Numerička upravljačka tehnologija i CNC alatne mašine
Tehnologija numeričkog upravljanja, skraćeno NC (Numeričko upravljanje), je sredstvo za upravljanje mehaničkim pokretima i postupcima obrade uz pomoć digitalnih informacija. Trenutno, budući da moderno numeričko upravljanje obično usvaja računarsko upravljanje, poznato je i kao kompjuterizovano numeričko upravljanje (Computerized Numerical Control – CNC).
Da bi se postigla digitalna informaciona kontrola mehaničkih kretanja i procesa obrade, mora biti opremljen odgovarajućim hardverom i softverom. Zbir hardvera i softvera koji se koristi za implementaciju digitalne informacione kontrole naziva se numerički sistem upravljanja (Numerički sistem upravljanja), a jezgro numeričkog sistema upravljanja je numerički upravljački uređaj (Numerički kontroler).
Mašine kojima se upravlja tehnologijom numeričkog upravljanja nazivaju se CNC alatne mašine (NC alatne mašine). Ovo je tipičan mehatronički proizvod koji sveobuhvatno integriše napredne tehnologije kao što su računarska tehnologija, tehnologija automatskog upravljanja, tehnologija preciznog mjerenja i dizajn alatnih mašina. To je temelj moderne proizvodne tehnologije. Upravljanje alatnim mašinama je najranije i najšire primijenjeno područje tehnologije numeričkog upravljanja. Stoga, nivo CNC alatnih mašina uveliko predstavlja performanse, nivo i trend razvoja trenutne tehnologije numeričkog upravljanja.
Postoje različite vrste CNC alatnih mašina, uključujući alatne mašine za bušenje, glodanje i razvrtanje, alatne mašine za tokarenje, alatne mašine za brušenje, alatne mašine za elektroerozijsku obradu, alatne mašine za kovanje, alatne mašine za lasersku obradu i druge CNC alatne mašine specijalne namjene sa specifičnom upotrebom. Svaka alatna mašina kontrolisana tehnologijom numeričkog upravljanja klasifikuje se kao NC alatna mašina.
CNC alatne mašine opremljene automatskim mjenjačem alata ATC (Automatic Tool Changer – ATC), osim CNC tokarilica sa rotacijskim držačima alata, definisane su kao obradni centri (Machine Center – MC). Automatskom zamjenom alata, obradci mogu završiti više postupaka obrade jednim stezanjem, postižući koncentraciju procesa i kombinaciju procesa. Ovo efikasno skraćuje pomoćno vrijeme obrade i poboljšava radnu efikasnost alatne mašine. Istovremeno, smanjuje broj instalacija i pozicioniranja obradaka, povećavajući tačnost obrade. Obradni centri su trenutno vrsta CNC alatnih mašina sa najvećim učinkom i najširom primjenom.
Na osnovu CNC alatnih mašina, dodavanjem uređaja za automatsku zamjenu više radnih stolova (paleta) (Auto Pallet Changer – APC) i drugih srodnih uređaja, rezultirajuća procesna jedinica naziva se fleksibilna proizvodna ćelija (Fleksibilna proizvodna ćelija – FMC). FMC ne samo da ostvaruje koncentraciju procesa i kombinaciju procesa, već i, uz automatsku zamjenu radnih stolova (paleta) i relativno potpune funkcije automatskog praćenja i upravljanja, može obavljati bespilotnu obradu tokom određenog perioda, čime se dodatno poboljšava efikasnost obrade opreme. FMC nije samo osnova fleksibilnog proizvodnog sistema FMS (Fleksibilni proizvodni sistem), već se može koristiti i kao nezavisna automatizovana oprema za obradu. Stoga je njegova brzina razvoja prilično brza.
