Numerisk styringsteknologi og CNC-maskiner
Numerisk styringsteknologi, forkortet NC (Numerical Control), er et middel til at styre mekaniske bevægelser og behandlingsprocedurer ved hjælp af digital information. Da moderne numerisk styring i øjeblikket almindeligvis anvender computerstyring, er den også kendt som computerstyret numerisk styring (Computerized Numerical Control – CNC).
For at opnå digital informationsstyring af mekaniske bevægelser og behandlingsprocesser skal der udstyres tilsvarende hardware og software. Summen af den hardware og software, der bruges til at implementere digital informationsstyring, kaldes det numeriske styresystem (Numerisk Styresystem), og kernen i det numeriske styresystem er den numeriske styreenhed (Numerisk Styreenhed).
Maskiner styret af numerisk styringsteknologi kaldes CNC-værktøjsmaskiner (NC-værktøjsmaskiner). Dette er et typisk mekatronisk produkt, der integrerer avancerede teknologier som computerteknologi, automatisk styringsteknologi, præcisionsmåleteknologi og maskinværktøjsdesign på en omfattende måde. Det er hjørnestenen i moderne produktionsteknologi. Styring af maskinværktøjer er det tidligste og mest anvendte felt inden for numerisk styringsteknologi. Derfor repræsenterer niveauet af CNC-værktøjsmaskiner i vid udstrækning ydeevnen, niveauet og udviklingstendensen for den nuværende numeriske styringsteknologi.
Der findes forskellige typer CNC-maskiner, herunder bore-, fræse- og udboremaskiner, drejemaskiner, slibemaskiner, elektriske udladningsmaskiner, smedemaskiner, laserbearbejdningsmaskiner og andre specialfremstillede CNC-maskiner med specifikke anvendelser. Enhver maskine, der styres af numerisk styringsteknologi, klassificeres som en NC-maskine.
CNC-maskiner udstyret med en automatisk værktøjsveksler ATC (Automatic Tool Changer – ATC), bortset fra CNC-drejebænke med roterende værktøjsholdere, defineres som bearbejdningscentre (Machine Center – MC). Gennem automatisk udskiftning af værktøjer kan emner udføre flere bearbejdningsprocedurer i en enkelt fastspænding, hvilket opnår koncentration af processer og kombination af processer. Dette forkorter effektivt den ekstra bearbejdningstid og forbedrer maskinens arbejdseffektivitet. Samtidig reduceres antallet af emneinstallationer og positioneringer, hvilket forbedrer bearbejdningsnøjagtigheden. Bearbejdningscentre er i øjeblikket den type CNC-maskiner med den største kapacitet og den bredeste anvendelse.
Baseret på CNC-maskiner kaldes den resulterende behandlingsenhed en fleksibel produktionscelle (Flexible Manufacturing Cell – FMC) ved at tilføje automatiske udvekslingsenheder til flere arbejdsborde (paller) (Auto Pallet Changer – APC) og andre relaterede enheder. FMC realiserer ikke kun koncentrationen af processer og kombinationen af processer, men kan også, med automatisk udveksling af arbejdsborde (paller) og relativt komplette automatiske overvågnings- og kontrolfunktioner, udføre ubemandet behandling i en vis periode og derved yderligere forbedre udstyrets behandlingseffektivitet. FMC er ikke kun grundlaget for det fleksible produktionssystem FMS (Flexible Manufacturing System), men kan også bruges som et uafhængigt automatiseret behandlingsudstyr. Derfor er dets udviklingshastighed ret hurtig.
Baseret på FMC og bearbejdningscentre, ved at tilføje logistiksystemer, industrirobotter og relateret udstyr, og kontrolleret og administreret af et centralt styresystem på en centraliseret og samlet måde, kaldes et sådant produktionssystem et fleksibelt produktionssystem FMS (Flexible Manufacturing System). FMS kan ikke kun udføre ubemandet bearbejdning i lange perioder, men også opnå komplet bearbejdning af forskellige typer dele og komponentsamling, hvilket opnår automatisering af værkstedets fremstillingsproces. Det er et højt automatiseret avanceret produktionssystem.
