Skaitmeninio valdymo technologijos ir CNC staklės
Skaitmeninio valdymo technologija, sutrumpintai NC (skaitmeninis valdymas), yra mechaninių judesių ir apdorojimo procedūrų valdymo priemonė naudojant skaitmeninę informaciją. Šiuo metu, kadangi šiuolaikinis skaitmeninis valdymas dažniausiai taikomas kompiuteriu, jis taip pat žinomas kaip kompiuterizuotas skaitmeninis valdymas (CNC).
Norint pasiekti mechaninių judesių ir apdorojimo procesų skaitmeninį informacijos valdymą, turi būti įrengta atitinkama aparatinė ir programinė įranga. Aparatinės ir programinės įrangos, naudojamos skaitmeniniam informacijos valdymui įgyvendinti, visuma vadinama skaitmeninio valdymo sistema (skaitmeninio valdymo sistema), o skaitmeninio valdymo sistemos pagrindas yra skaitmeninio valdymo įtaisas (skaitmeninis valdiklis).
Staklės, valdomos skaitmeninio valdymo technologija, vadinamos CNC staklėmis (NC staklės). Tai tipiškas mechatroninis produktas, kuriame visapusiškai integruojamos pažangios technologijos, tokios kaip kompiuterinė technologija, automatinio valdymo technologija, tikslaus matavimo technologija ir staklių projektavimas. Tai yra šiuolaikinės gamybos technologijos kertinis akmuo. Staklių valdymas yra ankstyviausia ir plačiausiai taikoma skaitmeninio valdymo technologijos sritis. Todėl CNC staklių lygis daugiausia atspindi dabartinės skaitmeninio valdymo technologijos našumą, lygį ir plėtros tendencijas.
Yra įvairių tipų CNC staklių, įskaitant gręžimo, frezavimo ir ištekinimo stakles, tekinimo stakles, šlifavimo stakles, elektroerozinio apdirbimo stakles, kalimo stakles, lazerinio apdirbimo stakles ir kitas specialios paskirties CNC stakles su specifiniu panaudojimu. Bet kuri staklės, valdomos skaitmeninio valdymo technologija, priskiriamos NC staklėms.
CNC staklės su automatiniu įrankių keitikliu ATC (angl. Automatic Tool Changer – ATC), išskyrus CNC tekinimo stakles su rotaciniais įrankių laikikliais, apibrėžiamos kaip apdirbimo centrai (angl. Machine Center – MC). Dėl automatinio įrankių keitimo ruošiniai gali atlikti kelias apdorojimo procedūras vienu spaustuku, taip pasiekiant procesų koncentraciją ir derinimą. Tai efektyviai sutrumpina pagalbinio apdorojimo laiką ir pagerina staklių darbo efektyvumą. Tuo pačiu metu sumažėja ruošinių montavimų ir pozicionavimo skaičius, padidėja apdorojimo tikslumas. Apdirbimo centrai šiuo metu yra CNC staklės, pasižyminčios didžiausiu našumu ir plačiausiu pritaikymu.
Remiantis CNC staklėmis, pridėjus kelių darbo stalų (padėklų) automatinio keitimo įrenginius (Auto Pallet Changer – APC) ir kitus susijusius įrenginius, gautas apdorojimo blokas vadinamas lanksčia gamybos ląstele (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC ne tik realizuoja procesų koncentraciją ir derinimą, bet ir, automatiškai keičiant darbo stalus (padėklus) bei turint gana išsamias automatinio stebėjimo ir valdymo funkcijas, tam tikrą laikotarpį gali atlikti savarankišką apdorojimą, taip dar labiau pagerindama įrangos apdorojimo efektyvumą. FMC yra ne tik lanksčios gamybos sistemos FMS (lanksčios gamybos sistemos) pagrindas, bet ir gali būti naudojama kaip nepriklausoma automatizuota apdorojimo įranga. Todėl jos kūrimo tempas yra gana didelis.
Remiantis FMC ir apdirbimo centrais, pridedant logistikos sistemas, pramoninius robotus ir susijusią įrangą, o centralizuotai ir vieningai valdant ir valdant centrinės valdymo sistemos, tokia gamybos sistema vadinama lanksčia gamybos sistema FMS (lanksti gamybos sistema). FMS gali ne tik atlikti savarankišką apdorojimą ilgą laiką, bet ir pasiekti visišką įvairių tipų dalių ir komponentų surinkimo apdorojimą, automatizuojant gamybos procesą dirbtuvėse. Tai labai automatizuota pažangi gamybos sistema.
