Технологија нумеричке контроле и CNC машине алатке
Технологија нумеричког управљања, скраћено NC (Numerical Control), је средство за контролу механичких кретања и поступака обраде помоћу дигиталних информација. Тренутно, пошто модерно нумеричко управљање обично усваја рачунарско управљање, познато је и као компјутеризовано нумеричко управљање (Computerized Numerical Control – CNC).
Да би се постигла дигитална информациона контрола механичких кретања и процеса обраде, мора бити опремљен одговарајући хардвер и софтвер. Збир хардвера и софтвера који се користи за имплементацију дигиталне информационе контроле назива се нумерички систем управљања (Нумерички систем управљања), а језгро нумеричког система управљања је уређај за нумеричко управљање (Нумерички контролер).
Машине којима управља технологија нумеричког управљања називају се CNC машине алатке (NC машине алатке). Ово је типичан мехатронски производ који свеобухватно интегрише напредне технологије као што су рачунарска технологија, технологија аутоматског управљања, технологија прецизног мерења и дизајн машина алатки. То је камен темељац модерне производне технологије. Управљање машинама алаткама је најранија и најшире примењена област технологије нумеричког управљања. Стога, ниво CNC машина алатки у великој мери представља перформансе, ниво и тренд развоја тренутне технологије нумеричког управљања.
Постоје различите врсте CNC алатних машина, укључујући машине за бушење, глодање и развртање, стругарске машине, брусилице, машине за електроерозиону обраду, ковање, ласерске машине за обраду и друге CNC машине за посебне намене са специфичном употребом. Свака алатна машина којом управља технологија нумеричког управљања класификује се као NC алатна машина.
CNC машине алатке опремљене аутоматским мењачем алата ATC (Automatic Tool Changer – ATC), осим CNC стругова са ротационим држачима алата, дефинишу се као обрадни центри (Machine Center – MC). Аутоматском заменом алата, обрадци могу да заврше више поступака обраде једним стезањем, постижући концентрацију процеса и комбинацију процеса. Ово ефикасно скраћује време помоћне обраде и побољшава радну ефикасност машине алатке. Истовремено, смањује се број инсталација и позиционирања обрадка, повећавајући тачност обраде. Обрадни центри су тренутно врста CNC машина алатки са највећим излазом и најширом применом.
На основу CNC алатних машина, додавањем уређаја за аутоматску замену више радних столова (палета) (Auto Pallet Changer – APC) и других сродних уређаја, резултујућа јединица за обраду назива се флексибилна производна ћелија (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC не само да остварује концентрацију процеса и комбинацију процеса, већ и, уз аутоматску замену радних столова (палета) и релативно комплетне функције аутоматског праћења и управљања, може да обавља беспилотну обраду током одређеног периода, чиме се додатно побољшава ефикасност обраде опреме. FMC није само основа флексибилног производног система FMS (Flexible Manufacturing System), већ се може користити и као независна аутоматизована опрема за обраду. Стога је његова брзина развоја прилично велика.
На основу FMC-а и обрадничких центара, додавањем логистичких система, индустријских робота и пратеће опреме, и контролисаним и управљаним централним контролним системом на централизован и обједињен начин, такав производни систем се назива флексибилни производни систем FMS (Флексибилни производни систем). FMS не само да може да обавља беспилотну обраду током дужег временског периода, већ и да постигне комплетну обраду различитих врста делова и склопова компоненти, постижући аутоматизацију процеса производње у радионици. То је високо аутоматизовани напредни производни систем.
Са континуираним напретком науке и технологије, како би се прилагодила променљивој ситуацији тржишне потражње, за модерну производњу није потребно само промовисати аутоматизацију процеса производње у радионици, већ и постићи свеобухватну аутоматизацију, од прогнозирања тржишта, доношења одлука о производњи, дизајна производа, производње производа до продаје производа. Комплетан производни и производни систем формиран интеграцијом ових захтева назива се рачунарски интегрисани производни систем (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS органски интегрише дужу производну и пословну активност, постижући ефикаснију и флексибилнију интелигентну производњу, представљајући највишу фазу развоја данашње аутоматизоване производне технологије. У CIMS-у, не само да је интеграција производне опреме, већ, што је још важније, интеграција технологије и интеграција функција карактерише се информацијама. Рачунар је алат за интеграцију, рачунарски потпомогнута технологија аутоматизованих јединица је основа интеграције, а размена и дељење информација и података је мост интеграције. Коначни производ се може сматрати материјалном манифестацијом информација и података.
Нумерички управљачки систем и његове компоненте
Основне компоненте система нумеричког управљања
Нумерички управљачки систем CNC машине алатке је срж све опреме за нумеричко управљање. Главни управљачки објекат нумеричког управљачког система је померање координатних оса (укључујући брзину кретања, смер, положај итд.), а његове управљачке информације углавном долазе из нумеричке обраде управљања или програма за управљање кретањем. Стога, најосновније компоненте нумеричког управљачког система треба да укључују: уређај за улаз/излаз програма, уређај за нумеричко управљање и серво погон.