Na osnovu FMC-a i obradnih centara, dodavanjem logističkih sistema, industrijskih robota i srodne opreme, te kontrolom i upravljanjem putem centralnog kontrolnog sistema na centralizovan i objedinjen način, takav proizvodni sistem se naziva fleksibilni proizvodni sistem FMS (Fleksibilni proizvodni sistem). FMS ne samo da može obavljati bespilotnu obradu tokom dužih perioda, već i postići potpunu obradu različitih vrsta dijelova i montaže komponenti, postižući automatizaciju proizvodnog procesa u radionici. To je visoko automatizovani napredni proizvodni sistem.
S kontinuiranim napretkom nauke i tehnologije, kako bi se prilagodila promjenjivoj situaciji tržišne potražnje, za modernu proizvodnju nije potrebno samo promovirati automatizaciju proizvodnog procesa u radionici, već i postići sveobuhvatnu automatizaciju, od predviđanja tržišta, donošenja odluka o proizvodnji, dizajna proizvoda, proizvodnje proizvoda do prodaje proizvoda. Kompletan proizvodni sistem formiran integracijom ovih zahtjeva naziva se računarski integrirani proizvodni sistem (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS organski integrira dužu proizvodnu i poslovnu aktivnost, postižući efikasniju i fleksibilniju inteligentnu proizvodnju, predstavljajući najvišu fazu razvoja današnje automatizirane proizvodne tehnologije. U CIMS-u, ne samo da se integrira proizvodna oprema, već, što je još važnije, informacija karakterizira integracija tehnologije i integracija funkcija. Računar je alat za integraciju, računarski potpomognuta tehnologija automatiziranih jedinica je osnova integracije, a razmjena i dijeljenje informacija i podataka je most integracije. Konačni proizvod se može smatrati materijalnom manifestacijom informacija i podataka.
Numerički upravljački sistem i njegove komponente
Osnovne komponente numeričkog upravljačkog sistema
Numerički upravljački sistem CNC alatne mašine je srž sve numeričke upravljačke opreme. Glavni kontrolni objekat numeričkog upravljačkog sistema je pomjeranje koordinatnih osa (uključujući brzinu kretanja, smjer, položaj itd.), a njegove kontrolne informacije uglavnom dolaze iz numeričke obrade upravljanja ili programa za upravljanje kretanjem. Stoga, najosnovnije komponente numeričkog upravljačkog sistema trebaju uključivati: ulazno/izlazni uređaj programa, numerički upravljački uređaj i servo pogon.
Uloga ulazno/izlaznog uređaja je unos i izlaz podataka kao što su programi za numeričko upravljanje ili upravljanje kretanjem, podaci za obradu i upravljanje, parametri alatnih mašina, položaji koordinatnih osa i status prekidača za detekciju. Tastatura i ekran su najosnovniji ulazno/izlazni uređaji neophodni za bilo koju numeričku upravljačku opremu. Pored toga, u zavisnosti od numeričkog upravljačkog sistema, mogu biti opremljeni i uređaji kao što su fotoelektrični čitači, magnetofonske jedinice ili disketne jedinice. Kao periferni uređaj, računar je trenutno jedan od najčešće korištenih ulazno/izlaznih uređaja.
Numerički upravljački uređaj je osnovna komponenta numeričkog upravljačkog sistema. Sastoji se od ulazno/izlaznih interfejs kola, kontrolera, aritmetičkih jedinica i memorije. Uloga numeričkog upravljačkog uređaja je da kompajlira, izračunava i obrađuje podatke koje unose ulazni uređaji putem internog logičkog kola ili upravljačkog softvera, te da izdaje različite vrste informacija i instrukcija za upravljanje različitim dijelovima alatne mašine radi izvršavanja specificiranih radnji.
Među ovim kontrolnim informacijama i instrukcijama, najosnovnije su instrukcije za brzinu pomaka, smjer pomaka i pomjeranje koordinatnih osa. One se generiraju nakon interpolacijskih proračuna, dostavljaju servo pogonu, pojačavaju od strane upravljačkog programa i u konačnici kontroliraju pomjeranje koordinatnih osa. Ovo direktno određuje putanju kretanja alata ili koordinatnih osa.
