Numerisk styrteknik och CNC-maskiner
Numerisk styrteknik, förkortat NC (Numerical Control), är ett sätt att styra mekaniska rörelser och bearbetningsprocedurer med hjälp av digital information. Eftersom modern numerisk styrning vanligtvis använder datorstyrning är den också känd som datoriserad numerisk styrning (Computerized Numerical Control – CNC).
För att uppnå digital informationskontroll av mekaniska rörelser och bearbetningsprocesser måste motsvarande hårdvara och mjukvara utrustas. Summan av hårdvara och mjukvara som används för att implementera digital informationskontroll kallas det numeriska styrsystemet (Numerical Control System), och kärnan i det numeriska styrsystemet är den numeriska styrenheten (Numerical Controller).
Maskiner som styrs med numerisk styrteknik kallas CNC-maskiner (NC-maskiner). Detta är en typisk mekatronisk produkt som på ett heltäckande sätt integrerar avancerad teknik som datorteknik, automatisk styrteknik, precisionsmätningsteknik och maskindesign. Det är hörnstenen i modern tillverkningsteknik. Styrning av verktygsmaskiner är det tidigaste och mest tillämpade området inom numerisk styrteknik. Därför representerar nivån på CNC-maskiner till stor del prestandan, nivån och utvecklingstrenden för nuvarande numerisk styrteknik.
Det finns olika typer av CNC-maskiner, inklusive borr-, fräs- och arborrningsmaskiner, svarvmaskiner, slipmaskiner, urladdningsbearbetningsmaskiner, smidesmaskiner, laserbearbetningsmaskiner och andra specialverktyg för CNC med specifika användningsområden. Alla verktygsmaskiner som styrs med numerisk styrteknik klassificeras som NC-maskiner.
De CNC-verktygsmaskiner som är utrustade med en automatisk verktygsväxlare ATC (Automatic Tool Changer – ATC), med undantag för CNC-svarvar med roterande verktygshållare, definieras som fleroperationscentra (Machine Center – MC). Genom automatiskt byte av verktyg kan arbetsstycken slutföra flera bearbetningsprocedurer i en enda fastspänning, vilket uppnår koncentration av processer och kombination av processer. Detta förkortar effektivt hjälpbearbetningstiden och förbättrar maskinens arbetseffektivitet. Samtidigt minskar det antalet installationer och positioneringar av arbetsstycken, vilket förbättrar bearbetningsnoggrannheten. Fleroperationscentra är för närvarande den typ av CNC-verktygsmaskiner med störst kapacitet och bredast användningsområde.
Baserat på CNC-maskiner kallas den resulterande bearbetningsenheten för en flexibel tillverkningscell (Flexible Manufacturing Cell – FMC) genom att lägga till automatiska utbytesenheter för flera arbetsbord (pallar) (Auto Pallet Changer – APC) och andra relaterade enheter. FMC realiserar inte bara koncentrationen av processer och kombinationen av processer, utan kan också, med automatiskt utbyte av arbetsbord (pallar) och relativt kompletta automatiska övervaknings- och kontrollfunktioner, utföra obemannad bearbetning under en viss period, vilket ytterligare förbättrar utrustningens bearbetningseffektivitet. FMC är inte bara grunden för det flexibla tillverkningssystemet FMS (Flexible Manufacturing System) utan kan också användas som en oberoende automatiserad bearbetningsutrustning. Därför är dess utvecklingshastighet ganska snabb.
Baserat på FMC och fleroperationsmaskiner, genom att lägga till logistiksystem, industrirobotar och relaterad utrustning, och styras och hanteras av ett centralt styrsystem på ett centraliserat och enhetligt sätt, kallas ett sådant tillverkningssystem för ett flexibelt tillverkningssystem FMS (Flexible Manufacturing System). FMS kan inte bara utföra obemannad bearbetning under långa perioder utan också uppnå fullständig bearbetning av olika typer av delar och komponentmontering, vilket uppnår automatisering av verkstadens tillverkningsprocess. Det är ett högautomatiserat avancerat tillverkningssystem.
