Нумеричка технологија за контрола и CNC машински алати
Технологијата за нумеричко управување, скратено NC (Нумеричка контрола), е средство за контрола на механичките движења и процедурите за обработка со помош на дигитални информации. Во моментов, бидејќи современото нумеричко управување најчесто го прифаќа компјутерското управување, таа е позната и како компјутеризирана нумеричка контрола (Компјутеризирана нумеричка контрола – CNC).
За да се постигне дигитална информациска контрола на механичките движења и процесите на обработка, мора да се опреми соодветен хардвер и софтвер. Збирот од хардверот и софтверот што се користат за имплементација на дигитална информациска контрола се нарекува нумерички систем за управување (Нумерички систем за управување), а јадрото на нумеричкиот систем за управување е нумеричкиот уред за управување (Нумерички контролер).
Машините контролирани со технологија за нумеричко управување се нарекуваат CNC машински алати (NC машински алати). Ова е типичен мехатронски производ кој сеопфатно ги интегрира напредните технологии како што се компјутерската технологија, технологијата за автоматско управување, технологијата за прецизно мерење и дизајнот на машински алати. Тој е камен-темелник на модерната производствена технологија. Контролирањето на машински алати е најраната и најшироко применета област на технологијата за нумеричко управување. Затоа, нивото на CNC машински алати во голема мера ги претставува перформансите, нивото и трендот на развој на моменталната технологија за нумеричко управување.
Постојат различни видови на CNC машини, вклучувајќи машини за дупчење, глодање и дупчење, машини за стружење, машини за брусење, машини за обработка со електрично празнење, машини за ковање, машини за обработка со ласер и други CNC машини за специјална намена со специфични намени. Секоја машинска алатка контролирана со технологија на нумеричко управување е класифицирана како NC машина.
Оние CNC машински алати опремени со автоматска менувачка машина за алати ATC (Automatic Tool Changer – ATC), освен CNC струговите со ротирачки држачи за алати, се дефинирани како центри за обработка (Machine Center – MC). Преку автоматска замена на алатите, обработените парчиња можат да завршат повеќе процедури за обработка со едно стегање, постигнувајќи концентрација на процеси и комбинација на процеси. Ова ефикасно го скратува времето на дополнителна обработка и ја подобрува работната ефикасност на машинската алатка. Истовремено, го намалува бројот на инсталации и позиционирање на обработените парчиња, зголемувајќи ја точноста на обработката. Обработувачките центри во моментов се тип на CNC машински алати со најголем излез и најширока примена.
Врз основа на CNC машините, со додавање на уреди за автоматска размена на повеќе работни маси (палети) (Auto Pallet Changer – APC) и други сродни уреди, добиената единица за обработка се нарекува флексибилна производствена ќелија (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC не само што ја реализира концентрацијата на процесите и комбинацијата на процесите, туку и, со автоматската размена на работни маси (палети) и релативно комплетните функции за автоматско следење и контрола, може да извршува обработка без екипаж за одреден период, со што дополнително се подобрува ефикасноста на обработката на опремата. FMC не е само основа на флексибилниот производствен систем FMS (Flexible Manufacturing System), туку може да се користи и како независна опрема за автоматска обработка. Затоа, неговата брзина на развој е доста голема.
Врз основа на FMC и машински центри, со додавање на логистички системи, индустриски роботи и сродна опрема, и контролирано и управувано од централен контролен систем на централизиран и унифициран начин, таков производствен систем се нарекува флексибилен производствен систем FMS (Флексибилен производствен систем). FMS не само што може да извршува беспилотна обработка подолги периоди, туку и да постигне целосна обработка на различни видови делови и склопување на компоненти, постигнувајќи автоматизација на процесот на производство во работилницата. Тоа е високо автоматизиран напреден производствен систем.