Med den kontinuerlige udvikling inden for videnskab og teknologi er det for at tilpasse sig den skiftende markedsefterspørgsel ikke kun nødvendigt at fremme automatiseringen af værkstedets fremstillingsproces, men også at opnå omfattende automatisering fra markedsprognoser, produktionsbeslutninger, produktdesign og produktfremstilling til produktsalg. Det komplette produktions- og fremstillingssystem, der dannes ved at integrere disse krav, kaldes et computerintegreret fremstillingssystem (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS integrerer organisk en længerevarende produktions- og forretningsaktivitet, hvilket opnår en mere effektiv og mere fleksibel intelligent produktion og repræsenterer det højeste trin i udviklingen af nutidens automatiserede fremstillingsteknologi. I CIMS er ikke kun integrationen af produktionsudstyr, men endnu vigtigere, teknologiintegration og funktionsintegration karakteriseret ved information. Computeren er integrationsværktøjet, den computerstøttede automatiserede enhedsteknologi er grundlaget for integrationen, og udveksling og deling af information og data er broen til integration. Det endelige produkt kan betragtes som den materielle manifestation af information og data.
Det numeriske styresystem og dets komponenter
De grundlæggende komponenter i det numeriske styresystem
Det numeriske styresystem i en CNC-maskine er kernen i alt numerisk styreudstyr. Hovedstyringsobjektet i det numeriske styresystem er forskydningen af koordinatakserne (inklusive bevægelseshastighed, retning, position osv.), og dets styringsinformation kommer hovedsageligt fra numerisk styrebehandling eller bevægelsesstyringsprogrammer. Derfor bør de mest grundlæggende komponenter i det numeriske styresystem omfatte: programinput/output-enheden, den numeriske styreenhed og servodrevet.
Input/output-enhedens rolle er at indtaste og udsende data såsom numerisk styringsbehandling eller bevægelsesstyringsprogrammer, behandlings- og styringsdata, maskinværktøjsparametre, koordinataksepositioner og status for detektionskontakter. Tastatur og display er de mest basale input/output-enheder, der er nødvendige for alt numerisk styringsudstyr. Afhængigt af det numeriske styringssystem kan der desuden også udstyres enheder som fotoelektriske læsere, båndstationer eller diskettedrev. Som en perifer enhed er computeren i øjeblikket en af de almindeligt anvendte input/output-enheder.
Den numeriske styreenhed er kernekomponenten i det numeriske styresystem. Den består af input/output-grænsefladekredsløb, controllere, aritmetiske enheder og hukommelse. Den numeriske styreenheds rolle er at kompilere, beregne og behandle de data, der inputtes af inputenheden via det interne logikkredsløb eller styresoftware, og at udsende forskellige typer information og instruktioner for at styre de forskellige dele af maskinværktøjet til at udføre specificerede handlinger.
Blandt disse kontroloplysninger og instruktioner er de mest grundlæggende instruktionerne for fremføringshastighed, fremføringsretning og fremføringsforskydning for koordinatakserne. De genereres efter interpolationsberegninger, leveres til servodrevet, forstærkes af driveren og styrer i sidste ende forskydningen af koordinatakserne. Dette bestemmer direkte værktøjets eller koordinataksernes bevægelsesbane.
Derudover kan der, afhængigt af systemet og udstyret, f.eks. på en CNC-maskine, også være instruktioner såsom rotationshastighed, retning, start/stop af spindelen; instruktioner til værktøjsvalg og -udskiftning; start/stop-instruktioner for køle- og smøreenheder; instruktioner til løsning og fastspænding af emner; indeksering af arbejdsbordet og andre hjælpeinstruktioner. I det numeriske styresystem leveres disse til den eksterne hjælpestyreenhed i form af signaler via grænsefladen. Hjælpestyreenheden udfører den nødvendige kompilering og logiske operationer på ovenstående signaler, forstærker dem og driver de tilsvarende aktuatorer for at drive de mekaniske komponenter, hydrauliske og pneumatiske hjælpeenheder på værktøjsmaskinen for at fuldføre de handlinger, der er specificeret i instruktionerne.
Servodrevet består normalt af servoforstærkere (også kendt som drivere, servoenheder) og aktuatorer. På CNC-maskiner bruges AC-servomotorer generelt som aktuatorer i øjeblikket; på avancerede højhastighedsbearbejdningsmaskiner er lineære motorer begyndt at blive brugt. Derudover har der været tilfælde af brug af DC-servomotorer på CNC-maskiner produceret før 1980'erne; til simple CNC-maskiner blev steppermotorer også brugt som aktuatorer. Servoforstærkerens form afhænger af aktuatoren og skal bruges sammen med drivmotoren.
