Numerikus vezérlésű technológia és CNC szerszámgépek
A numerikus vezérléstechnika, röviden NC (Numerical Control), a mechanikus mozgások és feldolgozási eljárások digitális információk segítségével történő vezérlésének eszköze. Jelenleg, mivel a modern numerikus vezérlés gyakran számítógépes vezérlést alkalmaz, számítógépes numerikus vezérlésnek (CNC) is nevezik.
A mechanikus mozgások és feldolgozási folyamatok digitális információvezérlésének eléréséhez megfelelő hardverrel és szoftverrel kell felszerelni. A digitális információvezérlés megvalósításához használt hardver és szoftver összességét numerikus vezérlőrendszernek (Numerical Control System) nevezik, és a numerikus vezérlőrendszer magja a numerikus vezérlőeszköz (Numerical Controller).
A numerikus vezérlésű technológiával vezérelt gépeket CNC szerszámgépeknek (NC szerszámgépeknek) nevezik. Ez egy tipikus mechatronikai termék, amely átfogóan integrálja a fejlett technológiákat, mint például a számítástechnika, az automatikus vezérléstechnika, a precíziós méréstechnika és a szerszámgép-tervezés. Ez a modern gyártástechnológia sarokköve. A szerszámgépek vezérlése a numerikus vezérléstechnika legkorábbi és legszélesebb körben alkalmazott területe. Ezért a CNC szerszámgépek szintje nagymértékben tükrözi a jelenlegi numerikus vezérléstechnika teljesítményét, szintjét és fejlődési trendjét.
A CNC szerszámgépeknek különféle típusai vannak, beleértve a fúró-, maró- és furatmegmunkáló szerszámgépeket, esztergagépeket, köszörűgépeket, szikraforgácsoló megmunkáló szerszámgépeket, kovácsgépeket, lézeres megmunkáló szerszámgépeket és egyéb speciális célú CNC szerszámgépeket. Minden olyan szerszámgépet NC szerszámgépnek minősítünk, amelyet numerikus vezérlésű technológia vezérel.
Az automatikus szerszámcserélővel (ATC) (Automatic Tool Changer – ATC) felszerelt CNC szerszámgépeket – a forgó szerszámtartóval ellátott CNC esztergák kivételével – megmunkálóközpontoknak (Machine Center – MC) nevezik. Az automatikus szerszámcsere révén a munkadarabok egyetlen befogással több megmunkálási eljárást is elvégezhetnek, elérve a folyamatok koncentrációját és kombinációját. Ez hatékonyan lerövidíti a segédmegmunkálási időt és javítja a szerszámgép működési hatékonyságát. Ezzel egyidejűleg csökkenti a munkadarabok beszerelésének és pozicionálásának számát, növelve a megmunkálási pontosságot. A megmunkálóközpontok jelenleg a legnagyobb teljesítményű és legszélesebb körben alkalmazható CNC szerszámgépek.
A CNC szerszámgépeken alapuló, több munkaasztalos (palettás) automatikus cserélő eszközök (Auto Pallet Changer – APC) és más kapcsolódó eszközök hozzáadásával létrejövő feldolgozóegységet rugalmas gyártócellának (Flexible Manufacturing Cell – FMC) nevezik. Az FMC nemcsak a folyamatok koncentrációját és kombinációját valósítja meg, hanem a munkaasztalok (paletták) automatikus cseréjével és a viszonylag teljes automatikus felügyeleti és vezérlő funkciókkal bizonyos ideig ember nélküli feldolgozást is végezhet, ezáltal tovább javítva a berendezés feldolgozási hatékonyságát. Az FMC nemcsak az FMS (Flexible Manufacturing System) rugalmas gyártórendszer alapja, hanem független automatizált feldolgozóberendezésként is használható. Ezért fejlesztési sebessége meglehetősen gyors.