Со континуираниот напредок на науката и технологијата, со цел да се прилагоди на променливата состојба на побарувачката на пазарот, за модерното производство, не е потребно само да се промовира автоматизацијата на процесот на производство во работилницата, туку и да се постигне сеопфатна автоматизација од предвидување на пазарот, донесување одлуки за производството, дизајн на производи, производство на производи до продажба на производи. Целосниот систем за производство и производство формиран со интегрирање на овие барања се нарекува компјутерски интегриран систем за производство (Компјутерски интегриран систем за производство – CIMS). CIMS органски интегрира подолга производствена и деловна активност, постигнувајќи поефикасно и пофлексибилно интелигентно производство, претставувајќи ја највисоката фаза од развојот на денешната автоматизирана технологија за производство. Во CIMS, не само што интеграцијата на производствената опрема, туку, што е поважно, интеграцијата на технологијата и интеграцијата на функциите се карактеризираат со информации. Компјутерот е алатка за интеграција, компјутерски потпомогнатата автоматизирана единечна технологија е основа на интеграцијата, а размената и споделувањето на информации и податоци е мостот на интеграцијата. Крајниот производ може да се смета за материјална манифестација на информациите и податоците.
Нумеричкиот систем за управување и неговите компоненти
Основните компоненти на нумеричкиот систем за управување
Нумеричкиот систем за управување на CNC машината е јадрото на целата опрема за нумеричко управување. Главниот контролен објект на нумеричкиот систем за управување е поместувањето на координатните оски (вклучувајќи брзина на движење, насока, положба итн.), а неговите контролни информации главно доаѓаат од програми за нумеричко управување или контрола на движење. Затоа, најосновните компоненти на нумеричкиот систем за управување треба да вклучуваат: влезно/излезен уред на програмата, нумерички уред за управување и серво погон.
Улогата на влезно-излезниот уред е да внесува и изнесува податоци како што се програми за нумеричко управување со обработка или контрола на движење, податоци за обработка и контрола, параметри на машински алати, позиции на координатни оски и статус на прекинувачи за детекција. Тастатурата и дисплејот се најосновните влезно-излезни уреди потребни за која било опрема за нумеричко управување. Покрај тоа, во зависност од системот за нумеричко управување, може да се опремат и уреди како што се фотоелектрични читачи, уреди за лента или уреди за флопи дискови. Како периферен уред, компјутерот во моментов е еден од најчесто користените влезно-излезни уреди.
Нумеричкиот управувачки уред е основна компонента на нумеричкиот управувачки систем. Тој се состои од влезно/излезни интерфејсни кола, контролери, аритметички единици и меморија. Улогата на нумеричкиот управувачки уред е да ги компилира, пресметува и обработува податоците внесени од влезниот уред преку внатрешното логичко коло или контролниот софтвер, како и да испраќа различни видови информации и инструкции за контрола на различните делови од машинската алатка за извршување на одредени дејства.
Меѓу овие контролни информации и инструкции, најосновните се инструкциите за брзината на довод, насоката на довод и поместувањето на доводот на координатните оски. Тие се генерираат по интерполациски пресметки, се доставуваат до серво погонот, се засилуваат од драјверот и на крајот го контролираат поместувањето на координатните оски. Ова директно ја одредува траекторијата на движење на алатот или координатните оски.
Дополнително, во зависност од системот и опремата, на пример, на CNC машина, може да има и инструкции како што се брзината на ротација, насоката, стартувањето/стопот на вретеното; инструкции за избор и замена на алатка; инструкции за стартување/стоп на уредите за ладење и подмачкување; инструкции за олабавување и стегање на обработениот дел; индексирање на работната маса и други помошни инструкции. Во системот за нумеричко управување, тие се доставуваат до надворешниот помошен контролен уред во форма на сигнали преку интерфејсот. Помошниот контролен уред ги извршува потребните компилациски и логички операции на горенаведените сигнали, ги засилува и ги движи соодветните актуатори за да ги движат механичките компоненти, хидрауличните и пневматските помошни уреди на машината за да ги завршат дејствата наведени во инструкциите.
Серво погонот обично се состои од серво засилувачи (исто така познати како драјвери, серво единици) и актуатори. Кај CNC машините, AC серво моторите генерално се користат како актуатори во моментов; кај напредните машини за машинска обработка со голема брзина, почнаа да се користат линеарни мотори. Дополнително, кај CNC машините произведени пред 1980-тите, имаше случаи на користење на еднонасочна серво мотори; кај едноставните CNC машини, чекорни мотори се користеа и како актуатори. Формата на серво засилувачот зависи од актуаторот и мора да се користи заедно со погонскиот мотор.