Pored toga, ovisno o sistemu i opremi, na primjer, na CNC alatnoj mašini, mogu postojati i instrukcije kao što su brzina rotacije, smjer, pokretanje/zaustavljanje vretena; instrukcije za odabir i zamjenu alata; instrukcije za pokretanje/zaustavljanje uređaja za hlađenje i podmazivanje; instrukcije za otpuštanje i stezanje obratka; indeksiranje radnog stola i druge pomoćne instrukcije. U numeričkom upravljačkom sistemu, one se dostavljaju vanjskom pomoćnom upravljačkom uređaju u obliku signala putem interfejsa. Pomoćni upravljački uređaj obavlja potrebne operacije kompilacije i logičke operacije na gore navedenim signalima, pojačava ih i pokreće odgovarajuće aktuatore za pokretanje mehaničkih komponenti, hidrauličnih i pneumatskih pomoćnih uređaja alatne mašine kako bi se izvršile radnje navedene u instrukcijama.
Servo pogon se obično sastoji od servo pojačala (također poznatih kao drajveri, servo jedinice) i aktuatora. Na CNC alatnim mašinama, AC servo motori se trenutno uglavnom koriste kao aktuatori; na naprednim alatnim mašinama velike brzine, počeli su se koristiti linearni motori. Pored toga, na CNC alatnim mašinama proizvedenim prije 1980-ih, bilo je slučajeva korištenja DC servo motora; za jednostavne CNC alatne mašine, koračni motori su se također koristili kao aktuatori. Oblik servo pojačala zavisi od aktuatora i mora se koristiti zajedno sa pogonskim motorom.
Gore navedene su najosnovnije komponente numeričkog upravljačkog sistema. S kontinuiranim razvojem tehnologije numeričkog upravljanja i poboljšanjem nivoa performansi alatnih mašina, funkcionalni zahtjevi za sistem također rastu. Da bi se zadovoljili zahtjevi upravljanja različitim alatnim mašinama, osigurala integritet i ujednačenost numeričkog upravljačkog sistema i olakšala upotreba od strane korisnika, uobičajeno korišteni napredni numerički upravljački sistemi obično imaju interni programabilni kontroler kao pomoćni upravljački uređaj alatne mašine. Pored toga, kod alatnih mašina za rezanje metala, uređaj za pogon vretena također može postati komponenta numeričkog upravljačkog sistema; kod CNC alatnih mašina sa zatvorenom petljom, uređaji za mjerenje i detekciju su također neophodni za numerički upravljački sistem. Kod naprednih numeričkih upravljačkih sistema, ponekad se čak i računar koristi kao interfejs čovjek-mašina sistema i za upravljanje podacima i ulazno/izlazne uređaje, čime se funkcije numeričkog upravljačkog sistema čine snažnijim, a performanse savršenijim.
Zaključno, sastav numeričkog upravljačkog sistema zavisi od performansi upravljačkog sistema i specifičnih zahtjeva za upravljanje opremom. Postoje značajne razlike u njegovoj konfiguraciji i sastavu. Pored tri najosnovnije komponente ulazno/izlaznog uređaja programa za obradu, numeričkog upravljačkog uređaja i servo pogona, može postojati i više upravljačkih uređaja. Isprekidani dio okvira na slici 1-1 predstavlja numerički upravljački sistem računara.
Koncepti NC, CNC, SV i PLC
NC (CNC), SV i PLC (PC, PMC) su vrlo često korištene engleske skraćenice u opremi za numeričko upravljanje i imaju različita značenja u različitim prilikama u praktičnim primjenama.