Улога улазно/излазног уређаја је унос и излаз података као што су програми за нумеричку контролу обраде или контроле кретања, подаци о обради и контроли, параметри алатних машина, положаји координатних оса и статус прекидача за детекцију. Тастатура и дисплеј су најосновнији улазно/излазни уређаји неопходни за било коју опрему за нумеричку контролу. Поред тога, у зависности од система нумеричке контроле, могу бити опремљени и уређаји као што су фотоелектрични читачи, траке или дискете. Као периферни уређај, рачунар је тренутно један од најчешће коришћених улазно/излазних уређаја.
Нумерички управљачки уређај је основна компонента система нумеричког управљања. Састоји се од кола улазно/излазног интерфејса, контролера, аритметичких јединица и меморије. Улога нумеричког управљачког уређаја је да састави, израчуна и обради податке које уноси улазни уређај путем интерног логичког кола или управљачког софтвера, и да избаци различите врсте информација и инструкција за контролу различитих делова машине алатке ради извршавања одређених радњи.
Међу овим контролним информацијама и инструкцијама, најосновније су инструкције за брзину померања, смер померања и померање координатних оса. Оне се генеришу након интерполационих прорачуна, достављају серво погону, појачавају од стране драјвера и на крају контролишу померање координатних оса. Ово директно одређује путању кретања алата или координатних оса.
Поред тога, у зависности од система и опреме, на пример, на CNC машини алатки, могу постојати и инструкције као што су брзина ротације, смер, покретање/заустављање вретена; инструкције за избор и замену алата; инструкције за покретање/заустављање уређаја за хлађење и подмазивање; инструкције за отпуштање и стезање радног предмета; индексирање радног стола и друге помоћне инструкције. У нумеричком систему управљања, оне се достављају спољном помоћном управљачком уређају у облику сигнала преко интерфејса. Помоћни управљачки уређај врши неопходне компилације и логичке операције на горе наведеним сигналима, појачава их и покреће одговарајуће актуаторе за покретање механичких компоненти, хидрауличних и пнеуматских помоћних уређаја алатке како би се извршиле радње наведене у инструкцијама.
Серво погон се обично састоји од серво појачала (познатих и као драјвери, серво јединице) и актуатора. На CNC машинама алаткама, тренутно се као актуатори углавном користе AC серво мотори; на напредним машинама алаткама велике брзине почели су да се користе линеарни мотори. Поред тога, на CNC машинама алаткама произведеним пре 1980-их, било је случајева коришћења DC серво мотора; за једноставне CNC машине алатке, корачни мотори су такође коришћени као актуатори. Облик серво појачала зависи од актуатора и мора се користити заједно са погонским мотором.
Горе наведене су најосновније компоненте система нумеричког управљања. Са континуираним развојем технологије нумеричког управљања и побољшањем нивоа перформанси машина алатки, функционални захтеви за систем такође се повећавају. Да би се испунили захтеви управљања различитим машинама алаткама, осигурао интегритет и униформност система нумеричког управљања и олакшала употреба од стране корисника, уобичајено коришћени напредни системи нумеричког управљања обично имају интерни програмабилни контролер као помоћни управљачки уређај машине алатке. Поред тога, код машина за резање метала, уређај за погон вретена такође може постати компонента система нумеричког управљања; код ЦНЦ машина алатки са затвореном петљом, уређаји за мерење и детекцију су такође неопходни за систем нумеричког управљања. За напредне системе нумеричког управљања, понекад се чак и рачунар користи као интерфејс човек-машина система и за управљање подацима и улазно/излазне уређаје, чиме се функције система нумеричког управљања чине снажнијим, а перформансе савршенијим.
Закључно, састав нумеричког система управљања зависи од перформанси система управљања и специфичних захтева за управљање опремом. Постоје значајне разлике у његовој конфигурацији и саставу. Поред три најосновније компоненте улазно/излазног уређаја програма за обраду, нумеричког уређаја за управљање и серво погона, може постојати још управљачких уређаја. Испрекидани део квадрата на слици 1-1 представља рачунарски нумерички систем управљања.
Концепти NC, CNC, SV и PLC
NC (CNC), SV и PLC (PC, PMC) су веома често коришћене енглеске скраћенице у опреми за нумеричко управљање и имају различита значења у различитим приликама у практичним применама.