Горенаведените се најосновните компоненти на системот за нумеричко управување. Со континуираниот развој на технологијата за нумеричко управување и подобрувањето на нивоата на перформанси на машинските алати, функционалните барања за системот исто така се зголемуваат. За да се задоволат барањата за контрола на различни машински алати, да се обезбеди интегритет и униформност на системот за нумеричко управување и да се олесни користењето од страна на корисниците, најчесто користените напредни системи за нумеричко управување обично имаат внатрешен програмабилен контролер како помошен контролен уред на машинската алатка. Покрај тоа, кај машините за сечење метал, уредот за погон на вретеното може да стане и компонента на системот за нумеричко управување; кај CNC машините со затворена јамка, уредите за мерење и детекција се исто така неопходни за системот за нумеричко управување. За напредните системи за нумеричко управување, понекогаш дури и компјутер се користи како интерфејс човек-машина на системот и за управување со податоци и влезно/излезни уреди, со што функциите на системот за нумеричко управување се помоќни, а перформансите посовршени.
Како заклучок, составот на нумеричкиот систем за управување зависи од перформансите на контролниот систем и специфичните барања за управување на опремата. Постојат значајни разлики во неговата конфигурација и состав. Покрај трите најосновни компоненти на влезно/излезниот уред на програмата за обработка, нумеричкиот уред за управување и серво погонот, може да има повеќе контролни уреди. Делот со испрекината рамка на Слика 1-1 го претставува компјутерскиот нумерички систем за управување.
Концептите на NC, CNC, SV и PLC
NC (CNC), SV и PLC (PC, PMC) се многу често користени англиски кратенки во опремата за нумеричко управување и имаат различни значења во различни прилики во практичните апликации.
NC (CNC): NC и CNC се вообичаените англиски кратенки за нумеричко управување и компјутеризирано нумеричко управување, соодветно. Со оглед на тоа што современото нумеричко управување користи компјутерско управување, може да се смета дека значењата на NC и CNC се потполно исти. Во инженерските апликации, во зависност од пригодата на употреба, NC (CNC) обично има три различни значења: Во широка смисла, претставува технологија за управување - технологија за нумеричко управување; во потесна смисла, претставува ентитет на систем за управување - систем за нумеричко управување; покрај тоа, може да претставува и специфичен контролен уред - уред за нумеричко управување.
SV: SV е вообичаената англиска кратенка за серво погон (Servo Drive, скратено како servo). Според пропишаните услови на јапонскиот JIS стандард, тоа е „контролен механизам што ја зема позицијата, насоката и состојбата на објектот како контролни величини и ги следи произволните промени во целната вредност“. Накратко, тоа е контролен уред што може автоматски да ги следи физичките величини како што е целната позиција.
Кај CNC машините, улогата на серво погонот главно се одразува во два аспекта: Прво, им овозможува на координатните оски да работат со брзината дадена од нумеричкиот управувачки уред; второ, им овозможува на координатните оски да се позиционираат според позицијата дадена од нумеричкиот управувачки уред.
Контролните објекти на серво погонот се обично поместувањето и брзината на координатните оски на машинската алатка; актуаторот е серво мотор; делот што го контролира и засилува влезниот команден сигнал често се нарекува серво засилувач (исто така познат како драјвер, засилувач, серво единица итн.), што е јадрото на серво погонот.
Серво погонот може да се користи не само во комбинација со нумерички управувачки уред, туку може да се користи и самостојно како придружен систем за положба (брзина). Затоа, често се нарекува и серво систем. Кај раните нумерички управувачки системи, делот за контрола на положбата генерално бил интегриран со CNC, а серво погонот вршел само контрола на брзината. Затоа, серво погонот често се нарекувал единица за контрола на брзината.