Ovenstående er de mest grundlæggende komponenter i det numeriske styresystem. Med den kontinuerlige udvikling af numerisk styreteknologi og forbedringen af maskinværktøjernes ydeevne stiger også de funktionelle krav til systemet. For at opfylde styrekravene til forskellige maskinværktøjer, sikre integriteten og ensartetheden af det numeriske styresystem og lette brugerbrugen har almindeligt anvendte avancerede numeriske styresystemer normalt en intern programmerbar controller som maskinværktøjets hjælpestyreenhed. Derudover kan spindeldrevenheden på metalbearbejdningsmaskiner også blive en komponent i det numeriske styresystem; på CNC-maskiner med lukket sløjfe er måle- og detektionsenheder også uundværlige for det numeriske styresystem. Til avancerede numeriske styresystemer bruges nogle gange endda en computer som systemets menneske-maskine-grænseflade og til datastyring og input/output-enheder, hvorved det numeriske styresystems funktioner bliver mere kraftfulde og ydeevnen mere perfekt.
Afslutningsvis afhænger sammensætningen af det numeriske styresystem af styresystemets ydeevne og udstyrets specifikke styrekrav. Der er betydelige forskelle i dets konfiguration og sammensætning. Ud over de tre mest grundlæggende komponenter i behandlingsprogrammets input/output-enhed, den numeriske styreenhed og servodrevet, kan der være flere styreenheder. Den stiplede boksdel i figur 1-1 repræsenterer computerens numeriske styresystem.
Koncepterne NC, CNC, SV og PLC
NC (CNC), SV og PLC (PC, PMC) er meget almindeligt anvendte engelske forkortelser i numerisk styringsudstyr og har forskellige betydninger i forskellige situationer i praktiske anvendelser.
NC (CNC): NC og CNC er de almindelige engelske forkortelser for henholdsvis Numerical Control og Computerized Numerical Control. Da moderne numerisk styring al anvender computerstyring, kan det anses for, at betydningerne af NC og CNC er fuldstændig de samme. I tekniske applikationer har NC (CNC) normalt tre forskellige betydninger, afhængigt af brugen: I bred forstand repræsenterer det en styringsteknologi – numerisk styringsteknologi; i snæver forstand repræsenterer det en enhed i et styresystem – det numeriske styresystem; derudover kan det også repræsentere en specifik styreenhed – den numeriske styreenhed.
SV: SV er den almindelige engelske forkortelse for servodrev (Servo Drive, forkortet som servo). Ifølge de foreskrevne termer i den japanske JIS-standard er det "en styremekanisme, der tager et objekts position, retning og tilstand som kontrolstørrelser og sporer vilkårlige ændringer i målværdien." Kort sagt er det en styreenhed, der automatisk kan følge fysiske størrelser såsom målpositionen.
På CNC-maskiner afspejles servodrevets rolle primært i to aspekter: For det første gør det det muligt for koordinatakserne at køre med den hastighed, der er angivet af den numeriske styreenhed; for det andet gør det det muligt for koordinatakserne at blive positioneret i henhold til den position, der er angivet af den numeriske styreenhed.
Servodrevets kontrolobjekter er normalt forskydningen og hastigheden af værktøjsmaskinens koordinatakser; aktuatoren er en servomotor; den del, der styrer og forstærker inputkommandosignalet, kaldes ofte en servoforstærker (også kendt som en driver, forstærker, servoenhed osv.), som er kernen i servodrevet.
Servodrevet kan ikke kun bruges sammen med den numeriske styreenhed, men kan også bruges alene som et positions- (hastigheds-) ledsagende system. Derfor kaldes det også ofte et servosystem. I tidlige numeriske styresystemer var positionsstyringsdelen generelt integreret med CNC, og servodrevet udførte kun hastighedsstyring. Derfor blev servodrevet ofte kaldt en hastighedsstyringsenhed.
PLC: PC er den engelske forkortelse for Programmable Controller. Med den stigende popularitet af personlige computere, for at undgå forveksling med personlige computere (også kaldet PC'er), kaldes programmerbare controllere nu generelt programmerbare logiske controllere (Programmable Logic Controller – PLC) eller programmerbare maskincontrollere (Programmable Machine Controller – PMC). Derfor har PC, PLC og PMC præcis den samme betydning på CNC-værktøjsmaskiner.