Nuolat tobulėjant mokslui ir technologijoms, siekiant prisitaikyti prie kintančios rinkos paklausos, šiuolaikinei gamybai būtina ne tik skatinti dirbtuvių gamybos proceso automatizavimą, bet ir pasiekti visapusišką automatizavimą – nuo rinkos prognozavimo, gamybos sprendimų priėmimo, gaminių projektavimo, gaminių gamybos iki pardavimo. Visapusiška gamybos ir apdirbimo sistema, suformuota integruojant šiuos reikalavimus, vadinama kompiuteriu integruota gamybos sistema (CIMS). CIMS organiškai integruoja ilgesnę gamybos ir verslo veiklą, pasiekdama efektyvesnę ir lankstesnę intelektualią gamybą, atstovaujančią aukščiausiam šiandienos automatizuotos gamybos technologijos vystymosi etapui. CIMS sistemoje ne tik integruojama gamybos įranga, bet, dar svarbiau, technologijų ir funkcijų integracija, kuriai būdinga informacija. Kompiuteris yra integravimo įrankis, kompiuteriu valdoma automatizuotų įrenginių technologija yra integracijos pagrindas, o informacijos ir duomenų mainai ir dalijimasis jais – integracijos tiltas. Galutinis produktas gali būti laikomas informacijos ir duomenų materialia išraiška.
Skaitmeninio valdymo sistema ir jos komponentai
Pagrindiniai skaitmeninio valdymo sistemos komponentai
CNC staklių skaitmeninio valdymo sistema yra visų skaitmeninio valdymo įrenginių pagrindas. Pagrindinis skaitmeninio valdymo sistemos valdymo objektas yra koordinačių ašių poslinkis (įskaitant judėjimo greitį, kryptį, padėtį ir kt.), o jos valdymo informacija daugiausia gaunama iš skaitmeninio valdymo apdorojimo arba judesio valdymo programų. Todėl pagrindiniai skaitmeninio valdymo sistemos komponentai turėtų apimti: programos įvesties / išvesties įrenginį, skaitmeninio valdymo įrenginį ir servo pavarą.
Įvesties / išvesties įrenginio vaidmuo yra įvesti ir išvesti duomenis, tokius kaip skaitmeninio valdymo apdorojimo arba judesio valdymo programos, apdorojimo ir valdymo duomenys, staklių parametrai, koordinačių ašių padėtys ir aptikimo jungiklių būsena. Klaviatūra ir ekranas yra patys pagrindiniai įvesties / išvesties įrenginiai, reikalingi bet kuriai skaitmeninio valdymo įrangai. Be to, priklausomai nuo skaitmeninio valdymo sistemos, taip pat gali būti įrengti tokie įrenginiai kaip fotoelektriniai skaitytuvai, juostiniai įrenginiai arba diskelių įrenginiai. Kaip periferinis įrenginys, kompiuteris šiuo metu yra vienas iš dažniausiai naudojamų įvesties / išvesties įrenginių.
Skaitmeninio valdymo įtaisas yra pagrindinis skaitmeninio valdymo sistemos komponentas. Jį sudaro įvesties / išvesties sąsajos grandinės, valdikliai, aritmetiniai vienetai ir atmintis. Skaitmeninio valdymo įtaiso vaidmuo yra surinkti, apskaičiuoti ir apdoroti įvesties įrenginio įvestus duomenis per vidinę loginę grandinę arba valdymo programinę įrangą ir išvesti įvairių tipų informaciją bei instrukcijas, kad būtų galima valdyti įvairias staklės dalis ir atlikti nurodytus veiksmus.
Iš šios valdymo informacijos ir instrukcijų pagrindinės yra koordinačių ašių padavimo greičio, padavimo krypties ir padavimo poslinkio instrukcijos. Jos generuojamos atlikus interpoliacijos skaičiavimus, pateikiamos servo pavarai, sustiprinamos vairuotojo ir galiausiai valdo koordinačių ašių poslinkį. Tai tiesiogiai lemia įrankio arba koordinačių ašių judėjimo trajektoriją.