НЦ (ЦНЦ): НЦ и ЦНЦ су уобичајене енглеске скраћенице за Нумеричко управљање и Компјутеризовано нумеричко управљање, респективно. С обзиром на то да модерно нумеричко управљање усваја рачунарско управљање, може се сматрати да су значења НЦ и ЦНЦ потпуно иста. У инжењерским применама, у зависности од прилике употребе, НЦ (ЦНЦ) обично има три различита значења: У ширем смислу, представља технологију управљања – технологију нумеричког управљања; у ужем смислу, представља ентитет система управљања – систем нумеричког управљања; поред тога, може представљати и специфичан уређај за управљање – уређај за нумеричко управљање.
СВ: СВ је уобичајена енглеска скраћеница за серво погон (Servo Drive, скраћено серво). Према прописаним терминима јапанског JIS стандарда, то је „контролни механизам који узима положај, смер и стање објекта као контролне величине и прати произвољне промене циљне вредности“. Укратко, то је контролни уређај који може аутоматски да прати физичке величине као што је циљна позиција.
Код CNC машина алатки, улога серво погона се углавном огледа у два аспекта: Прво, омогућава да координатне осе раде брзином коју даје нумерички управљачки уређај; друго, омогућава да се координатне осе позиционирају према положају који даје нумерички управљачки уређај.
Контролни објекти серво погона су обично померање и брзина координатних оса машине алатке; актуатор је серво мотор; део који контролише и појачава улазни командни сигнал често се назива серво појачало (такође познато као драјвер, појачало, серво јединица итд.), што је језгро серво погона.
Серво погон се не може користити само у комбинацији са уређајем за нумеричко управљање, већ се може користити и самостално као систем за праћење позиције (брзине). Стога се често назива и серво систем. У раним системима нумеричког управљања, део за контролу позиције је генерално био интегрисан са CNC-ом, а серво погон је вршио само контролу брзине. Стога се серво погон често називао јединицом за контролу брзине.
PLC: PC је енглеска скраћеница од Programmable Controller (Програмабилни контролер). Са све већом популарношћу персоналних рачунара, да би се избегла забуна са персоналним рачунарима (такође названим PC), програмабилни контролери се сада генерално називају програмабилни логички контролери (Programmalbe Logic Controller – PLC) или програмабилни машински контролери (Programmable Machine Controller – PMC). Стога, на CNC алатним машинама, PC, PLC и PMC имају потпуно исто значење.
PLC има предности брзог одзива, поузданих перформанси, практичног коришћења, лаког програмирања и отклањања грешака, и може директно да управља неким електричним уређајима алатних машина. Због тога се широко користи као помоћни управљачки уређај за опрему за нумеричко управљање. Тренутно, већина система нумеричког управљања има интерни PLC за обраду помоћних инструкција CNC алатних машина, чиме се значајно поједностављује помоћни управљачки уређај алатне машине. Поред тога, у многим случајевима, путем посебних функционалних модула као што су модул за управљање осама и модул за позиционирање PLC-а, PLC се такође може директно користити за постизање контроле положаја тачке, линеарне контроле и једноставне контроле контуре, формирајући посебне CNC алатне машине или CNC производне линије.
Састав и принцип обраде ЦНЦ машинских алата
Основни састав ЦНЦ алатних машина
ЦНЦ машине алатке су најтипичнија опрема за нумеричко управљање. Да би се разјаснио основни састав ЦНЦ машина алатки, прво је потребно анализирати радни процес ЦНЦ машина алатки за обраду делова. На ЦНЦ машинама алаткама, за обраду делова, могу се спровести следећи кораци:
Према цртежима и плановима процеса делова који се обрађују, користећи прописане кодове и програмске формате, уписати путању кретања алата, процес обраде, параметре процеса, параметре резања итд. у образац инструкције који препознаје нумерички систем управљања, односно написати програм обраде.
Унесите писани програм за обраду у уређај за нумеричко управљање.
Нумерички управљачки уређај декодира и обрађује улазни програм (код) и шаље одговарајуће управљачке сигнале серво погонским уређајима и помоћним управљачким уређајима сваке координатне осе како би контролисао кретање сваке компоненте алатне машине.
Током кретања, нумерички управљачки систем мора у било ком тренутку да детектује положај координатних оса машинског алата, статус прекидача за кретање итд. и да их упореди са захтевима програма како би одредио следећу акцију док се квалификовани делови не обраде.
Оператор може у било ком тренутку да посматра и прегледа услове обраде и радно стање машине алатке. Ако је потребно, потребна су и подешавања радњи машине алатке и програма обраде како би се осигурао безбедан и поуздан рад машине алатке.
Може се видети да као основни састав CNC машине алатке треба да садржи: улазно/излазне уређаје, уређаје за нумеричко управљање, серво погоне и уређаје за повратну спрегу, помоћне управљачке уређаје и тело машине алатке.