PLC'er har fordelene ved hurtig respons, pålidelig ydeevne, praktisk brug, nem programmering og fejlfinding og kan direkte styre nogle elektriske apparater i maskinværktøjer. Derfor bruges den i vid udstrækning som en hjælpestyringsenhed til numerisk styringsudstyr. I øjeblikket har de fleste numeriske styringssystemer en intern PLC til behandling af hjælpeinstruktioner fra CNC-maskiner, hvilket i høj grad forenkler maskinværktøjets hjælpestyringsenhed. Derudover kan PLC'er i mange tilfælde, gennem specielle funktionelle moduler såsom PLC'ens aksestyringsmodul og positioneringsmodul, også anvendes direkte til at opnå punktpositionsstyring, lineær styring og simpel konturstyring, hvilket danner specielle CNC-maskiner eller CNC-produktionslinjer.
Sammensætningen og bearbejdningsprincippet for CNC-maskiner
Den grundlæggende sammensætning af CNC-maskiner
CNC-maskiner er det mest typiske numeriske styreudstyr. For at afklare den grundlæggende sammensætning af CNC-maskiner er det først nødvendigt at analysere arbejdsprocessen for CNC-maskiner til bearbejdning af dele. På CNC-maskiner kan følgende trin implementeres for at bearbejde dele:
I henhold til tegningerne og procesplanerne for de dele, der skal bearbejdes, skal du ved hjælp af de foreskrevne koder og programformater skrive værktøjernes bevægelsesbane, bearbejdningsprocessen, procesparametre, skæreparametre osv. ind i den instruktionsform, der kan genkendes af det numeriske styresystem, dvs. skrive bearbejdningsprogrammet.
Indtast det skrevne behandlingsprogram i den numeriske styreenhed.
Den numeriske styreenhed afkoder og behandler inputprogrammet (koden) og sender tilsvarende styresignaler til servodrevenhederne og hjælpefunktionsstyringsenheder for hver koordinatakse for at styre bevægelsen af hver komponent i maskinværktøjet.
Under bevægelsen skal det numeriske styresystem til enhver tid kunne registrere positionen af maskinværktøjets koordinatakser, status for kørselskontakterne osv. og sammenligne dem med programmets krav for at bestemme den næste handling, indtil kvalificerede dele er behandlet.
Operatøren kan til enhver tid observere og inspicere maskinens bearbejdningsforhold og arbejdsstatus. Om nødvendigt er det også nødvendigt at justere maskinens handlinger og bearbejdningsprogrammer for at sikre maskinens sikre og pålidelige drift.
Det kan ses, at den grundlæggende sammensætning af en CNC-maskine bør omfatte: input/output-enheder, numeriske styreenheder, servodrev og feedback-enheder, hjælpestyreenheder og maskinhuset.
Sammensætningen af CNC-maskiner
Det numeriske styresystem bruges til at opnå processtyring af maskinværktøjsværten. I øjeblikket anvender de fleste numeriske styresystemer computerstyret numerisk styring (dvs. CNC). Input/output-enheden, den numeriske styreenhed, servodrevet og feedback-enheden i figuren udgør tilsammen maskinværktøjsværkstøjets numeriske styresystem, og dets rolle er beskrevet ovenfor. Følgende introducerer kort andre komponenter.
Målefeedbackenhed: Det er detektionsforbindelsen i en lukket (semi-lukket) CNC-maskine. Dens rolle er at detektere hastigheden og forskydningen af den faktiske forskydning af aktuatoren (såsom værktøjsholderen) eller arbejdsbordet gennem moderne måleelementer såsom pulsencodere, resolvere, induktionssynkronisatorer, gitre, magnetiske skalaer og lasermåleinstrumenter og føre dem tilbage til servodrevenheden eller den numeriske styreenhed og kompensere for fremføringshastigheden eller bevægelsesfejlen i aktuatoren for at opnå formålet med at forbedre bevægelsesmekanismens nøjagtighed. Detektionsenhedens installationsposition og den position, hvor detektionssignalet føres tilbage, afhænger af strukturen af det numeriske styresystem. Indbyggede servopulsencodere, omdrejningstællere og lineære gitre er almindeligt anvendte detektionskomponenter.
