Технология за числено управление и CNC машини
Технологията за числено управление, съкратено NC (Числово управление), е средство за управление на механични движения и процеси на обработка с помощта на цифрова информация. В момента, тъй като съвременното числено управление често използва компютърно управление, то е известно още като компютъризирано числено управление (Компютъризирано числено управление – CNC).
За да се постигне цифрово информационно управление на механичните движения и процесите на обработка, е необходимо да се осигури съответният хардуер и софтуер. Сумата от хардуера и софтуера, използвани за осъществяване на цифрово информационно управление, се нарича система за цифрово управление (система за цифрово управление), а ядрото на системата за цифрово управление е устройството за цифрово управление (числов контролер).
Машините, управлявани чрез технология за числено управление, се наричат CNC машинни инструменти (NC машинни инструменти). Това е типичен мехатронен продукт, който цялостно интегрира съвременни технологии като компютърна технология, технология за автоматично управление, технология за прецизно измерване и проектиране на машинни инструменти. Той е крайъгълният камък на съвременната производствена технология. Управлението на машинни инструменти е най-ранната и най-широко прилагана област на технологията за числено управление. Следователно, нивото на CNC машинните инструменти до голяма степен представлява производителността, нивото и тенденцията на развитие на съвременната технология за числено управление.
Съществуват различни видове CNC машини, включително пробивни, фрезови и разстъргващи машини, стругови машини, шлифовъчни машини, машини за електроерозионна обработка, ковашки машини, лазерни обработващи машини и други специализирани CNC машини със специфични приложения. Всяка машина, управлявана чрез технология за цифрово управление, се класифицира като NC машина.
CNC машините, оборудвани с автоматичен сменител на инструменти ATC (Automatic Tool Changer – ATC), с изключение на CNC струговете с ротационни държачи за инструменти, се определят като обработващи центрове (Machine Center – MC). Чрез автоматичната смяна на инструменти, детайлите могат да извършват множество обработки с едно затягане, постигайки концентрация на процесите и комбиниране на процесите. Това ефективно съкращава времето за спомагателна обработка и подобрява работната ефективност на машинния инструмент. Едновременно с това се намалява броят на монтажите и позиционирането на детайлите, повишавайки точността на обработка. Обработващите центрове в момента са вид CNC машинни инструменти с най-голяма производителност и най-широко приложение.
Базирана на CNC машинни инструменти, чрез добавяне на устройства за автоматична смяна на множество работни маси (палети) (Auto Pallet Changer – APC) и други свързани устройства, получената обработваща единица се нарича гъвкава производствена клетка (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC не само реализира концентрацията на процесите и комбинацията от процеси, но също така, с автоматична смяна на работни маси (палети) и относително пълни функции за автоматично наблюдение и управление, може да извършва безпилотна обработка за определен период, като по този начин допълнително подобрява ефективността на обработката на оборудването. FMC е не само основата на гъвкавата производствена система FMS (Flexible Manufacturing System), но може да се използва и като независимо автоматизирано обработващо оборудване. Следователно, скоростта на нейното развитие е доста бърза.
На базата на FMC и обработващи центрове, чрез добавяне на логистични системи, индустриални роботи и свързано с тях оборудване, и контролирана и управлявана от централизирана система за управление по централизиран и унифициран начин, такава производствена система се нарича гъвкава производствена система FMS (Flexible Manufacturing System). FMS може не само да извършва безпилотна обработка за дълги периоди, но и да постигне пълна обработка на различни видове части и сглобяване на компоненти, постигайки автоматизация на производствения процес в цеха. Това е високо автоматизирана усъвършенствана производствена система.