Be to, priklausomai nuo sistemos ir įrangos, pavyzdžiui, CNC staklėse, gali būti ir tokios instrukcijos kaip sukimosi greitis, kryptis, veleno paleidimas/stabdymas; įrankių pasirinkimo ir keitimo instrukcijos; aušinimo ir tepimo įtaisų paleidimo/stabdymo instrukcijos; ruošinio atlaisvinimo ir prispaudimo instrukcijos; darbinio stalo indeksavimo ir kitos pagalbinės instrukcijos. Skaitmeninio valdymo sistemoje jos išoriniam pagalbiniam valdymo įrenginiui perduodamos signalų pavidalu per sąsają. Pagalbinis valdymo įrenginys atlieka reikiamas minėtų signalų kompiliavimo ir logines operacijas, juos sustiprina ir valdo atitinkamus pavaros mechanizmus, kad šie valdytų staklės mechaninius komponentus, hidraulinius ir pneumatinius pagalbinius įrenginius, atlikdami instrukcijose nurodytus veiksmus.
Servo pavarą paprastai sudaro servo stiprintuvai (dar vadinami pavaromis, servo blokais) ir pavaros. CNC staklėse šiuo metu kaip pavaros paprastai naudojami kintamosios srovės servo varikliai; pažangiose greitaeigėse apdirbimo staklėse pradėti naudoti linijiniai varikliai. Be to, CNC staklėse, pagamintose iki 1980 m., buvo atvejų, kai buvo naudojami nuolatinės srovės servo varikliai; paprastose CNC staklėse kaip pavaros taip pat buvo naudojami žingsniniai varikliai. Servo stiprintuvo forma priklauso nuo pavaros ir turi būti naudojama kartu su pavaros varikliu.
Aukščiau išvardyti yra pagrindiniai skaitmeninio valdymo sistemos komponentai. Nuolat tobulėjant skaitmeninio valdymo technologijoms ir gerėjant staklių našumui, didėja ir funkciniai sistemos reikalavimai. Siekiant patenkinti skirtingų staklių valdymo reikalavimus, užtikrinti skaitmeninio valdymo sistemos vientisumą ir vienodumą bei palengvinti naudotojo naudojimą, dažniausiai naudojamos pažangios skaitmeninio valdymo sistemos paprastai turi vidinį programuojamą valdiklį kaip pagalbinį staklių valdymo įtaisą. Be to, metalo pjovimo staklėse veleno pavaros įtaisas taip pat gali tapti skaitmeninio valdymo sistemos komponentu; uždarojo ciklo CNC staklėse matavimo ir aptikimo įtaisai taip pat yra būtini skaitmeninio valdymo sistemai. Pažangiose skaitmeninio valdymo sistemose kartais net kompiuteris naudojamas kaip sistemos žmogaus ir mašinos sąsaja, duomenų valdymo ir įvesties / išvesties įrenginiai, todėl skaitmeninio valdymo sistemos funkcijos tampa galingesnės, o našumas – tobulesnis.
Apibendrinant galima teigti, kad skaitmeninio valdymo sistemos sudėtis priklauso nuo valdymo sistemos našumo ir konkrečių įrangos valdymo reikalavimų. Jos konfigūracija ir sudėtis labai skiriasi. Be trijų pagrindinių apdorojimo programos įvesties / išvesties įrenginio, skaitmeninio valdymo įrenginio ir servo pavaros komponentų, gali būti ir daugiau valdymo įrenginių. Brūkšniuota langelio dalis 1-1 paveiksle vaizduoja kompiuterinę skaitmeninio valdymo sistemą.
NC, CNC, SV ir PLC sąvokos
NC (CNC), SV ir PLC (PC, PMC) yra labai dažnai vartojamos angliškos santrumpos skaitmeninio valdymo įrangoje ir praktiniame pritaikyme skirtingomis progomis turi skirtingas reikšmes.