NC (CNC): NC i CNC su uobičajene engleske skraćenice za Numerical Control (Numeričko upravljanje) i Computerized Numerical Control (Kompjuterizovano numeričko upravljanje). S obzirom na to da moderno numeričko upravljanje koristi računarsko upravljanje, može se smatrati da su značenja NC i CNC potpuno ista. U inženjerskim primjenama, ovisno o prilici upotrebe, NC (CNC) obično ima tri različita značenja: U širem smislu, predstavlja tehnologiju upravljanja - tehnologiju numeričkog upravljanja; u užem smislu, predstavlja entitet sistema upravljanja - sistem numeričkog upravljanja; pored toga, može predstavljati i specifičan uređaj za upravljanje - uređaj za numeričko upravljanje.
SV: SV je uobičajena engleska skraćenica za servo pogon (Servo Drive, skraćeno servo). Prema propisanim terminima japanskog JIS standarda, to je „kontrolni mehanizam koji uzima položaj, smjer i stanje objekta kao kontrolne veličine i prati proizvoljne promjene ciljne vrijednosti.“ Ukratko, to je kontrolni uređaj koji može automatski pratiti fizičke veličine kao što je ciljna pozicija.
Na CNC alatnim mašinama, uloga servo pogona se uglavnom ogleda u dva aspekta: Prvo, omogućava koordinatnim osama da rade brzinom koju zadaje numerički upravljački uređaj; drugo, omogućava pozicioniranje koordinatnih osa prema položaju koji zadaje numerički upravljački uređaj.
Objekti upravljanja servo pogonom su obično pomjeranje i brzina koordinatnih osa alatne mašine; aktuator je servo motor; dio koji kontroliše i pojačava ulazni komandni signal često se naziva servo pojačalo (također poznato kao drajver, pojačalo, servo jedinica itd.), što je jezgro servo pogona.
Servo pogon se ne može koristiti samo u kombinaciji s uređajem za numeričko upravljanje, već se može koristiti i samostalno kao sistem za praćenje pozicije (brzine). Stoga se često naziva i servo sistem. U ranim sistemima numeričkog upravljanja, dio za kontrolu pozicije je uglavnom bio integriran s CNC-om, a servo pogon je vršio samo kontrolu brzine. Stoga se servo pogon često nazivao jedinicom za kontrolu brzine.
PLC: PC je engleska skraćenica od Programmable Controller (Programabilni kontroler). S rastućom popularnošću personalnih računara, kako bi se izbjegla zabuna s personalnim računarima (također nazvanim PC-ji), programabilni kontroleri se sada općenito nazivaju programabilni logički kontroleri (Programmalbe Logic Controller – PLC) ili programabilni mašinski kontroleri (Programmable Machine Controller – PMC). Stoga, na CNC alatnim mašinama, PC, PLC i PMC imaju potpuno isto značenje.
PLC ima prednosti brzog odziva, pouzdanih performansi, praktičnog korištenja, jednostavnog programiranja i otklanjanja grešaka, te može direktno upravljati nekim električnim uređajima alatnih mašina. Stoga se široko koristi kao pomoćni upravljački uređaj za numeričko upravljanje. Trenutno, većina numeričkih upravljačkih sistema ima interni PLC za obradu pomoćnih instrukcija CNC alatnih mašina, čime se znatno pojednostavljuje pomoćni upravljački uređaj alatne mašine. Osim toga, u mnogim slučajevima, putem posebnih funkcionalnih modula kao što su modul za kontrolu ose i modul za pozicioniranje PLC-a, PLC se također može direktno koristiti za postizanje kontrole položaja tačke, linearne kontrole i jednostavne kontrole konture, formirajući specijalne CNC alatne mašine ili CNC proizvodne linije.