С непрекъснатия напредък на науката и технологиите, за да се адаптира към променящото се пазарно търсене, за съвременното производство е необходимо не само да се насърчи автоматизацията на производствения процес в цеха, но и да се постигне цялостна автоматизация - от прогнозиране на пазара, вземане на производствени решения, проектиране на продукти, производство на продукти до продажби на продукти. Цялостната производствена и производствена система, формирана чрез интегриране на тези изисквания, се нарича компютърно интегрирана производствена система (Computer Integrated Manufacturing System - CIMS). CIMS органично интегрира по-дълга производствена и бизнес дейност, постигайки по-ефективно и по-гъвкаво интелигентно производство, представлявайки най-високия етап от развитието на днешната автоматизирана производствена технология. В CIMS не само интеграцията на производствено оборудване, но по-важното е, че информационно се характеризира не само интеграцията на технологиите и функциите. Компютърът е инструментът за интеграция, компютърно подпомаганата технология на автоматизираните единици е основата на интеграцията, а обменът и споделянето на информация и данни е мостът на интеграцията. Крайният продукт може да се разглежда като материално проявление на информацията и данните.
Системата за числово управление и нейните компоненти
Основните компоненти на системата за числено управление
Системата за числено управление на CNC машина е ядрото на цялото оборудване за числено управление. Основният обект на управление на системата за числено управление е изместването на координатните оси (включително скорост на движение, посока, позиция и др.), а контролната информация идва главно от програми за числено управление или управление на движението. Следователно, най-основните компоненти на системата за числено управление трябва да включват: устройство за вход/изход на програмата, устройство за числено управление и серво задвижване.
Ролята на входно/изходното устройство е да въвежда и извежда данни, като например програми за обработка на цифрово управление или управление на движението, данни за обработка и управление, параметри на машинни инструменти, позиции на координатни оси и състояние на превключватели за детекция. Клавиатурата и дисплеят са най-основните входно/изходни устройства, необходими за всяко оборудване за цифрово управление. Освен това, в зависимост от системата за цифрово управление, могат да бъдат оборудвани и устройства като фотоелектрически четци, лентови устройства или флопи дискови устройства. Като периферно устройство, компютърът в момента е едно от най-често използваните входно/изходни устройства.
Устройството за числено управление (ЧПУ) е основният компонент на системата за числено управление. То се състои от входно/изходни интерфейсни схеми, контролери, аритметични устройства и памет. Ролята на устройството за числено управление е да компилира, изчислява и обработва данните, въведени от входното устройство чрез вътрешна логическа схема или управляващ софтуер, и да извежда различни видове информация и инструкции за управление на различните части на машинния инструмент за извършване на определени действия.
Сред тази управляваща информация и инструкции, най-основните са инструкциите за скорост на подаване, посока на подаване и изместване на подаването на координатните оси. Те се генерират след интерполационни изчисления, предоставят се на серво задвижването, усилват се от драйвера и в крайна сметка контролират изместването на координатните оси. Това директно определя траекторията на движение на инструмента или координатните оси.
Освен това, в зависимост от системата и оборудването, например, на CNC машина, може да има и инструкции като скорост на въртене, посока, стартиране/спиране на шпиндела; инструкции за избор и смяна на инструмент; инструкции за стартиране/спиране на устройства за охлаждане и смазване; инструкции за разхлабване и затягане на детайла; индексиране на работната маса и други спомагателни инструкции. В системата за числено управление те се предоставят на външното спомагателно устройство за управление под формата на сигнали чрез интерфейса. Спомагателното устройство за управление извършва необходимите компилационни и логически операции върху горните сигнали, усилва ги и управлява съответните изпълнителни механизми, за да управлява механичните компоненти, хидравличните и пневматичните спомагателни устройства на машината, за да изпълнят действията, посочени в инструкциите.
Серво задвижването обикновено се състои от серво усилватели (известни също като драйвери, серво устройства) и изпълнителни механизми. В CNC машините понастоящем като изпълнителни механизми обикновено се използват AC серво двигатели; в усъвършенстваните високоскоростни обработващи машини започнаха да се използват линейни двигатели. Освен това, в CNC машините, произведени преди 80-те години на миналия век, е имало случаи на използване на DC серво двигатели; за прости CNC машини като изпълнителни механизми са използвани и стъпкови двигатели. Видът на серво усилвателя зависи от изпълнителния механизъм и трябва да се използва заедно със задвижващия двигател.