Az FMC és a megmunkálóközpontok alapján, logisztikai rendszerek, ipari robotok és kapcsolódó berendezések hozzáadásával, valamint egy központi vezérlőrendszer által központosított és egységes módon vezérelve és kezelve egy ilyen gyártórendszert rugalmas gyártórendszernek (FMS, Flexible Manufacturing System) neveznek. Az FMS nemcsak hosszú ideig képes felügyelet nélküli feldolgozást végezni, hanem különféle alkatrészek és komponensek összeszerelésének teljes feldolgozását is lehetővé teszi, automatizálva a műhelyi gyártási folyamatot. Ez egy nagymértékben automatizált, fejlett gyártórendszer.
A tudomány és a technológia folyamatos fejlődésével a piaci igények változó helyzetéhez való alkalmazkodás érdekében a modern gyártáshoz nemcsak a műhelyi gyártási folyamatok automatizálásának előmozdítása szükséges, hanem átfogó automatizálást is kell elérni a piaci előrejelzéstől, a termelési döntéshozatalon, a terméktervezésen, a termékgyártáson át az értékesítésig. Az ezen követelmények integrálásával létrehozott teljes termelési és gyártási rendszert számítógéppel integrált gyártórendszernek (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS) nevezik. A CIMS szervesen integrálja a hosszabb termelési és üzleti tevékenységet, hatékonyabb és rugalmasabb intelligens termelést érve el, amely a mai automatizált gyártástechnológia fejlődésének legmagasabb szintjét képviseli. A CIMS-ben nemcsak a gyártóberendezések integrációja, hanem ami még fontosabb, a technológiai integráció és a funkciók integrációja jellemzi az információt. A számítógép az integrációs eszköz, a számítógéppel segített automatizált egységtechnológia az integráció alapja, az információk és adatok cseréje és megosztása pedig az integráció hídja. A végtermék az információk és adatok anyagi megnyilvánulásának tekinthető.
A numerikus vezérlőrendszer és alkotóelemei
A numerikus vezérlőrendszer alapvető összetevői
A CNC szerszámgép numerikus vezérlőrendszere minden numerikus vezérlőberendezés lelke. A numerikus vezérlőrendszer fő vezérlőobjektuma a koordinátatengelyek elmozdulása (beleértve a mozgási sebességet, irányt, pozíciót stb.), és a vezérlőinformációi főként numerikus vezérlésű feldolgozásból vagy mozgásvezérlő programokból származnak. Ezért a numerikus vezérlőrendszer legalapvetőbb alkotóelemeinek a következőknek kell lenniük: a program bemeneti/kimeneti eszköze, a numerikus vezérlőeszköz és a szervohajtás.
A bemeneti/kimeneti eszköz szerepe az adatok bevitele és kivitele, például numerikus vezérlésű feldolgozás vagy mozgásvezérlő programok, feldolgozási és vezérlési adatok, szerszámgép-paraméterek, koordinátatengelyek pozíciói és az érzékelő kapcsolók állapota. A billentyűzet és a kijelző a legalapvetőbb bemeneti/kimeneti eszközök, amelyek minden numerikus vezérlőberendezéshez szükségesek. Ezenkívül, a numerikus vezérlőrendszertől függően, olyan eszközökkel is felszerelhetők, mint a fotoelektromos olvasók, szalagos meghajtók vagy floppy lemezes meghajtók. Perifériaként a számítógép jelenleg az egyik leggyakrabban használt bemeneti/kimeneti eszköz.
A numerikus vezérlőeszköz a numerikus vezérlőrendszer központi eleme. Bemeneti/kimeneti interfész áramkörökből, vezérlőkből, aritmetikai egységekből és memóriából áll. A numerikus vezérlőeszköz szerepe a bemeneti eszköz által a belső logikai áramkörön vagy vezérlőszoftveren keresztül bevitt adatok összeállítása, kiszámítása és feldolgozása, valamint különféle információk és utasítások kiadása a szerszámgép különböző részeinek vezérléséhez a megadott műveletek végrehajtásához.
