Numerička upravljačka tehnologija i CNC alatni strojevi
Numerička tehnologija upravljanja, skraćeno NC (Numeričko upravljanje), sredstvo je upravljanja mehaničkim pokretima i postupcima obrade uz pomoć digitalnih informacija. Trenutno, budući da moderno numeričko upravljanje obično usvaja računalno upravljanje, poznato je i kao računalno numeričko upravljanje (Computerized Numerical Control – CNC).
Za postizanje digitalnog informacijskog upravljanja mehaničkim pokretima i procesima obrade, mora biti opremljen odgovarajućim hardverom i softverom. Zbroj hardvera i softvera koji se koriste za implementaciju digitalnog informacijskog upravljanja naziva se numerički upravljački sustav (Numerički upravljački sustav), a jezgra numeričkog upravljačkog sustava je numerički upravljački uređaj (Numerički kontroler).
Strojevi kojima upravlja tehnologija numeričkog upravljanja nazivaju se CNC alatni strojevi (NC alatni strojevi). Riječ je o tipičnom mehatroničkom proizvodu koji sveobuhvatno integrira napredne tehnologije poput računalne tehnologije, tehnologije automatskog upravljanja, tehnologije preciznog mjerenja i dizajna alatnih strojeva. To je temelj moderne proizvodne tehnologije. Upravljanje alatnim strojevima najranije je i najšire primijenjeno područje tehnologije numeričkog upravljanja. Stoga, razina CNC alatnih strojeva uvelike predstavlja performanse, razinu i trend razvoja trenutne tehnologije numeričkog upravljanja.
Postoje različite vrste CNC alatnih strojeva, uključujući strojeve za bušenje, glodanje i provrtanje, tokarske strojeve, brusilice, strojeve za elektroerozijsku obradu, kovanje, lasersku obradu i druge CNC alatne strojeve za posebne namjene sa specifičnom primjenom. Svaki alatni stroj kojim se upravlja numeričkom kontrolom klasificira se kao NC alatni stroj.
CNC alatni strojevi opremljeni automatskim izmjenjivačem alata ATC (Automatic Tool Changer – ATC), osim CNC tokarilica s rotacijskim držačima alata, definiraju se kao obradni centri (Machine Center – MC). Automatskom zamjenom alata, obratci mogu dovršiti više postupaka obrade jednim stezanjem, postižući koncentraciju procesa i kombinaciju procesa. To učinkovito skraćuje vrijeme pomoćne obrade i poboljšava radnu učinkovitost alatnog stroja. Istovremeno se smanjuje broj instalacija i pozicioniranja obratka, povećavajući točnost obrade. Obradni centri su trenutno vrsta CNC alatnih strojeva s najvećim učinkom i najširom primjenom.
Na temelju CNC alatnih strojeva, dodavanjem uređaja za automatsku izmjenu više radnih stolova (paleta) (Auto Pallet Changer – APC) i drugih srodnih uređaja, rezultirajuća procesna jedinica naziva se fleksibilna proizvodna ćelija (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC ne samo da ostvaruje koncentraciju procesa i kombinaciju procesa, već i, uz automatsku izmjenu radnih stolova (paleta) i relativno potpune funkcije automatskog nadzora i upravljanja, može obavljati bespilotnu obradu određeno vrijeme, čime se dodatno poboljšava učinkovitost obrade opreme. FMC nije samo osnova fleksibilnog proizvodnog sustava FMS (Flexible Manufacturing System), već se može koristiti i kao neovisna automatizirana oprema za obradu. Stoga je njegova brzina razvoja prilično brza.
Na temelju FMC-a i obradnih centara, dodavanjem logističkih sustava, industrijskih robota i srodne opreme, te kontroliranjem i upravljanjem putem centralnog upravljačkog sustava na centraliziran i objedinjen način, takav proizvodni sustav naziva se fleksibilni proizvodni sustav FMS (Fleksibilni proizvodni sustav). FMS ne samo da može obavljati bespilotnu obradu tijekom duljih razdoblja, već i postići potpunu obradu različitih vrsta dijelova i montaže komponenti, postižući automatizaciju proizvodnog procesa u radionici. To je visoko automatizirani napredni proizvodni sustav.