Горните са най-основните компоненти на системата за числено управление. С непрекъснатото развитие на технологията за числено управление и подобряването на нивата на производителност на машинните инструменти, функционалните изисквания към системата също се увеличават. За да отговорят на изискванията за управление на различните машинни инструменти, да гарантират целостта и еднородността на системата за числено управление и да улеснят използването от потребителя, често използваните усъвършенствани системи за числено управление обикновено имат вътрешен програмируем контролер като спомагателно устройство за управление на машината. Освен това, при металорежещите машини устройството за задвижване на шпиндела също може да стане компонент на системата за числено управление; при машините с ЦПУ със затворен контур, устройствата за измерване и откриване също са необходими за системата за числено управление. При усъвършенстваните системи за числено управление понякога дори компютър се използва като интерфейс човек-машина на системата и за управление на данни и входно/изходни устройства, като по този начин функциите на системата за числено управление са по-мощни, а производителността - по-съвършена.
В заключение, съставът на системата за числено управление зависи от производителността на системата за управление и специфичните изисквания за управление на оборудването. Съществуват значителни разлики в нейната конфигурация и състав. В допълнение към трите най-основни компонента - входно/изходното устройство на обработващата програма, устройството за числено управление и серво задвижването, може да има и други управляващи устройства. Пунктираната квадратна част на Фигура 1-1 представлява компютърната система за числено управление.
Концепциите на NC, CNC, SV и PLC
NC (CNC), SV и PLC (PC, PMC) са много често използвани английски съкращения в оборудването за цифрово управление и имат различни значения в различните случаи на практически приложения.
NC (CNC): NC и CNC са общоприетите английски съкращения съответно за Числово управление (Numerical Control) и Компютъризирано Числово управление (CNC). Като се има предвид, че съвременното числено управление използва компютърно управление, може да се счита, че значенията на NC и CNC са напълно еднакви. В инженерните приложения, в зависимост от случая на употреба, NC (CNC) обикновено има три различни значения: В широк смисъл, представлява технология за управление – технология за числено управление; в тесен смисъл, представлява обект на система за управление – система за числено управление; освен това, може да представлява и специфично устройство за управление – устройство за числено управление.
SV: SV е общоприетото английско съкращение на серво задвижване (Servo Drive, съкратено servo). Според предписаните термини на японския стандарт JIS, това е „управляващ механизъм, който приема позицията, посоката и състоянието на обект като управляващи величини и проследява произволни промени в целевата стойност“. Накратко, това е управляващо устройство, което може автоматично да следва физически величини, като например целевата позиция.
При CNC машините ролята на серво задвижването се отразява главно в два аспекта: Първо, то позволява на координатните оси да работят със скоростта, зададена от устройството за цифрово управление; второ, позволява на координатните оси да бъдат позиционирани според позицията, зададена от устройството за цифрово управление.
Обектите на управление на серво задвижването обикновено са преместването и скоростта на координатните оси на машинния инструмент; задвижващият механизъм е серво мотор; частта, която контролира и усилва входния команден сигнал, често се нарича серво усилвател (известен също като драйвер, усилвател, серво устройство и др.), който е ядрото на серво задвижването.
Серво задвижването може да се използва не само заедно с устройство за цифрово управление, но и самостоятелно като система за управление на позицията (скоростта). Поради това често се нарича серво система. В ранните системи за цифрово управление, частта за управление на позицията обикновено е била интегрирана с CNC, а серво задвижването е извършвало само управление на скоростта. Поради това серво задвижването често се е наричало устройство за управление на скоростта.
PLC: PC е английското съкращение на Programmable Controller (Програмируем контролер). С нарастващата популярност на персоналните компютри, за да се избегне объркване с персоналните компютри (наричани още PC), програмируемите контролери вече обикновено се наричат програмируеми логически контролери (Programmalbe Logic Controller – PLC) или програмируеми машинни контролери (Programmable Machine Controller – PMC). Следователно, при CNC машините, PC, PLC и PMC имат абсолютно едно и също значение.