NC (CNC): NC ir CNC yra įprasti angliški santrumpos, atitinkamai reiškiančios „Numerical Control“ ir „Computerized Numerical Control“. Atsižvelgiant į tai, kad šiuolaikinis skaitmeninis valdymas yra valdomas kompiuteriu, galima manyti, kad NC ir CNC reikšmės yra visiškai vienodos. Inžinerijos srityje, priklausomai nuo naudojimo atvejo, NC (CNC) paprastai turi tris skirtingas reikšmes: plačiąja prasme tai reiškia valdymo technologiją – skaitmeninio valdymo technologiją; siaurąja prasme tai reiškia valdymo sistemos objektą – skaitmeninio valdymo sistemą; be to, tai gali reikšti ir konkretų valdymo įtaisą – skaitmeninio valdymo įtaisą.
SV: SV yra įprasta angliška servo pavaros santrumpa (angl. Servo Drive, sutrumpintai servo). Pagal japonų JIS standarto nustatytas sąlygas, tai yra „valdymo mechanizmas, kuris objekto padėtį, kryptį ir būseną laiko valdymo dydžiais ir seka savavališkus tikslinės vertės pokyčius“. Trumpai tariant, tai valdymo įtaisas, galintis automatiškai sekti fizinius dydžius, tokius kaip tikslinė padėtis.
CNC staklėse servo pavaros vaidmuo daugiausia atsispindi dviejuose aspektuose: pirma, ji leidžia koordinacinėms ašims veikti skaitmeninio valdymo įrenginio nurodytu greičiu; antra, ji leidžia koordinacines ašis pozicionuoti pagal skaitmeninio valdymo įrenginio nurodytą padėtį.
Servo pavaros valdymo objektai paprastai yra staklės koordinačių ašių poslinkis ir greitis; pavara yra servovariklis; dalis, kuri valdo ir stiprina įvesties komandos signalą, dažnai vadinama servo stiprintuvu (dar vadinamu valdikliu, stiprintuvu, servo bloku ir kt.), kuris yra servo pavaros šerdis.
Servo pavara gali būti naudojama ne tik kartu su skaitmeninio valdymo įrenginiu, bet ir atskirai kaip padėties (greičio) palaikymo sistema. Todėl ji dar dažnai vadinama servo sistema. Ankstyvosiose skaitmeninio valdymo sistemose padėties valdymo dalis paprastai buvo integruota su CNC, o servo pavara atlikdavo tik greičio valdymą. Todėl servo pavara dažnai buvo vadinama greičio reguliavimo įrenginiu.
PLC: PC yra angliškas „Programmoable Controller“ (programuojamas valdiklis) santrumpa. Didėjant asmeninių kompiuterių populiarumui, siekiant išvengti painiavos su asmeniniais kompiuteriais (dar vadinamais PC), programuojami valdikliai dabar paprastai vadinami programuojamais loginiais valdikliais (Programmalbe Logic Controller – PLC) arba programuojamais mašinų valdikliais (Programmable Machine Controller – PMC). Todėl CNC staklėse PC, PLC ir PMC turi tą pačią reikšmę.
PLC pasižymi greito reagavimo, patikimo veikimo, patogaus naudojimo, paprasto programavimo ir derinimo privalumais, be to, jis gali tiesiogiai valdyti kai kuriuos staklių elektros prietaisus. Todėl jis plačiai naudojamas kaip pagalbinis skaitmeninio valdymo įrangos valdymo įtaisas. Šiuo metu dauguma skaitmeninio valdymo sistemų turi vidinį PLC, skirtą CNC staklių pagalbinėms instrukcijoms apdoroti, taip labai supaprastinant staklių pagalbinį valdymo įtaisą. Be to, daugeliu atvejų, naudojant specialius funkcinius modulius, tokius kaip PLC ašies valdymo modulis ir padėties nustatymo modulis, PLC taip pat gali būti tiesiogiai naudojamas taško padėties valdymui, tiesiniam valdymui ir paprastam kontūro valdymui pasiekti, formuojant specialias CNC stakles arba CNC gamybos linijas.