S kontinuiranim napretkom znanosti 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. Cjelovit proizvodni i proizvodni sustav koji se formira integracijom ovih zahtjeva naziva se računalno integrirani proizvodni sustav (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS organski integrira dulju proizvodnu i poslovnu aktivnost, postižući učinkovitiju i fleksibilniju inteligentnu proizvodnju, što predstavlja najvišu fazu razvoja današnje automatizirane proizvodne tehnologije. U CIMS-u, ne samo da je integracija proizvodne opreme, već, što je još važnije, integracija tehnologije i integracija funkcija karakterizirana informacijama. Računalo je alat za integraciju, računalno potpomognuta tehnologija automatiziranih jedinica osnova je integracije, a razmjena i dijeljenje informacija i podataka most je integracije. Konačni proizvod može se smatrati materijalnom manifestacijom informacija i podataka.
Numerički upravljački sustav i njegove komponente
Osnovne komponente numeričkog upravljačkog sustava
Numerički upravljački sustav CNC alatnog stroja je srž sve numeričke upravljačke opreme. Glavni objekt upravljanja numeričkim upravljačkim sustavom je pomak koordinatnih osi (uključujući brzinu kretanja, smjer, položaj itd.), a njegove upravljačke informacije uglavnom dolaze iz numeričke obrade upravljanja ili programa za upravljanje gibanjem. Stoga bi najosnovnije komponente numeričkog upravljačkog sustava trebale 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 gibanjem, podaci za obradu i upravljanje, parametri alatnih strojeva, položaji koordinatnih osi i status detekcijskih prekidača. Tipkovnica i zaslon su najosnovniji ulazno/izlazni uređaji potrebni za bilo koju numeričku upravljačku opremu. Osim toga, ovisno o numeričkom upravljačkom sustavu, mogu se opremiti i uređaji poput fotoelektričnih čitača, pogona vrpci ili pogona disketne jedinice. Kao periferni uređaj, računalo je trenutno jedan od najčešće korištenih ulazno/izlaznih uređaja.
Numerički upravljački uređaj je ključna komponenta numeričkog upravljačkog sustava. Sastoji se od ulazno/izlaznih sučeljnih krugova, kontrolera, aritmetičkih jedinica i memorije. Uloga numeričkog upravljačkog uređaja je sastavljanje, izračunavanje i obrada podataka koje unosi ulazni uređaj putem unutarnjeg logičkog kruga ili upravljačkog softvera te izdavanje različitih vrsta informacija i uputa za upravljanje različitim dijelovima alatnog stroja radi izvođenja određenih radnji.
Među tim kontrolnim informacijama i uputama, najosnovnije su upute za brzinu pomaka, smjer pomaka i pomak koordinatnih osi. Generiraju se nakon interpolacijskih izračuna, dostavljaju se servo pogonu, pojačavaju ih upravljački program i u konačnici kontroliraju pomak koordinatnih osi. To izravno određuje putanju kretanja alata ili koordinatnih osi.
Osim toga, ovisno o sustavu i opremi, na primjer, na CNC alatnom stroju, mogu postojati i upute kao što su brzina vrtnje, smjer, pokretanje/zaustavljanje vretena; upute za odabir i zamjenu alata; upute za pokretanje/zaustavljanje uređaja za hlađenje i podmazivanje; upute za otpuštanje i stezanje obratka; indeksiranje radnog stola i druge pomoćne upute. U numeričkom upravljačkom sustavu, one se dostavljaju vanjskom pomoćnom upravljačkom uređaju u obliku signala putem sučelja. Pomoćni upravljački uređaj izvodi potrebne operacije kompilacije i logičke operacije na gore navedenim signalima, pojačava ih i pokreće odgovarajuće aktuatore za upravljanje mehaničkim komponentama, hidrauličkim i pneumatskim pomoćnim uređajima alatnog stroja kako bi se dovršile radnje navedene u uputama.
Servo pogon obično se sastoji od servo pojačala (također poznatih kao upravljački programi, servo jedinice) i aktuatora. Na CNC alatnim strojevima, AC servo motori se trenutno općenito koriste kao aktuatori; na naprednim alatnim strojevima velike brzine počeli su se koristiti linearni motori. Osim toga, na CNC alatnim strojevima proizvedenim prije 1980-ih bilo je slučajeva korištenja istosmjernih servo motora; za jednostavne CNC alatne strojeve, koračni motori su se također koristili kao aktuatori. Oblik servo pojačala ovisi o aktuatoru i mora se koristiti zajedno s pogonskim motorom.