PLC: PC е англиска кратенка од Programmable Controller. Со зголемената популарност на персоналните компјутери, за да се избегне забуна со персоналните компјутери (исто така наречени PC), програмабилните контролери сега генерално се нарекуваат програмабилни логички контролери (Programmalbe Logic Controller – PLC) или програмабилни машински контролери (Programmable Machine Controller – PMC). Затоа, кај CNC машинските алатки, PC, PLC и PMC имаат потполно исто значење.
PLC има предности како што се брз одговор, сигурни перформанси, практична употреба, лесно програмирање и дебагирање и може директно да управува со некои електрични апарати на машински алати. Затоа, широко се користи како помошен контролен уред за опрема за нумеричко управување. Во моментов, повеќето системи за нумеричко управување имаат внатрешен PLC за обработка на помошни инструкции на CNC машините, со што значително се поедноставува помошниот контролен уред на машинската алатка. Покрај тоа, во многу случаи, преку специјални функционални модули како што се модулот за контрола на оската и модулот за позиционирање на PLC, PLC може директно да се користи за да се постигне контрола на позицијата на точката, линеарна контрола и едноставна контрола на контурата, формирајќи специјални CNC машини или CNC производствени линии.
Принципот на состав и обработка на CNC машински алатки
Основниот состав на CNC машински алатки
CNC машините се најтипична опрема за нумеричко управување. За да се разјасни основниот состав на CNC машините, прво е потребно да се анализира работниот процес на CNC машините за обработка на делови. На CNC машините, за обработка на делови, може да се имплементираат следните чекори:
Според цртежите и процесните планови на деловите што треба да се обработуваат, користејќи ги пропишаните кодови и програмски формати, запишете ја траекторијата на движење на алатите, процесот на обработка, параметрите на процесот, параметрите на сечење итн. во инструкциска форма препознатлива од нумеричкиот систем за контрола, односно напишете ја програмата за обработка.
Внесете ја пишаната програма за обработка во уредот за нумеричко управување.
Нумеричкиот управувачки уред ја декодира и обработува влезната програма (код) и испраќа соодветни контролни сигнали до уредите за серво погон и уредите за помошна контрола на функциите на секоја координатна оска за да го контролира движењето на секоја компонента на машинската алатка.
За време на движењето, нумеричкиот систем за контрола треба да ја детектира положбата на координатните оски на машинската алатка, статусот на прекинувачите за движење итн., во секое време, и да ги спореди со барањата на програмата за да ја одреди следната акција додека не се обработат квалификуваните делови.
Операторот може да ги набљудува и проверува условите за обработка и работната состојба на машинската алатка во секое време. Доколку е потребно, потребни се и прилагодувања на дејствата на машинската алатка и програмите за обработка за да се обезбеди безбедно и сигурно работење на машинската алатка.
Може да се види дека како основен состав на CNC машина, таа треба да вклучува: влезно/излезни уреди, уреди за нумеричко управување, серво погони и уреди за повратна информација, помошни уреди за управување и тело на машинската алатка.
Составот на CNC машински алатки
Нумеричкиот систем за управување се користи за контрола на обработката на домаќинот на машинската алатка. Во моментов, повеќето системи за нумеричка контрола користат компјутерска нумеричка контрола (т.е. CNC). Влезно/излезниот уред, нумеричкиот уред за управување, серво погонот и уредот за повратна информација на сликата заедно го сочинуваат системот за нумеричка контрола на машинската алатка, а неговата улога е опишана погоре. Следново накратко ги претставува другите компоненти.
Уред за повратна информација за мерење: Тоа е врска за детекција на CNC машина со затворена јамка (полузатворена јамка). Неговата улога е да ја детектира брзината и поместувањето на вистинското поместување на актуаторот (како што е држачот за алати) или работната маса преку современи мерни елементи како што се импулсни енкодери, резолвери, индукциски синхронизатори, решетки, магнетни ваги и ласерски мерни инструменти, и да ги врати назад до серво погонскиот уред или уредот за нумеричка контрола, и да компензира за брзината на напојување или грешката во движењето на актуаторот за да се постигне целта за подобрување на точноста на механизмот за движење. Позицијата на инсталација на уредот за детекција и позицијата каде што сигналот за детекција се враќа зависат од структурата на системот за нумеричка контрола. Вградените серво импулсни енкодери, тахометрите и линеарните решетки се најчесто користени компоненти за детекција.