PLC има предимствата на бърза реакция, надеждна работа, удобна употреба, лесно програмиране и отстраняване на грешки и може директно да управлява някои електрически уреди на машинни инструменти. Поради това се използва широко като спомагателно устройство за управление на оборудване за цифрово управление. В момента повечето системи за цифрово управление имат вътрешен PLC за обработка на спомагателните инструкции на CNC машинни инструменти, като по този начин значително опростяват спомагателното устройство за управление на машината. Освен това, в много случаи, чрез специални функционални модули, като модула за управление на осите и модула за позициониране на PLC, PLC може да се използва директно за постигане на контрол на точковата позиция, линеен контрол и прост контурен контрол, образувайки специални CNC машинни инструменти или CNC производствени линии.
Състав и принцип на обработка на CNC машинни инструменти
Основният състав на CNC машинните инструменти
CNC машините са най-типичното оборудване за цифрово управление. За да се изясни основният състав на CNC машините, първо е необходимо да се анализира работният процес на CNC машините за обработка на части. При CNC машините, за обработка на части, могат да се изпълнят следните стъпки:
Съгласно чертежите и технологичните планове на обработваните части, използвайки предписаните кодове и програмни формати, запишете траекторията на движение на инструментите, процеса на обработка, параметрите на процеса, параметрите на рязане и др. във формата на инструкции, разпознаваема от системата за цифрово управление, т.е. напишете програмата за обработка.
Въведете писмената програма за обработка в устройството за цифрово управление.
Устройството за цифрово управление декодира и обработва входната програма (код) и изпраща съответните управляващи сигнали към серво задвижващите устройства и устройствата за управление на спомагателните функции на всяка координатна ос, за да контролира движението на всеки компонент на машинния инструмент.
По време на движението, системата за числено управление трябва да открива позицията на координатните оси на машинния инструмент, състоянието на превключвателите за движение и др. по всяко време и да ги сравнява с изискванията на програмата, за да определи следващото действие, докато не бъдат обработени квалифицирани части.
Операторът може да наблюдава и проверява условията на обработка и работното състояние на машината по всяко време. Ако е необходимо, са необходими и корекции в действията на машината и програмите за обработка, за да се осигури безопасна и надеждна работа на машината.
Може да се види, че като основен състав на CNC машина, тя трябва да включва: входно/изходни устройства, устройства за цифрово управление, серво задвижвания и устройства за обратна връзка, спомагателни устройства за управление и корпус на машината.
Съставът на CNC машинните инструменти
Системата за числено управление се използва за постигане на контрол на обработката на машината. Понастоящем повечето системи за числено управление използват компютърно числено управление (т.е. CNC). Входно-изходното устройство, устройството за числено управление, серво задвижването и устройството за обратна връзка, показани на фигурата, заедно представляват системата за числено управление на машината, а нейната роля е описана по-горе. По-долу са накратко представени другите компоненти.
Устройство за обратна връзка при измерване: Това е детекторната връзка на CNC машинен инструмент със затворен (полузатворен контур). Неговата роля е да открива скоростта и преместването на действителното преместване на задвижващия механизъм (като например държача на инструмента) или работната маса чрез съвременни измервателни елементи, като импулсни енкодери, резолвери, индукционни синхронизатори, решетки, магнитни скали и лазерни измервателни инструменти, и да ги подава обратно към серво задвижващото устройство или устройството за цифрово управление, като компенсира скоростта на подаване или грешката в движението на задвижващия механизъм, за да се постигне целта за подобряване на точността на механизма за движение. Позицията на монтаж на устройството за откриване и позицията, където се подава обратно детекторният сигнал, зависят от структурата на системата за цифрово управление. Вградените серво импулсни енкодери, тахометрите и линейните решетки са често използвани компоненти за откриване.