Gore navedene su najosnovnije komponente numeričkog upravljačkog sustava. S kontinuiranim razvojem tehnologije numeričkog upravljanja i poboljšanjem razine performansi alatnih strojeva, funkcionalni zahtjevi za sustav također se povećavaju. Kako bi se zadovoljili zahtjevi upravljanja različitih alatnih strojeva, osigurala cjelovitost i ujednačenost numeričkog upravljačkog sustava te olakšala upotreba od strane korisnika, uobičajeno korišteni napredni numerički upravljački sustavi obično imaju unutarnji programabilni kontroler kao pomoćni upravljački uređaj alatnog stroja. Osim toga, kod alatnih strojeva za rezanje metala, uređaj za pogon vretena također može postati komponenta numeričkog upravljačkog sustava; kod CNC alatnih strojeva sa zatvorenom petljom, uređaji za mjerenje i detekciju također su neophodni za numerički upravljački sustav. Za napredne numeričke upravljačke sustave ponekad se čak i računalo koristi kao sučelje čovjek-stroj sustava te za upravljanje podacima i ulazno/izlazne uređaje, čime se funkcije numeričkog upravljačkog sustava čine snažnijima, a performanse savršenijima.
Zaključno, sastav numeričkog upravljačkog sustava ovisi o performansama upravljačkog sustava i specifičnim zahtjevima upravljanja opremom. Postoje značajne razlike u njegovoj konfiguraciji i sastavu. Uz 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 računalni numerički upravljački sustav.
Koncepti NC, CNC, SV i PLC
NC (CNC), SV i PLC (PC, PMC) su vrlo često korištene engleske kratice u opremi za numeričko upravljanje i imaju različita značenja u različitim prilikama u praktičnim primjenama.
NC (CNC): NC i CNC su uobičajene engleske kratice za numeričko upravljanje (Numerical Control) i računalno numeričko upravljanje (Computerized Numerical Control). S obzirom na to da moderno numeričko upravljanje koristi računalno upravljanje, može se smatrati da su značenja NC i CNC potpuno ista. U inženjerskim primjenama, ovisno o prigodi upotrebe, NC (CNC) obično ima tri različita značenja: U širem smislu, predstavlja tehnologiju upravljanja - tehnologiju numeričkog upravljanja; u užem smislu, predstavlja entitet upravljačkog sustava - numerički upravljački sustav; osim toga, može predstavljati i specifični upravljački uređaj - uređaj za numeričko upravljanje.
SV: SV je uobičajena engleska kratica za servo pogon (Servo Drive, skraćeno servo). Prema propisanim uvjetima japanskog JIS standarda, to je „upravljački mehanizam koji položaj, smjer i stanje objekta uzima kao upravljačke veličine i prati proizvoljne promjene ciljne vrijednosti.“ Ukratko, to je upravljački uređaj koji može automatski pratiti fizičke veličine poput ciljnog položaja.
Na CNC alatnim strojevima, uloga servo pogona uglavnom se ogleda u dva aspekta: Prvo, omogućuje koordinatnim osima rad brzinom koju zadaje numerički upravljački uređaj; drugo, omogućuje pozicioniranje koordinatnih osi prema položaju koji zadaje numerički upravljački uređaj.
Objekti upravljanja servo pogonom obično su pomak i brzina koordinatnih osi alatnog stroja; aktuator je servo motor; dio koji upravlja i pojačava ulazni naredbeni signal često se naziva servo pojačalo (također poznato kao upravljački program, pojačalo, servo jedinica itd.), što je jezgra servo pogona.
Servo pogon se ne može koristiti samo zajedno s numeričkim upravljačkim uređajem, već se može koristiti i samostalno kao sustav za praćenje položaja (brzine). Stoga se često naziva i servo sustavom. U ranim numeričkim upravljačkim sustavima, dio za upravljanje položajem općenito je bio integriran s CNC-om, a servo pogon je obavljao samo upravljanje brzinom. Stoga se servo pogon često nazivao jedinicom za upravljanje brzinom.
PLC: PC je engleska kratica za Programmable Controller (Programabilni kontroler). S rastućom popularnošću osobnih računala, kako bi se izbjegla zabuna s osobnim računalima (također se nazivaju PC-ji), programabilni kontroleri sada se općenito nazivaju programabilni logički kontroleri (Programmalbe Logic Controller – PLC) ili programabilni kontroleri strojeva (Programmable Machine Controller – PMC). Stoga, na CNC alatnim strojevima, PC, PLC i PMC imaju potpuno isto značenje.