Sastav i princip obrade CNC alatnih mašina
Osnovni sastav CNC alatnih mašina
CNC alatne mašine su najtipičnija oprema za numeričko upravljanje. Da bi se razjasnio osnovni sastav CNC alatnih mašina, prvo je potrebno analizirati radni proces CNC alatnih mašina za obradu dijelova. Na CNC alatnim mašinama, za obradu dijelova, mogu se implementirati sljedeći koraci:
Prema crtežima i procesnim planovima dijelova koji se obrađuju, koristeći propisane kodove i programske formate, upisati putanju kretanja alata, proces obrade, procesne parametre, parametre rezanja itd. u instrukcijski oblik prepoznatljiv numeričkom upravljačkom sistemu, odnosno napisati program obrade.
Unesite pisani program za obradu u uređaj za numeričko upravljanje.
Uređaj za numeričko upravljanje dekodira i obrađuje ulazni program (kod) i šalje odgovarajuće kontrolne signale servo pogonskim uređajima i pomoćnim uređajima za upravljanje funkcijama svake koordinatne ose kako bi kontrolisao kretanje svake komponente alatne mašine.
Tokom kretanja, numerički upravljački sistem treba u bilo kojem trenutku da detektuje položaj koordinatnih osa alatne mašine, status prekidača za kretanje itd. i da ih uporedi sa zahtjevima programa kako bi odredio sljedeću akciju dok se ne obrade kvalifikovani dijelovi.
Operater može u bilo kojem trenutku posmatrati i provjeravati uslove obrade i radno stanje alatne mašine. Po potrebi, potrebna su i podešavanja radnji alatne mašine i programa obrade kako bi se osigurao siguran i pouzdan rad alatne mašine.
Može se vidjeti da osnovni sastav CNC alatne mašine treba da uključuje: ulazno/izlazne uređaje, numeričke upravljačke uređaje, servo pogone i uređaje za povratnu informaciju, pomoćne upravljačke uređaje i tijelo alatne mašine.
Sastav CNC alatnih mašina
Numerički upravljački sistem se koristi za postizanje kontrole obrade glavnog uređaja alatne mašine. Trenutno, većina numeričkih upravljačkih sistema koristi računarsko numeričko upravljanje (npr. CNC). Ulazno/izlazni uređaj, numerički upravljački uređaj, servo pogon i uređaj za povratnu informaciju na slici zajedno čine numerički upravljački sistem alatne mašine, a njegova uloga je opisana gore. U nastavku su ukratko predstavljene ostale komponente.
Uređaj za povratnu informaciju mjerenja: To je detekcijska veza CNC alatne mašine sa zatvorenom petljom (poluzatvorenom petljom). Njegova uloga je da detektuje brzinu i pomak stvarnog pomaka aktuatora (kao što je držač alata) ili radnog stola putem modernih mjernih elemenata kao što su enkoderi impulsa, resolveri, indukcijski sinhronizatori, rešetke, magnetne vage i laserski mjerni instrumenti, te da ih vrati nazad do servo pogonskog uređaja ili numeričkog upravljačkog uređaja, te kompenzuje brzinu pomaka ili grešku kretanja aktuatora kako bi se postigla svrha poboljšanja tačnosti mehanizma kretanja. Položaj instalacije uređaja za detekciju i položaj na koji se signal detekcije vraća zavise od strukture numeričkog upravljačkog sistema. Ugrađeni servo enkoderi impulsa, tahometri i linearne rešetke su uobičajeno korištene komponente za detekciju.
Zbog činjenice da svi napredni servo motori koriste tehnologiju digitalnih servo pogona (koja se naziva digitalni servo), za vezu između servo pogona i numeričkog upravljačkog uređaja obično se koristi magistrala; u većini slučajeva, signal povratne sprege je povezan sa servo pogonom i prenosi se na numerički upravljački uređaj putem magistrale. Samo u nekoliko slučajeva ili kada se koriste analogni servo pogoni (obično poznati kao analogni servo), uređaj za povratnu spregu mora biti direktno povezan sa numeričkim upravljačkim uređajem.