Ezen vezérlőinformációk és utasítások közül a legalapvetőbbek a koordinátatengelyek előtolási sebességére, előtolási irányára és előtolási elmozdulására vonatkozó utasítások. Ezeket interpolációs számítások után generálják, a szervohajtáshoz adják, a meghajtó felerősíti, és végső soron a koordinátatengelyek elmozdulását vezérlik. Ez közvetlenül meghatározza a szerszám vagy a koordinátatengelyek mozgási pályáját.
Ezenkívül, a rendszertől és a berendezéstől függően, például egy CNC szerszámgépen, olyan utasítások is lehetnek, mint az orsó forgási sebessége, iránya, indítása/leállítása; szerszámválasztási és -csere utasítások; hűtő- és kenőberendezések indítási/leállítási utasításai; munkadarab kilazítási és befogási utasítások; a munkaasztal indexelése és egyéb segédutasítások. A numerikus vezérlőrendszerben ezeket jelek formájában adják meg a külső segédvezérlő eszköznek az interfészen keresztül. A segédvezérlő eszköz elvégzi a fenti jelek szükséges összeállítását és logikai műveleteit, felerősíti azokat, és meghajtja a megfelelő működtetőket, hogy a szerszámgép mechanikus alkatrészeit, hidraulikus és pneumatikus segédberendezéseit meghajtsák az utasításokban meghatározott műveletek végrehajtása érdekében.
A szervohajtás általában szervoerősítőkből (más néven meghajtókból, szervoegységekből) és aktuátorokból áll. CNC szerszámgépeken jelenleg általában váltakozó áramú szervomotorokat használnak aktuátorként; a korszerű, nagysebességű megmunkálógépeken lineáris motorok kezdték használni. Ezenkívül az 1980-as évek előtt gyártott CNC szerszámgépeken előfordultak egyenáramú szervomotorok használata is; egyszerű CNC szerszámgépeknél léptetőmotorokat is használtak aktuátorként. A szervoerősítő alakja a aktuátortól függ, és a hajtómotorral együtt kell használni.
A fentiek a numerikus vezérlőrendszer legalapvetőbb alkotóelemei. A numerikus vezérlési technológia folyamatos fejlődésével és a szerszámgépek teljesítményszintjének javulásával a rendszerrel szemben támasztott funkcionális követelmények is növekednek. A különböző szerszámgépek vezérlési követelményeinek kielégítése, a numerikus vezérlőrendszer integritásának és egységességének biztosítása, valamint a felhasználói használat megkönnyítése érdekében az általánosan használt fejlett numerikus vezérlőrendszerek általában egy belső programozható vezérlővel rendelkeznek, amely a szerszámgép segédvezérlő eszköze. Ezenkívül a fémmegmunkáló szerszámgépeken az orsómeghajtó eszköz is a numerikus vezérlőrendszer alkotóelemévé válhat; a zárt hurkú CNC szerszámgépeken a mérő- és érzékelőeszközök is nélkülözhetetlenek a numerikus vezérlőrendszerhez. A fejlett numerikus vezérlőrendszerek esetében néha számítógépet is használnak a rendszer ember-gép interfészeként, valamint az adatkezeléshez és a bemeneti/kimeneti eszközökhöz, ezáltal a numerikus vezérlőrendszer funkciói hatékonyabbak és a teljesítménye tökéletesebb.
Összefoglalva, a numerikus vezérlőrendszer összetétele a vezérlőrendszer teljesítményétől és a berendezés konkrét vezérlési követelményeitől függ. Konfigurációjában és összetételében jelentős különbségek vannak. A feldolgozó program bemeneti/kimeneti eszközének három legalapvetőbb alkotóeleme, a numerikus vezérlőeszköz és a szervohajtás mellett további vezérlőeszközök is lehetnek. Az 1-1. ábrán a szaggatott kerettel jelölt rész a számítógépes numerikus vezérlőrendszert ábrázolja.
Az NC, CNC, SV és PLC koncepciói
Az NC (CNC), SV és PLC (PC, PMC) a numerikus vezérlőberendezésekben gyakran használt angol rövidítések, amelyek a gyakorlati alkalmazásokban különböző esetekben eltérő jelentéssel bírnak.