CNC staklių sudėtis ir apdorojimo principas
CNC staklių pagrindinė sudėtis
CNC staklės yra tipiškiausia skaitmeninio valdymo įranga. Norint išsiaiškinti pagrindinę CNC staklių sudėtį, pirmiausia reikia išanalizuoti CNC staklių darbo procesą detalėms apdirbti. CNC staklėse detalėms apdirbti galima įgyvendinti šiuos veiksmus:
Pagal apdorojamų detalių brėžinius ir proceso planus, naudojant nustatytus kodus ir programų formatus, į skaitmeninio valdymo sistemos atpažįstamą instrukcijų formą įrašykite įrankių judėjimo trajektoriją, apdorojimo procesą, proceso parametrus, pjovimo parametrus ir kt., tai yra, parašykite apdorojimo programą.
Įveskite rašytinę apdorojimo programą į skaitmeninio valdymo įrenginį.
Skaitmeninio valdymo įtaisas dekoduoja ir apdoroja įvesties programą (kodą) ir siunčia atitinkamus valdymo signalus kiekvienos koordinatės ašies servo pavaros įtaisams ir pagalbinių funkcijų valdymo įtaisams, kad valdytų kiekvieno staklės komponento judėjimą.
Judėjimo metu skaitmeninio valdymo sistema turi bet kuriuo metu aptikti staklės koordinačių ašių padėtį, eigos jungiklių būseną ir kt. ir palyginti juos su programos reikalavimais, kad nustatytų kitą veiksmą, kol bus apdorotos kvalifikuotos dalys.
Operatorius gali bet kuriuo metu stebėti ir tikrinti staklės apdorojimo sąlygas ir darbinę būseną. Prireikus taip pat reikia koreguoti staklės veiksmus ir apdorojimo programas, kad būtų užtikrintas saugus ir patikimas staklės veikimas.
Galima teigti, kad pagrindinė CNC staklių sudėtis turėtų apimti: įvesties / išvesties įrenginius, skaitmeninio valdymo įrenginius, servo pavaras ir grįžtamojo ryšio įrenginius, pagalbinius valdymo įrenginius ir staklių korpusą.
CNC staklių sudėtis
Skaitmeninio valdymo sistema naudojama staklių pagrindinės dalies apdorojimo valdymui. Šiuo metu dauguma skaitmeninio valdymo sistemų (pvz., CNC) naudoja kompiuterinį skaitmeninį valdymą. Paveikslėlyje pavaizduotas įvesties / išvesties įrenginys, skaitmeninis valdymo įtaisas, servo pavara ir grįžtamojo ryšio įtaisas kartu sudaro staklių skaitmeninio valdymo sistemą, kurios vaidmuo aprašytas aukščiau. Toliau trumpai pristatomi kiti komponentai.
Matavimo grįžtamojo ryšio įtaisas: tai uždaros grandinės (pusiau uždaros grandinės) CNC staklių aptikimo grandis. Jos funkcija – aptikti pavaros (pvz., įrankio laikiklio) arba darbinio stalo faktinio poslinkio greitį ir poslinkį naudojant šiuolaikinius matavimo elementus, tokius kaip impulsų kodavimo įrenginiai, resolveriai, indukciniai sinchronizatoriai, grotelės, magnetinės svarstyklės ir lazeriniai matavimo prietaisai, ir perduoti juos atgal į servo pavaros įrenginį arba skaitmeninio valdymo įrenginį, kompensuojant pavaros padavimo greitį arba judesio paklaidą, siekiant pagerinti judesio mechanizmo tikslumą. Aptikimo įtaiso įrengimo vieta ir aptikimo signalo grįžtamojo ryšio vieta priklauso nuo skaitmeninio valdymo sistemos struktūros. Servo įmontuoti impulsų kodavimo įrenginiai, tachometrai ir linijinės grotelės yra dažniausiai naudojami aptikimo komponentai.
Kadangi visos pažangios servo pavaros naudoja skaitmeninę servo pavaros technologiją (vadinamą skaitmeniniu servo varikliu), servo pavaros ir skaitmeninio valdymo įrenginio sujungimui paprastai naudojama magistralė; daugeliu atvejų grįžtamojo ryšio signalas prijungiamas prie servo pavaros ir perduodamas skaitmeniniam valdymo įrenginiui per magistralę. Tik keliais atvejais arba naudojant analogines servo pavaras (paprastai vadinamas analoginiu servo varikliu), grįžtamojo ryšio įrenginį reikia tiesiogiai prijungti prie skaitmeninio valdymo įrenginio.