PLC ima prednosti brzog odziva, pouzdanih performansi, praktičnog korištenja, jednostavnog programiranja i otklanjanja pogrešaka te može izravno upravljati nekim električnim uređajima alatnih strojeva. Stoga se široko koristi kao pomoćni upravljački uređaj za numeričko upravljanje. Trenutno većina numeričkih upravljačkih sustava ima unutarnji PLC za obradu pomoćnih instrukcija CNC alatnih strojeva, čime se uvelike pojednostavljuje pomoćni upravljački uređaj alatnog stroja. Osim toga, u mnogim slučajevima, putem posebnih funkcionalnih modula kao što su modul za upravljanje osi i modul za pozicioniranje PLC-a, PLC se također može izravno koristiti za postizanje upravljanja položajem točke, linearnog upravljanja i jednostavnog upravljanja konturama, formirajući posebne CNC alatne strojeve ili CNC proizvodne linije.
Sastav i princip obrade CNC alatnih strojeva
Osnovni sastav CNC alatnih strojeva
CNC alatni strojevi su najtipičnija oprema za numeričko upravljanje. Kako bi se razjasnio osnovni sastav CNC alatnih strojeva, prvo je potrebno analizirati radni proces CNC alatnih strojeva za obradu dijelova. Na CNC alatnim strojevima, za obradu dijelova, mogu se implementirati sljedeći koraci:
Prema crtežima i planovima procesa dijelova koji se obrađuju, koristeći propisane kodove i formate programa, upisati putanju kretanja alata, proces obrade, parametre procesa, parametre rezanja itd. u obrazac naredbe koji prepoznaje numerički upravljački sustav, odnosno napisati program obrade.
Unesite pisani program za obradu u uređaj za numeričko upravljanje.
Numeričko upravljanje dekodira i obrađuje ulazni program (kod) te šalje odgovarajuće upravljačke signale servo pogonskim uređajima i pomoćnim upravljačkim uređajima svake koordinatne osi kako bi kontroliralo kretanje svake komponente alatnog stroja.
Tijekom kretanja, numerički upravljački sustav mora u bilo kojem trenutku detektirati položaj koordinatnih osi alatnog stroja, status prekidača za kretanje itd. te ih usporediti sa zahtjevima programa kako bi odredio sljedeću radnju dok se ne obrade kvalificirani dijelovi.
Operater može u bilo kojem trenutku promatrati i pregledavati uvjete obrade i radno stanje alatnog stroja. Po potrebi su potrebne i prilagodbe radnji alatnog stroja i programa obrade kako bi se osigurao siguran i pouzdan rad alatnog stroja.
Može se vidjeti da bi osnovni sastav CNC alatnog stroja trebao uključivati: ulazno/izlazne uređaje, uređaje za numeričko upravljanje, servo pogone i uređaje za povratnu informaciju, pomoćne upravljačke uređaje i tijelo alatnog stroja.
Sastav CNC alatnih strojeva
Numerički upravljački sustav koristi se za postizanje upravljanja obradom glavnog stroja. Trenutno većina numeričkih upravljačkih sustava koristi računalno numeričko upravljanje (tj. CNC). Ulazno/izlazni uređaj, numerički upravljački uređaj, servo pogon i uređaj za povratnu informaciju na slici zajedno čine numerički upravljački sustav alatnog stroja, a njegova uloga je gore opisana. U nastavku su ukratko opisane ostale komponente.
Uređaj za povratnu informaciju mjerenja: To je detekcijska veza CNC alatnog stroja zatvorene petlje (poluzatvorene petlje). Njegova je uloga detektirati 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 sinkronizatori, rešetke, magnetske vage i laserski mjerni instrumenti, te ih vratiti natrag u servo pogonski uređaj ili numerički upravljački uređaj te kompenzirati brzinu pomaka ili pogrešku gibanja aktuatora kako bi se postigla svrha poboljšanja točnosti mehanizma gibanja. Položaj ugradnje uređaja za detekciju i položaj na koji se signal detekcije vraća ovise o strukturi numeričkog upravljačkog sustava. Ugrađeni servo enkoderi impulsa, tahometri i linearne rešetke često se koriste kao komponente za detekciju.