Med den kontinuerliga utvecklingen inom vetenskap och teknik, för att anpassa sig till den förändrade marknadsefterfrågan, är det för modern tillverkning inte bara nödvändigt att främja automatiseringen av verkstadens tillverkningsprocess utan också att uppnå omfattande automatisering från marknadsprognoser, produktionsbeslutsfattande, produktdesign, produkttillverkning till produktförsäljning. Det kompletta produktions- och tillverkningssystemet som bildas genom att integrera dessa krav kallas ett datorintegrerat tillverkningssystem (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS integrerar organiskt en längre produktions- och affärsaktivitet, vilket uppnår en effektivare och mer flexibel intelligent produktion, vilket representerar det högsta utvecklingsstadiet för dagens automatiserade tillverkningsteknik. I CIMS kännetecknas inte bara integrationen av produktionsutrustning, utan ännu viktigare, teknikintegrationen och funktionsintegrationen av information. Datorn är integrationsverktyget, den datorstödda automatiserade enhetstekniken är grunden för integrationen, och utbytet och delningen av information och data är integrationsbryggan. Slutprodukten kan betraktas som den materiella manifestationen av information och data.
Det numeriska styrsystemet och dess komponenter
De grundläggande komponenterna i det numeriska styrsystemet
Det numeriska styrsystemet i en CNC-maskin är kärnan i all numerisk styrutrustning. Det huvudsakliga styrobjektet för det numeriska styrsystemet är förskjutningen av koordinataxlarna (inklusive rörelsehastighet, riktning, position etc.), och dess styrinformation kommer huvudsakligen från numeriska styrbehandlingsprogram eller rörelsestyrningsprogram. Därför bör de mest grundläggande komponenterna i det numeriska styrsystemet inkludera: programinmatnings-/utmatningsenheten, den numeriska styrenheten och servodrivenheten.
In-/utmatningsenhetens roll är att mata in och ut data såsom numerisk styrbehandling eller rörelsestyrningsprogram, bearbetnings- och styrdata, maskinverktygsparametrar, koordinataxelpositioner och status för detekteringsbrytare. Tangentbord och display är de mest grundläggande in-/utmatningsenheterna som behövs för all numerisk styrutrustning. Beroende på det numeriska styrsystemet kan dessutom enheter som fotoelektriska läsare, bandstationer eller diskettenheter utrustas. Som kringutrustning är datorn för närvarande en av de vanligt förekommande in-/utmatningsenheterna.
Den numeriska styrenheten är kärnkomponenten i det numeriska styrsystemet. Den består av in-/utmatningskretsar, styrenheter, aritmetiska enheter och minne. Den numeriska styrenhetens roll är att sammanställa, beräkna och bearbeta datainmatningen från inmatningsenheten via den interna logikkretsen eller styrprogramvaran, och att mata ut olika typer av information och instruktioner för att styra de olika delarna av verktygsmaskinen för att utföra specificerade åtgärder.
Bland dessa styrinformationer och instruktioner är de mest grundläggande instruktionerna för matningshastighet, matningsriktning och matningsförskjutning för koordinataxlarna. De genereras efter interpoleringsberäkningar, tillhandahålls servodrivningen, förstärks av drivenheten och styr slutligen förskjutningen av koordinataxlarna. Detta bestämmer direkt verktygets eller koordinataxlarnas rörelsebana.
Dessutom, beroende på system och utrustning, till exempel på en CNC-maskin, kan det också finnas instruktioner såsom rotationshastighet, riktning, start/stopp av spindeln; instruktioner för verktygsval och utbyte; start/stopp-instruktioner för kyl- och smörjanordningar; instruktioner för lossning och fastspänning av arbetsstycket; indexering av arbetsbordet och andra hjälpinstruktioner. I det numeriska styrsystemet tillhandahålls dessa till den externa hjälpstyrenheten i form av signaler via gränssnittet. Hjälpstyrenheten utför nödvändiga sammanställningar och logiska operationer på ovanstående signaler, förstärker dem och driver motsvarande ställdon för att driva maskinverktygets mekaniska komponenter, hydrauliska och pneumatiska hjälpanordningar för att slutföra de åtgärder som anges i instruktionerna.
Servodrivningen består vanligtvis av servoförstärkare (även kända som drivdon, servoenheter) och ställdon. På CNC-maskiner används för närvarande vanligtvis AC-servomotorer som ställdon; på avancerade höghastighetsbearbetningsmaskiner har linjära motorer börjat användas. Dessutom har det på CNC-maskiner som producerats före 1980-talet förekommit fall där likströmsservomotorer användes; för enkla CNC-maskiner användes även stegmotorer som ställdon. Servoförstärkarens form beror på ställdonet och måste användas tillsammans med drivmotorn.