Pagalbinis valdymo mechanizmas ir padavimo perdavimo mechanizmas: jis yra tarp skaitmeninio valdymo įtaiso ir mechaninių bei hidraulinių staklės komponentų. Jo pagrindinė funkcija yra priimti skaitmeninio valdymo įtaiso išvestus veleno greičio, krypties ir paleidimo/stabdymo nurodymus; įrankių pasirinkimo ir keitimo nurodymus; aušinimo ir tepimo įtaisų paleidimo/stabdymo nurodymus; pagalbinius nurodymų signalus, tokius kaip ruošinių ir staklės komponentų atlaisvinimas ir prispaudimas, darbinio stalo indeksavimas ir staklės aptikimo jungiklių būsenos signalai. Atlikus reikiamą sudarymą, loginį vertinimą ir galios stiprinimą, atitinkami pavaros mechanizmai yra tiesiogiai valdomi, kad valdytų staklės mechaninius komponentus, hidraulinius ir pneumatinius pagalbinius įtaisus, atlikdami nurodymuose nurodytus veiksmus. Paprastai jį sudaro PLC ir stiprios srovės valdymo grandinė. PLC gali būti integruotas su CNC struktūroje (įmontuotas PLC) arba santykinai nepriklausomas (išorinis PLC).
Staklės korpusas, t. y. CNC staklių mechaninė konstrukcija, taip pat sudaryta iš pagrindinių pavaros sistemų, padavimo pavaros sistemų, lovų, darbastalių, pagalbinių judesio įtaisų, hidraulinių ir pneumatinių sistemų, tepimo sistemų, aušinimo įtaisų, drožlių šalinimo, apsaugos sistemų ir kitų dalių. Tačiau, siekiant atitikti skaitmeninio valdymo reikalavimus ir visapusiškai išnaudoti staklių našumą, buvo atlikti reikšmingi pakeitimai, susiję su bendru išdėstymu, išvaizdos dizainu, perdavimo sistemos struktūra, įrankių sistema ir veikimo charakteristikomis. Staklės mechaniniai komponentai yra lova, dėžė, kolona, kreipiančioji bėgelė, darbastalis, velenas, padavimo mechanizmas, įrankių keitimo mechanizmas ir kt.
CNC apdirbimo principas
Tradiciniuose metalo pjovimo staklėse, apdirbant detales, operatorius turi nuolat keisti tokius parametrus kaip įrankio judėjimo trajektorija ir judėjimo greitis pagal brėžinio reikalavimus, kad įrankis atliktų pjovimo apdorojimą ruošinyje ir galiausiai apdorotų kvalifikuotas detales.
CNC staklių apdirbimas iš esmės vyksta „diferencialiniu“ principu. Jų veikimo principą ir procesą galima trumpai apibūdinti taip:
Pagal apdorojimo programos reikalaujamą įrankio trajektoriją, skaitmeninio valdymo įtaisas diferencijuoja trajektoriją išilgai atitinkamų staklės koordinačių ašių su minimaliu judėjimo kiekiu (impulsų ekvivalentu) (△X, △Y 1-2 paveiksle) ir apskaičiuoja impulsų skaičių, kurio reikia kiekvienai koordinačių ašiai judėti.
Skaitmeninio valdymo įrenginio „interpoliacijos“ programinės įrangos arba „interpoliacijos“ skaičiuotuvo pagalba reikiama trajektorija pritaikoma lygiaverte polilinijai „minimalaus judėjimo vieneto“ vienetais ir randama pritaikoma polilinija, artimiausia teorinei trajektorijai.
Pagal pritaikytos polilinijos trajektoriją, skaitmeninio valdymo įtaisas nuolat paskirsto padavimo impulsus atitinkamoms koordinatinėms ašims ir leidžia staklės koordinatinėms ašims judėti pagal priskirtus impulsus per servo pavarą.
Matyti, kad: pirma, jei CNC staklės minimalus judėjimo kiekis (impulsų ekvivalentas) yra pakankamai mažas, naudojama pritaikyta polilinija gali lygiaverčiai pakeisti teorinę kreivę. Antra, jei keičiamas koordinačių ašių impulsų paskirstymo metodas, galima pakeisti pritaikytos polilinijos formą, taip pasiekiant apdorojimo trajektorijos keitimo tikslą. Trečia, jei dažnis...