Zbog činjenice da svi napredni servo motori koriste tehnologiju digitalnih servo pogona (koji se nazivaju digitalni servo motori), za vezu između servo pogona i numeričkog upravljačkog uređaja obično se koristi sabirnica; u većini slučajeva, povratni signal je spojen na servo pogon i prenosi se na numerički upravljački uređaj putem sabirnice. Samo u nekoliko slučajeva ili kada se koriste analogni servo pogoni (obično poznati kao analogni servo motori), uređaj za povratnu informaciju mora biti izravno spojen na numerički upravljački uređaj.
Pomoćni upravljački mehanizam i mehanizam za prijenos pomaka: Nalazi se između numeričkog upravljačkog uređaja i mehaničkih i hidrauličnih komponenti alatnog stroja. Njegova glavna uloga je primanje brzine vretena, smjera i naredbi za pokretanje/zaustavljanje koje daje numerički upravljački uređaj; naredbe za odabir i zamjenu alata; naredbe za pokretanje/zaustavljanje uređaja za hlađenje i podmazivanje; pomoćni signali naredbi kao što su otpuštanje i stezanje obradaka i komponenti alatnog stroja, indeksiranje radnog stola i signali statusa detekcijskih prekidača na alatnom stroju. Nakon potrebnog sastavljanja, logičkog prosuđivanja i pojačanja snage, odgovarajući aktuatori se izravno pokreću kako bi pokretali mehaničke komponente, hidrauličke i pneumatske pomoćne uređaje alatnog stroja kako bi dovršili radnje navedene u uputama. Obično se sastoji od PLC-a i upravljačkog kruga jake struje. PLC može biti integriran s CNC strukturom (ugrađeni PLC) ili relativno neovisan (vanjski PLC).
Tijelo alatnog stroja, odnosno mehanička struktura CNC alatnog stroja, također se sastoji od glavnih pogonskih sustava, sustava pogona za pomicanje, kreveta, radnih stolova, pomoćnih uređaja za kretanje, hidrauličnih i pneumatskih sustava, sustava podmazivanja, uređaja za hlađenje, sustava za uklanjanje strugotine, zaštitnih sustava i drugih dijelova. Međutim, kako bi se zadovoljili zahtjevi numeričkog upravljanja i dale pune mogućnosti performansama alatnog stroja, pretrpio je značajne promjene u pogledu ukupnog rasporeda, dizajna izgleda, strukture prijenosnog sustava, sustava alata i radnih performansi. Mehaničke komponente alatnog stroja uključuju krevet, kutiju, stup, vodilicu, radni stol, vreteno, mehanizam za pomicanje, mehanizam za izmjenu alata itd.
Princip CNC obrade
Na tradicionalnim alatnim strojevima za rezanje metala, prilikom obrade dijelova, operater mora kontinuirano mijenjati parametre poput putanje kretanja i brzine kretanja alata prema zahtjevima crteža, tako da alat izvodi obradu rezanjem na obratku i konačno obrađuje kvalificirane dijelove.
Obrada CNC alatnih strojeva u osnovi primjenjuje princip "diferencijala". Njegov princip rada i proces mogu se ukratko opisati na sljedeći način:
Prema putanji alata koju zahtijeva program obrade, numerički upravljački uređaj diferencira putanju duž odgovarajućih koordinatnih osi alatnog stroja s minimalnom količinom pomaka (ekvivalent impulsa) (△X, △Y na slici 1-2) i izračunava broj impulsa koje svaka koordinatna os treba pomaknuti.
Pomoću softvera za „interpolaciju“ ili kalkulatora za „interpolaciju“ numeričkog upravljačkog uređaja, potrebna putanja se prilagođava ekvivalentnoj poliliniji u jedinicama „jedinice minimalnog pomaka“ i pronalazi se prilagođena polilinija najbliža teorijskoj putanji.
Prema putanji uklopljene polilinije, numerički upravljački uređaj kontinuirano dodjeljuje impulse pomicanja odgovarajućim koordinatnim osima i omogućuje pomicanje koordinatnih osima alatnog stroja prema dodijeljenim impulsima putem servo pogona.
Može se vidjeti da: Prvo, sve dok je minimalna količina pomaka (ekvivalent impulsa) CNC alatnog stroja dovoljno mala, korištena prilagođena polilinija može se ekvivalentno zamijeniti za teorijsku krivulju. Drugo, sve dok se mijenja metoda raspodjele impulsa koordinatnih osi, može se mijenjati i oblik prilagođene polilinije, čime se postiže svrha promjene putanje obrade. Treće, sve dok je frekvencija…