Ovanstående är de mest grundläggande komponenterna i det numeriska styrsystemet. Med den kontinuerliga utvecklingen av numerisk styrteknik och förbättringen av verktygsmaskinernas prestandanivåer ökar också de funktionella kraven på systemet. För att möta styrkraven för olika verktygsmaskiner, säkerställa det numeriska styrsystemets integritet och enhetlighet och underlätta användaranvändning har vanligt förekommande avancerade numeriska styrsystem vanligtvis en intern programmerbar styrenhet som hjälpstyrenhet för verktygsmaskinen. Dessutom kan spindeldrivenheten på metallbearbetningsmaskiner också bli en komponent i det numeriska styrsystemet; på CNC-maskiner med sluten slinga är mät- och detekteringsenheter också oumbärliga för det numeriska styrsystemet. För avancerade numeriska styrsystem används ibland till och med en dator som människa-maskin-gränssnitt för systemet och för datahantering och in-/utmatningsenheter, vilket gör det numeriska styrsystemets funktioner kraftfullare och prestandan mer perfekt.
Sammanfattningsvis beror sammansättningen av det numeriska styrsystemet på styrsystemets prestanda och utrustningens specifika styrkrav. Det finns betydande skillnader i dess konfiguration och sammansättning. Utöver de tre mest grundläggande komponenterna i bearbetningsprogrammets in-/utmatningsenhet, den numeriska styrenheten och servodrivenheten, kan det finnas fler styrenheter. Den streckade rutan i figur 1-1 representerar det datoriserade numeriska styrsystemet.
Begreppen NC, CNC, SV och PLC
NC (CNC), SV och PLC (PC, PMC) är mycket vanliga engelska förkortningar i numerisk styrutrustning och har olika betydelser vid olika tillfällen i praktiska tillämpningar.
NC (CNC): NC och CNC är de vanliga engelska förkortningarna för Numerical Control respektive Computerized Numerical Control. Med tanke på att modern numerisk styrning alla använder datorstyrning kan man anta att betydelsen av NC och CNC är helt densamma. Inom tekniska tillämpningar har NC (CNC) vanligtvis tre olika betydelser, beroende på användningstillfället: I bred bemärkelse representerar det en styrteknik – numerisk styrteknik; i snäv bemärkelse representerar det en enhet i ett styrsystem – det numeriska styrsystemet; dessutom kan det också representera en specifik styrenhet – den numeriska styrenheten.
SV: SV är den vanliga engelska förkortningen för servodrift (Servo Drive, förkortat servo). Enligt de föreskrivna termerna i den japanska JIS-standarden är det "en styrmekanism som tar positionen, riktningen och tillståndet för ett objekt som kontrollstorheter och spårar godtyckliga förändringar i målvärdet." Kort sagt är det en styrenhet som automatiskt kan följa fysiska storheter som målpositionen.
På CNC-maskiner återspeglas servodriftens roll huvudsakligen i två aspekter: För det första möjliggör den att koordinataxlarna arbetar med den hastighet som anges av den numeriska styrenheten; för det andra möjliggör den att koordinataxlarna positioneras i enlighet med den position som anges av den numeriska styrenheten.
Styrobjekten för servodriften är vanligtvis förskjutningen och hastigheten hos verktygsmaskinens koordinataxlar; ställdonet är en servomotor; den del som styr och förstärker insignalen kallas ofta en servoförstärkare (även känd som en drivenhet, förstärkare, servoenhet, etc.), vilket är kärnan i servodriften.
Servodrivenheten kan inte bara användas tillsammans med den numeriska styrenheten utan kan även användas ensam som ett positions- (hastighets-) komplementsystem. Därför kallas den ofta för ett servosystem. I tidiga numeriska styrsystem var positionsstyrningsdelen vanligtvis integrerad med CNC, och servodrivenheten utförde endast hastighetsreglering. Därför kallades servodrivenheten ofta för en hastighetsregleringsenhet.