Pomoćni upravljački mehanizam i mehanizam za prijenos posmaka: Nalazi se između numeričkog upravljačkog uređaja i mehaničkih i hidrauličnih komponenti alatne mašine. Njegova glavna uloga je primanje brzine vretena, smjera i instrukcija za pokretanje/zaustavljanje koje daje numerički upravljački uređaj; instrukcije za odabir i zamjenu alata; instrukcije za pokretanje/zaustavljanje uređaja za hlađenje i podmazivanje; signale pomoćnih instrukcija kao što su otpuštanje i stezanje obradaka i komponenti alatne mašine, indeksiranje radnog stola i signali statusa prekidača za detekciju na alatnoj mašini. Nakon potrebnog sastavljanja, logičkog prosuđivanja i pojačanja snage, odgovarajući aktuatori se direktno pokreću kako bi pokretali mehaničke komponente, hidraulične i pneumatske pomoćne uređaje alatne mašine kako bi dovršili radnje navedene u instrukcijama. Obično se sastoji od PLC-a i strujnog kola za upravljanje jakom strujom. PLC može biti integriran sa CNC strukturom (ugrađeni PLC) ili relativno nezavisan (eksterni PLC).
Tijelo alatne mašine, odnosno mehanička struktura CNC alatne mašine, također se sastoji od glavnih pogonskih sistema, sistema pogona za pomicanje, kreveta, radnih stolova, pomoćnih uređaja za kretanje, hidrauličnih i pneumatskih sistema, sistema podmazivanja, uređaja za hlađenje, sistema za uklanjanje strugotine, zaštitnih sistema i drugih dijelova. Međutim, kako bi se ispunili zahtjevi numeričkog upravljanja i dale pune mogućnosti performansama alatne mašine, pretrpjela je značajne promjene u pogledu ukupnog rasporeda, dizajna izgleda, strukture sistema prijenosa, sistema alata i radnih performansi. Mehaničke komponente alatne mašine uključuju krevet, kutiju, stub, vodilicu, radni sto, vreteno, mehanizam za pomicanje, mehanizam za zamjenu alata itd.
Princip CNC obrade
Na tradicionalnim alatnim mašinama za rezanje metala, prilikom obrade dijelova, operater mora kontinuirano mijenjati parametre kao što su putanja kretanja i brzina kretanja alata u skladu sa zahtjevima crteža, tako da alat vrši obradu rezanjem na radnom komadu i na kraju obrađuje kvalifikovane dijelove.
Obrada CNC alatnih mašina u suštini primjenjuje princip "diferencijala". Njen princip rada i proces mogu se ukratko opisati na sljedeći način:
Prema putanji alata koju zahtijeva program za obradu, numerički upravljački uređaj diferencira putanju duž odgovarajućih koordinatnih osa alatne mašine sa minimalnom količinom kretanja (ekvivalent impulsa) (△X, △Y na slici 1-2) i izračunava broj impulsa koji je svakoj koordinatnoj osi potreban za pomicanje.
Pomoću softvera za "interpolaciju" ili kalkulatora za "interpolaciju" numeričkog upravljačkog uređaja, potrebna putanja se prilagođava ekvivalentnoj poliliniji u jedinicama "jedinice minimalnog kretanja" i pronalazi se prilagođena polilinija najbliža teorijskoj putanji.
U skladu s putanjom postavljene polilinije, numerički upravljački uređaj kontinuirano dodjeljuje impulse za pomicanje odgovarajućim koordinatnim osama i omogućava koordinatnim osama alatne mašine da se pomiču u skladu s dodijeljenim impulsima putem servo pogona.
Može se vidjeti da: Prvo, sve dok je minimalna količina pomjeranja (ekvivalent impulsa) CNC alatne mašine dovoljno mala, korištena prilagođena polilinija može se ekvivalentno zamijeniti za teorijsku krivulju. Drugo, sve dok se promijeni metoda dodjele impulsa koordinatnih osa, može se promijeniti i oblik prilagođene polilinije, čime se postiže svrha promjene putanje obrade. Treće, sve dok je frekvencija…