Састав CNC машина алатки
Нумерички управљачки систем се користи за постизање контроле обраде машине алатке. Тренутно, већина нумеричких управљачких система усваја рачунарску нумеричку контролу (нпр. CNC). Улазно/излазни уређај, нумерички управљачки уређај, серво погон и уређај за повратну спрегу на слици заједно чине нумерички управљачки систем алатке, а његова улога је описана горе. У наставку су укратко описане остале компоненте.
Уређај за повратну информацију о мерењу: То је детекторска веза CNC машине алатке са затвореном петљом (полузатвореном петљом). Његова улога је да детектује брзину и померање стварног померања актуатора (као што је држач алата) или радног стола помоћу модерних мерних елемената као што су импулсни енкодери, резолвери, индукциони синхронизатори, решетке, магнетне ваге и ласерски мерни инструменти, и да их врати серво погону или нумеричком управљачком уређају, и да компензује брзину померања или грешку кретања актуатора како би се постигла сврха побољшања тачности механизма кретања. Положај инсталације детекторског уређаја и положај где се детекторски сигнал враћа зависе од структуре нумеричког управљачког система. Уграђени серво импулсни енкодери, тахометри и линеарне решетке су уобичајене компоненте за детекцију.
Због чињенице да сви напредни серво мотори користе технологију дигиталног серво погона (која се назива дигитални серво), обично се користи магистрала за повезивање између серво погона и уређаја за нумеричко управљање; у већини случајева, сигнал повратне спреге је повезан са серво погоном и преноси се на уређај за нумеричко управљање преко магистрале. Само у ретким случајевима или када се користе аналогни серво погони (обично познати као аналогни серво), уређај за повратну спрегу мора бити директно повезан са уређајем за нумеричко управљање.
Помоћни управљачки механизам и механизам за пренос помака: Налази се између нумеричког управљачког уређаја и механичких и хидрауличних компоненти алатне машине. Његова главна улога је пријем брзине вретена, смера и инструкција за покретање/заустављање које даје нумерички управљачки уређај; инструкција за избор и замену алата; инструкција за покретање/заустављање уређаја за хлађење и подмазивање; сигнала помоћних инструкција као што су отпуштање и стезање радних предмета и компоненти алатне машине, индексирање радног стола и сигнали статуса прекидача за детекцију на алатној машини. Након неопходне компилације, логичке процене и појачања снаге, одговарајући актуатори се директно покрећу да би покретали механичке компоненте, хидрауличне и пнеуматске помоћне уређаје алатне машине како би се извршиле радње наведене инструкцијама. Обично се састоји од PLC-а и кола за управљање јаком струјом. PLC може бити интегрисан са CNC структуром (уграђени PLC) или релативно независан (спољни PLC).
Тело машине алатке, односно механичка структура CNC машине алатке, такође се састоји од главних погонских система, система погона за довод, кревета, радних столова, помоћних уређаја за кретање, хидрауличних и пнеуматских система, система за подмазивање, уређаја за хлађење, система за уклањање струготине, заштитних система и других делова. Међутим, да би се испунили захтеви нумеричке контроле и дале пуне могућности перформансама машине алатке, она је претрпела значајне промене у погледу укупног распореда, дизајна изгледа, структуре система преноса, система алата и радних перформанси. Механичке компоненте машине алатке укључују кревет, кутију, стуб, вођицу, радни сто, вретено, механизам за довод, механизам за замену алата итд.
Принцип CNC обраде
На традиционалним машинама за сечење метала, приликом обраде делова, оператер мора континуирано да мења параметре као што су путања кретања и брзина кретања алата у складу са захтевима цртежа, тако да алат врши обраду сечења на радном предмету и коначно обрађује квалификоване делове.
Обрада CNC алатних машина у суштини примењује „диференцијални“ принцип. Њен принцип рада и процес могу се укратко описати на следећи начин:
Према путањи алата коју захтева програм обраде, нумерички управљачки уређај разликује путању дуж одговарајућих координатних оса машине алатке са минималном количином кретања (еквивалент импулса) (△X, △Y на слици 1-2) и израчунава број импулса које свака координатна оса треба да помери.
Помоћу софтвера за „интерполацију“ или калкулатора за „интерполацију“ уређаја за нумеричко управљање, потребна путања се уклапа са еквивалентном полилинијом у јединицама „јединице минималног кретања“ и проналази се уклопљена полилинија најближа теоријској путањи.
Према путањи уграђене полилиније, нумерички управљачки уређај континуирано додељује импулсе померања одговарајућим координатним осама и омогућава координатним осама алатне машине да се крећу у складу са додељеним импулсима преко серво погона.
Може се видети да: Прво, све док је минимална количина кретања (еквивалент импулса) CNC машине довољно мала, коришћена полилинија која се користи може се еквивалентно заменити теоријском кривом. Друго, све док се промени метод расподеле импулса координатних оса, облик полилиније која се уклапа може се променити, чиме се постиже сврха промене путање обраде. Треће, све док је фреквенција…