PLC: PC är den engelska förkortningen för Programmable Controller. Med den ökande populariteten för persondatorer, för att undvika förväxling med persondatorer (även kallade PC), kallas programmerbara styrenheter nu generellt för programmerbara logikstyrenheter (Programmable Logic Controller – PLC) eller programmerbara maskinstyrenheter (Programmable Machine Controller – PMC). Därför har PC, PLC och PMC exakt samma betydelse på CNC-verktygsmaskiner.
PLC har fördelarna med snabb respons, pålitlig prestanda, bekväm användning, enkel programmering och felsökning, och kan direkt styra vissa elektriska apparater för verktygsmaskiner. Därför används den ofta som en hjälpstyrenhet för numerisk styrutrustning. För närvarande har de flesta numeriska styrsystem en intern PLC för att bearbeta hjälpinstruktionerna från CNC-verktygsmaskiner, vilket avsevärt förenklar verktygsmaskinens hjälpstyrenhet. Dessutom kan PLC:n i många fall, genom speciella funktionsmoduler som axelstyrmodulen och positioneringsmodulen i PLC:n, också användas direkt för att uppnå punktpositionskontroll, linjär styrning och enkel konturstyrning, vilket bildar speciella CNC-verktygsmaskiner eller CNC-produktionslinjer.
Sammansättning och bearbetningsprincip för CNC-maskiner
Den grundläggande sammansättningen av CNC-maskiner
CNC-maskiner är den vanligaste numeriska styrutrustningen. För att klargöra den grundläggande sammansättningen av CNC-maskiner är det först nödvändigt att analysera arbetsprocessen för CNC-maskiner för bearbetning av delar. För att bearbeta delar på CNC-maskiner kan följande steg implementeras:
Enligt ritningarna och processplanerna för de delar som ska bearbetas, använd de föreskrivna koderna och programformaten för att skriva verktygens rörelsebana, bearbetningsprocessen, processparametrar, skärparametrar etc. i en instruktionsform som kan identifieras av det numeriska styrsystemet, det vill säga skriva bearbetningsprogrammet.
Mata in det skrivna bearbetningsprogrammet i den numeriska styrenheten.
Den numeriska styrenheten avkodar och bearbetar inmatningsprogrammet (koden) och skickar motsvarande styrsignaler till servodrivenheterna och hjälpfunktionsstyrenheterna för varje koordinataxel för att styra rörelsen hos varje komponent i maskinverktyget.
Under rörelsen måste det numeriska styrsystemet när som helst kunna detektera positionen för verktygsmaskinens koordinataxlar, statusen för rörelsebrytarna etc. och jämföra dem med programmets krav för att bestämma nästa åtgärd tills kvalificerade delar har bearbetats.
Operatören kan när som helst observera och inspektera bearbetningsförhållandena och arbetsstatusen för verktygsmaskinen. Vid behov krävs även justeringar av verktygsmaskinens åtgärder och bearbetningsprogram för att säkerställa säker och tillförlitlig drift av verktygsmaskinen.
Man kan se att den grundläggande sammansättningen av en CNC-maskin bör inkludera: in-/utmatningsenheter, numeriska styrenheter, servodrivenheter och återkopplingsenheter, hjälpstyrenheter och maskinhuset.
Sammansättningen av CNC-maskiner
Det numeriska styrsystemet används för att uppnå bearbetningskontroll av maskinverktygets värd. För närvarande använder de flesta numeriska styrsystem datorstyrning (dvs. CNC). In-/utmatningsenheten, den numeriska styrenheten, servodrivenheten och återkopplingsenheten i figuren utgör tillsammans maskinverktygets numeriska styrsystem, och dess roll har beskrivits ovan. Följande presenterar kortfattat andra komponenter.
Mätningsåterkopplingsenhet: Det är detekteringslänken för en sluten (halvsluten) CNC-maskinverktygsmaskin. Dess roll är att detektera hastigheten och förskjutningen av den faktiska förskjutningen av ställdonet (t.ex. verktygshållaren) eller arbetsbordet genom moderna mätelement som pulskodare, resolvrar, induktionssynkroniserare, gitter, magnetiska skalor och lasermätinstrument, och mata tillbaka dem till servodrivenheten eller den numeriska styrenheten, och kompensera för matningshastigheten eller rörelsefelet hos ställdonet för att uppnå syftet att förbättra rörelsemekanismens noggrannhet. Detekteringsenhetens installationsposition och positionen där detekteringssignalen matas tillbaka beror på strukturen hos det numeriska styrsystemet. Inbyggda servopulskodare, varvometrar och linjära gitter är vanligt förekommande detekteringskomponenter.