Поради факта, че всички съвременни серво задвижвания използват технология за цифрово серво задвижване (наричано цифрово серво), обикновено се използва шина за връзка между серво задвижването и устройството за цифрово управление; в повечето случаи сигналът за обратна връзка се свързва към серво задвижването и се предава към устройството за цифрово управление чрез шината. Само в редки случаи или при използване на аналогови серво задвижвания (известни като аналогово серво), устройството за обратна връзка трябва да бъде директно свързано към устройството за цифрово управление.
Спомагателен механизъм за управление и механизъм за подаване: Той се намира между устройството за цифрово управление и механичните и хидравличните компоненти на машинния инструмент. Основната му роля е да приема скоростта на шпиндела, посоката и инструкциите за стартиране/спиране, изведени от устройството за цифрово управление; инструкции за избор и смяна на инструменти; инструкции за стартиране/спиране на устройства за охлаждане и смазване; сигнали за спомагателни инструкции, като например разхлабване и затягане на детайли и компоненти на машинния инструмент, индексиране на работната маса и сигнали за състояние на превключвателите за откриване на машинния инструмент. След необходимото компилиране, логическа преценка и усилване на мощността, съответните задвижващи механизми се задвижват директно, за да управляват механичните компоненти, хидравличните и пневматичните спомагателни устройства на машинния инструмент, за да изпълнят действията, посочени в инструкциите. Обикновено се състои от PLC и силнотокова управляваща верига. PLC може да бъде интегриран с CNC структурата (вграден PLC) или относително независим (външен PLC).
Корпусът на машинния инструмент, т.е. механичната структура на CNC машината, се състои също от главни задвижващи системи, системи за подаващо задвижване, легла, работни маси, спомагателни устройства за движение, хидравлични и пневматични системи, системи за смазване, охлаждащи устройства, устройства за отстраняване на стружки, защитни системи и други части. Въпреки това, за да се отговори на изискванията на цифровото управление и да се осигури пълна производителност на машината, тя е претърпяла значителни промени по отношение на цялостното оформление, външния вид, структурата на трансмисионната система, инструменталната система и експлоатационните характеристики. Механичните компоненти на машината включват легло, кутия, колона, направляваща релса, работна маса, шпиндел, механизъм за подаване, механизъм за смяна на инструменти и др.
Принципът на CNC обработката
При традиционните металорежещи машини, при обработка на детайли, операторът трябва непрекъснато да променя параметри като траекторията на движение и скоростта на движение на инструмента, в съответствие с изискванията на чертежа, така че инструментът да извършва обработка на рязане върху детайла и накрая да обработва квалифицирани части.
Обработката на CNC машинни инструменти по същество прилага принципа на „диференциала“. Принципът на работа и процесът могат да бъдат описани накратко, както следва:
Според траекторията на инструмента, изисквана от програмата за обработка, устройството за числено управление диференцира траекторията по съответните координатни оси на машинния инструмент с минималното количество движение (импулсен еквивалент) (△X, △Y на Фигура 1-2) и изчислява броя на импулсите, които всяка координатна ос трябва да премести.
Чрез софтуера за „интерполация“ или калкулатора за „интерполация“ на устройството за числено управление, необходимата траектория се напасва с еквивалентна полилиния в единици „единица за минимално движение“ и се намира напасната полилиния, най-близка до теоретичната траектория.
Според траекторията на напасната полилиния, устройството за числено управление непрекъснато разпределя импулси за подаване към съответните координатни оси и позволява на координатните оси на машинния инструмент да се движат съгласно разпределените импулси чрез серво задвижване.
Може да се види, че: Първо, стига минималното количество движение (импулсен еквивалент) на CNC машината да е достатъчно малко, използваната полилиния може да бъде еквивалентно заместена с теоретичната крива. Второ, стига методът за разпределение на импулсите на координатните оси да се промени, формата на полилинията може да се промени, като по този начин се постигне целта за промяна на траекторията на обработка. Трето, стига честотата на…