Поради фактот што сите напредни серво мотори користат дигитална технологија на серво погон (наречена дигитално серво), обично се користи магистрала за поврзување помеѓу серво погонот и уредот за нумеричка контрола; во повеќето случаи, сигналот за повратна информација се поврзува со серво погонот и се пренесува до уредот за нумеричка контрола преку магистралата. Само во неколку случаи или кога се користат аналогни серво погони (попознати како аналогни серво), уредот за повратна информација треба директно да се поврзе со уредот за нумеричка контрола.
Помошен контролен механизам и механизам за пренос на напојување: Се наоѓа помеѓу нумеричкиот контролен уред и механичките и хидрауличните компоненти на машинската алатка. Неговата главна улога е да ги прима упатствата за брзина, насока и стартување/стоп на вретеното што ги добива од нумеричкиот контролен уред; упатства за избор и замена на алатка; упатства за стартување/стоп на уредите за ладење и подмачкување; помошни сигнали за инструкции како што се олабавување и стегање на обработените парчиња и компонентите на машинската алатка, индексирање на работната маса и сигналите за статус на прекинувачите за детекција на машинската алатка. По потребното компилирање, логичка проценка и засилување на моќноста, соодветните актуатори се директно управувани за да ги управуваат механичките компоненти, хидрауличните и пневматските помошни уреди на машинската алатка за да ги завршат дејствата наведени во упатствата. Обично е составен од PLC и коло за контрола на силна струја. PLC може да биде интегриран со CNC во структурата (вграден PLC) или релативно независен (надворешен PLC).
Телото на машинската алатка, односно механичката структура на CNC машината, е исто така составено од главни погонски системи, системи за погон на напојување, леи, работни маси, помошни уреди за движење, хидраулични и пневматски системи, системи за подмачкување, уреди за ладење, отстранување струготини, системи за заштита и други делови. Сепак, за да се задоволат барањата за нумеричка контрола и да се даде целосна функционалност на машинската алатка, таа претрпе значителни промени во однос на целокупниот распоред, дизајнот на изгледот, структурата на преносниот систем, системот на алатки и оперативните перформанси. Механичките компоненти на машинската алатка вклучуваат леи, кутија, колона, водилка, работна маса, вретено, механизам за напојување, механизам за размена на алатки итн.
Принципот на CNC машинска обработка
Кај традиционалните машини за сечење метал, при обработка на делови, операторот треба континуирано да ги менува параметрите како што се траекторијата на движење и брзината на движење на алатот според барањата на цртежот, така што алатот ќе изврши обработка на сечење на работниот дел и конечно ќе ги обработува квалификуваните делови.
Обработката на CNC машините во суштина го применува принципот на „диференцијал“. Неговиот принцип на работа и процес може накратко да се опишат на следниов начин:
Според траекторијата на алатот потребна од програмата за обработка, уредот за нумеричко управување ја разликува траекторијата по соодветните координатни оски на машинската алатка со минимална количина на движење (еквивалент на импулс) (△X, △Y на Слика 1-2) и го пресметува бројот на импулси што секоја координатна оска треба да ги помести.
Преку софтверот за „интерполација“ или калкулаторот за „интерполација“ на нумеричкиот контролен уред, потребната траекторија се вклопува со еквивалентна полилинија во единици на „минимална единица на движење“ и се наоѓа вградената полилинија најблиску до теоретската траекторија.
Според траекторијата на поставената полилинија, уредот за нумеричко управување континуирано доделува импулси на напојување на соодветните координатни оски и им овозможува на координатните оски на машинската алатка да се движат според доделените импулси преку серво погон.
Може да се види дека: Прво, сè додека минималната количина на движење (еквивалент на импулс) на CNC машината е доволно мала, употребената прилагодена полилинија може еквивалентно да ја замени теоретската крива. Второ, сè додека методот на распределба на импулсите на координатните оски се менува, обликот на прилагодената полилинија може да се промени, со што се постигнува целта за промена на траекторијата на обработка. Трето, сè додека фреквенцијата на…