sú potrebné aj úpravy činností obrábacieho stroja a programov spracovania, aby sa zabezpečila bezpečná a spoľahlivá prevádzka obrábacieho stroja.
Je zrejmé, že základné zloženie CNC obrábacieho stroja by malo zahŕňať: vstupno-výstupné zariadenia, numerické riadiace zariadenia, servopohony a spätnoväzobné zariadenia, pomocné riadiace zariadenia a telo obrábacieho stroja.
Zloženie CNC obrábacích strojov
Systém numerického riadenia sa používa na dosiahnutie riadenia spracovania hostiteľského stroja. V súčasnosti väčšina systémov numerického riadenia používa počítačové numerické riadenie (napr. CNC). Vstupno-výstupné zariadenie, zariadenie numerického riadenia, servopohon a spätnoväzobné zariadenie na obrázku spolu tvoria systém numerického riadenia obrábacieho stroja a jeho úloha bola opísaná vyššie. Nasleduje stručný popis ďalších komponentov.
Zariadenie spätnej väzby merania: Je to detekčný článok CNC obrábacieho stroja s uzavretou slučkou (polouzatvorenou slučkou). Jeho úlohou je detekovať rýchlosť a posun skutočného posunu aktuátora (napríklad držiaka nástroja) alebo pracovného stola pomocou moderných meracích prvkov, ako sú impulzné snímače, resolvery, indukčné synchronizátory, mriežky, magnetické váhy a laserové meracie prístroje, a privádzať ich späť do servopohonu alebo numerického riadiaceho zariadenia a kompenzovať rýchlosť posuvu alebo chybu pohybu aktuátora na dosiahnutie cieľa zlepšenia presnosti pohybového mechanizmu. Montážna poloha detekčného zariadenia a poloha, kam sa detekčný signál privádza späť, závisia od štruktúry numerického riadiaceho systému. Bežne používanými detekčnými komponentmi sú vstavané impulzné snímače servopohonov, tachometre a lineárne mriežky.
Vzhľadom na to, že všetky pokročilé servopohony používajú technológiu digitálnych servopohonov (označovaných ako digitálne servo), na prepojenie medzi servopohonom a numerickým riadiacim zariadením sa zvyčajne používa zbernica; vo väčšine prípadov je spätnoväzobný signál pripojený k servopohonu a prenášaný do numerického riadiaceho zariadenia cez zbernicu. Len v niekoľkých prípadoch alebo pri použití analógových servopohonov (bežne známych ako analógové servo) je potrebné spätnoväzobné zariadenie priamo pripojiť k numerickému riadiacemu zariadeniu.
Pomocný riadiaci mechanizmus a mechanizmus prenosu posuvu: Nachádza sa medzi numerickým riadiacim zariadením a mechanickými a hydraulickými komponentmi obrábacieho stroja. Jeho hlavnou úlohou je prijímať pokyny na otáčky vretena, smer otáčania a spustenie/zastavenie, ktoré vydáva numerické riadiace zariadenie; pokyny na výber a výmenu nástroja; pokyny na spustenie/zastavenie chladiacich a mazacích zariadení; signály pomocných pokynov, ako je uvoľňovanie a upnutie obrobkov a komponentov obrábacieho stroja, indexovanie pracovného stola a stavové signály detekčných spínačov na obrábacom stroji. Po potrebnom zostavení, logickom úsudku a zosilnení výkonu sú príslušné aktuátory priamo poháňané na riadenie mechanických komponentov, hydraulických a pneumatických pomocných zariadení obrábacieho stroja a na dokončenie činností špecifikovaných v pokynoch. Zvyčajne sa skladá z PLC a silnoprúdového riadiaceho obvodu. PLC môže byť integrované s CNC v štruktúre (vstavané PLC) alebo relatívne nezávislé (externé PLC).
Teleso obrábacieho stroja, teda mechanická štruktúra CNC obrábacieho stroja, sa skladá aj z hlavných pohonných systémov, systémov posuvných pohonov, lôžok, pracovných stolov, pomocných pohybových zariadení, hydraulických a pneumatických systémov, mazacích systémov, chladiacich zariadení, systémov odstraňovania triesok, ochranných systémov a ďalších častí. Aby sa však splnili požiadavky numerického riadenia a aby sa naplno využil výkon obrábacieho stroja, prešlo sa významnými zmenami, pokiaľ ide o celkové usporiadanie, vzhľad, štruktúru prevodového systému, nástrojový systém a prevádzkový výkon. Medzi mechanické komponenty obrábacieho stroja patrí lôžko, skriňa, stĺp, vodiaca lišta, pracovný stôl, vreteno, mechanizmus posuvu, mechanizmus výmeny nástrojov atď.
Princíp CNC obrábania
Na tradičných obrábacích strojoch na kovy musí obsluha pri obrábaní dielov neustále meniť parametre, ako je trajektória pohybu a rýchlosť pohybu nástroja, podľa požiadaviek výkresu, aby nástroj vykonával rezné obrábanie obrobku a nakoniec spracovával kvalifikované diely.
Obrábanie CNC obrábacích strojov v podstate využíva „diferenciálny“ princíp. Jeho pracovný princíp a proces možno stručne opísať takto:
Podľa trajektórie nástroja požadovanej programom spracovania numerické riadiace zariadenie diferencuje trajektóriu pozdĺž zodpovedajúcich súradnicových osí obrábacieho stroja s minimálnym množstvom pohybu (ekvivalent impulzu) (△X, △Y na obrázku 1-2) a vypočíta počet impulzov, ktoré každá súradnicová os potrebuje na pohyb.
Pomocou „interpolačného“ softvéru alebo „interpolačného“ kalkulátora numerického riadiaceho zariadenia sa požadovaná trajektória prispôsobí ekvivalentnej polyčiare v jednotkách „jednotky minimálneho pohybu“ a nájde sa prispôsobená polyčiara najbližšie k teoretickej trajektórii.
Podľa trajektórie prispôsobenej lomenej čiary numerické riadiace zariadenie priebežne prideľuje posuvné impulzy príslušným súradnicovým osiam a umožňuje súradnicovým osiam obrábacieho stroja pohybovať sa podľa pridelených impulzov pomocou servopohonu.
Je zrejmé, že: Po prvé, pokiaľ je minimálne množstvo pohybu (ekvivalent impulzu) CNC obrábacieho stroja dostatočne malé, použitá prispôsobená polyčiara môže byť ekvivalentne nahradená teoretickou krivkou. Po druhé, pokiaľ sa zmení metóda priradenia impulzov súradnicovým osiam, je možné zmeniť tvar prispôsobenej polyčiary, čím sa dosiahne účel zmeny trajektórie spracovania. Po tretie, pokiaľ frekvencia…