Eftersom avancerade servon alla använder digital servoteknik (kallad digital servo), används vanligtvis en buss för anslutning mellan servodrivningen och den numeriska styrenheten. I de flesta fall ansluts återkopplingssignalen till servodrivningen och överförs till den numeriska styrenheten via bussen. Endast i ett fåtal fall, eller när analoga servodrivningar används (allmänt kända som analog servo), behöver återkopplingsenheten anslutas direkt till den numeriska styrenheten.
Hjälpstyrningsmekanism och matningsöverföringsmekanism: Den är placerad mellan den numeriska styrenheten och de mekaniska och hydrauliska komponenterna i verktygsmaskinen. Dess huvudsakliga roll är att ta emot spindelhastighet, riktning och start/stopp-instruktioner som matas ut av den numeriska styrenheten; instruktioner för verktygsval och utbyte; start/stopp-instruktioner för kyl- och smörjanordningar; hjälpinstruktionssignaler såsom lossning och fastspänning av arbetsstycken och verktygsmaskinkomponenter, indexering av arbetsbordet och statussignaler från detekteringsbrytare på verktygsmaskinen. Efter nödvändig sammanställning, logisk bedömning och effektförstärkning drivs motsvarande ställdon direkt för att driva verktygsmaskinens mekaniska komponenter, hydrauliska och pneumatiska hjälpanordningar för att slutföra de åtgärder som anges i instruktionerna. Den består vanligtvis av en PLC och en starkströmsstyrkrets. PLC:n kan integreras med CNC:n i struktur (inbyggd PLC) eller vara relativt oberoende (extern PLC).
Maskinverktygets kropp, det vill säga CNC-maskinens mekaniska struktur, består också av huvuddrivsystem, matningssystem, bäddar, arbetsbord, hjälprörelseanordningar, hydrauliska och pneumatiska system, smörjsystem, kylanordningar, spånborttagning, skyddssystem och andra delar. För att uppfylla kraven på numerisk styrning och ge verktygets prestanda fullt spelrum har den dock genomgått betydande förändringar vad gäller övergripande layout, utseende, design, transmissionssystemstruktur, verktygssystem och driftsprestanda. De mekaniska komponenterna i verktygsmaskinen inkluderar bädd, låda, pelare, styrskena, arbetsbord, spindel, matningsmekanism, verktygsväxlingsmekanism etc.
Principen för CNC-bearbetning
På traditionella metallbearbetningsmaskiner måste operatören vid bearbetning av delar kontinuerligt ändra parametrar som verktygets rörelsebana och rörelsehastighet enligt ritningens krav, så att verktyget utför skärbearbetning på arbetsstycket och slutligen bearbetar kvalificerade delar.
Bearbetningen av CNC-maskiner tillämpar i huvudsak "differentialprincipen". Dess arbetsprincip och process kan kortfattat beskrivas enligt följande:
Beroende på den verktygsbana som krävs av bearbetningsprogrammet differentierar den numeriska styrenheten banan längs motsvarande koordinataxlar för maskinverktyget med den minsta rörelsemängden (pulsekvivalent) (△X, △Y i figur 1-2) och beräknar antalet pulser som varje koordinataxel behöver förflyttas.
Med hjälp av "interpolerings"-programvaran eller "interpolerings"-kalkylatorn i den numeriska styrenheten anpassas den erforderliga banan med en ekvivalent polylinje i enheter av "minsta rörelseenhet" och den anpassade polylinjen som ligger närmast den teoretiska banan hittas.
Beroende på den monterade polylinjens bana allokerar den numeriska styrenheten kontinuerligt matningspulser till motsvarande koordinataxlar och gör det möjligt för maskinverktygets koordinataxlar att röra sig enligt de allokerade pulserna via servodrift.
Det kan ses att: För det första, så länge som den minsta rörelsemängden (pulsekvivalent) för CNC-maskinverktyget är tillräckligt liten, kan den anpassade polylinjen som används ekvivalent ersätta den teoretiska kurvan. För det andra, så länge som pulsallokeringsmetoden för koordinataxlarna ändras, kan formen på den anpassade polylinjen ändras, varigenom syftet att ändra bearbetningsbanan uppnås. För det tredje, så länge frekvensen av…