Da avancerede servoer alle anvender digital servodrevteknologi (kaldet digital servo), bruges der normalt en bus til forbindelse mellem servodrevet og den numeriske styreenhed. I de fleste tilfælde forbindes feedbacksignalet til servodrevet og transmitteres til den numeriske styreenhed via bussen. Kun i få tilfælde, eller når man bruger analoge servodrev (almindeligvis kendt som analog servo), skal feedbackenheden tilsluttes direkte til den numeriske styreenhed.
Hjælpestyringsmekanisme og fremføringstransmissionsmekanisme: Den er placeret mellem den numeriske styringsenhed og de mekaniske og hydrauliske komponenter i værktøjsmaskinen. Dens hovedrolle er at modtage spindelhastighed, retning og start/stop-instruktioner fra den numeriske styringsenhed; instruktioner til værktøjsvalg og -udskiftning; start/stop-instruktioner fra køle- og smøreenheder; hjælpeinstruktionssignaler såsom løsning og fastspænding af emner og værktøjsmaskinkomponenter, indeksering af arbejdsbordet og statussignaler fra detektionskontakter på værktøjsmaskinen. Efter nødvendig kompilering, logisk vurdering og effektforstærkning drives de tilsvarende aktuatorer direkte for at drive de mekaniske komponenter, hydrauliske og pneumatiske hjælpeenheder i værktøjsmaskinen for at udføre de handlinger, der er specificeret i instruktionerne. Den består normalt af en PLC og et stærkstrømsstyringskredsløb. PLC'en kan integreres med CNC'en i struktur (indbygget PLC) eller være relativt uafhængig (ekstern PLC).
Maskinværktøjshuset, det vil sige den mekaniske struktur af CNC-maskinværktøjet, består også af hoveddrevsystemer, fremføringssystemer, lejer, arbejdsborde, hjælpebevægelsesenheder, hydrauliske og pneumatiske systemer, smøresystemer, køleenheder, spånfjernelse, beskyttelsessystemer og andre dele. For at opfylde kravene til numerisk styring og give maskinens ydeevne fuld spillerum, har den dog gennemgået betydelige ændringer med hensyn til det overordnede layout, udseende, design, transmissionssystemstruktur, værktøjssystem og driftsydelse. Maskinværktøjets mekaniske komponenter omfatter leje, kasse, søjle, føringsskinne, arbejdsbord, spindel, fremføringsmekanisme, værktøjsudvekslingsmekanisme osv.
Princippet for CNC-bearbejdning
På traditionelle metalskæremaskiner skal operatøren, når han bearbejder dele, løbende ændre parametre som værktøjets bevægelsesbane og bevægelseshastighed i henhold til tegningens krav, så værktøjet udfører skærebehandling på emnet og endelig bearbejder kvalificerede dele.
Bearbejdningen af CNC-maskiner anvender i bund og grund "differential"-princippet. Dets arbejdsprincip og proces kan kort beskrives som følger:
I henhold til den værktøjsbane, der kræves af behandlingsprogrammet, differentierer den numeriske styreenhed banen langs de tilsvarende koordinatakser i maskinværktøjet med den minimale bevægelsesmængde (pulsækvivalent) (△X, △Y i figur 1-2) og beregner antallet af pulser, som hver koordinatakse skal bevæge sig.
Ved hjælp af "interpolations"-softwaren eller "interpolations"-beregneren i den numeriske styreenhed tilpasses den nødvendige bane med en ækvivalent polylinje i enheder af "minimum bevægelsesenhed", og den tilpassede polylinje, der er tættest på den teoretiske bane, findes.
I henhold til den monterede polylinjes bane tildeler den numeriske styreenhed kontinuerligt fremføringspulser til de tilsvarende koordinatakser og gør det muligt for maskinværktøjets koordinatakser at bevæge sig i henhold til de tildelte impulser via servodrevet.
Det kan ses, at: For det første, så længe den minimale bevægelsesmængde (pulsækvivalent) for CNC-maskinværktøjet er lille nok, kan den anvendte tilpassede polylinje ækvivalent erstatte den teoretiske kurve. For det andet, så længe pulsallokeringsmetoden for koordinatakserne ændres, kan formen på den tilpassede polylinje ændres, hvorved formålet med at ændre behandlingsbanen opnås. For det tredje, så længe frekvensen af…