NC (CNC): Az NC és CNC a numerikus vezérlés (Numerical Control) és a számítógépes numerikus vezérlés (Computerized Numerical Control) angol rövidítése. Mivel a modern numerikus vezérlések mind számítógépes vezérlést alkalmaznak, úgy tekinthető, hogy az NC és a CNC jelentése teljesen azonos. A mérnöki alkalmazásokban, a használati alkalomtól függően, az NC (CNC) általában három különböző jelentéssel bír: Tágabb értelemben egy vezérlőtechnológiát jelöl – numerikus vezérlési technológia; szűkebb értelemben egy vezérlőrendszer egy entitását – numerikus vezérlőrendszert – jelöl; továbbá egy adott vezérlőeszközt is jelölhet – numerikus vezérlőeszközt.
SV: Az SV a szervohajtás (Servo Drive, röviden szervo) angol rövidítése. A japán JIS szabvány előírt feltételei szerint ez „egy olyan vezérlőmechanizmus, amely egy tárgy helyzetét, irányát és állapotát vezérlőmennyiségként veszi, és nyomon követi a célérték tetszőleges változásait”. Röviden, ez egy olyan vezérlőberendezés, amely automatikusan képes követni a fizikai mennyiségeket, például a célpozíciót.
A CNC szerszámgépeken a szervohajtás szerepe főként két aspektusban tükröződik: Először is, lehetővé teszi a koordinátatengelyek számára, hogy a numerikus vezérlőberendezés által megadott sebességgel működjenek; másodszor, lehetővé teszi a koordinátatengelyek numerikus vezérlőberendezés által megadott pozíció szerinti pozicionálását.
A szervohajtás vezérlőobjektumai általában a szerszámgép koordinátatengelyeinek elmozdulása és sebessége; a működtető egy szervomotor; a bemeneti parancsjelet vezérlő és erősítő részt gyakran szervoerősítőnek (más néven meghajtónak, erősítőnek, szervoegységnek stb.) nevezik, amely a szervohajtás magja.
A szervohajtás nemcsak a numerikus vezérlőberendezéssel együtt használható, hanem önállóan is, pozíció- (sebesség-) kísérőrendszerként. Ezért gyakran szervorendszernek is nevezik. A korai numerikus vezérlőrendszerekben a pozíciószabályozó rész általában a CNC-vel volt integrálva, és a szervohajtás csak a sebességszabályozást végezte. Ezért a szervohajtást gyakran sebességszabályozó egységnek nevezték.
PLC: A PC a Programmable Controller angol rövidítése. A személyi számítógépek növekvő népszerűségével a személyi számítógépekkel (más néven PC-kkel) való összetévesztés elkerülése érdekében a programozható vezérlőket ma már általában programozható logikai vezérlőknek (Programmalbe Logic Controller – PLC) vagy programozható gépvezérlőknek (Programmable Machine Controller – PMC) nevezik. Ezért a CNC szerszámgépeken a PC, a PLC és a PMC pontosan ugyanazt jelenti.
A PLC előnyei közé tartozik a gyors reagálás, a megbízható teljesítmény, a kényelmes használat, az egyszerű programozás és hibakeresés, valamint közvetlenül képes meghajtani bizonyos szerszámgépek elektromos berendezéseit. Ezért széles körben használják numerikus vezérlőberendezések segédvezérlő eszközeként. Jelenleg a legtöbb numerikus vezérlőrendszer belső PLC-vel rendelkezik a CNC szerszámgépek segédutasításainak feldolgozásához, ezáltal jelentősen leegyszerűsítve a szerszámgép segédvezérlő eszközét. Ezenkívül sok esetben speciális funkcionális modulokon, például a PLC tengelyvezérlő modulján és pozicionáló modulján keresztül a PLC közvetlenül is felhasználható pontpozíció-vezérlésre, lineáris vezérlésre és egyszerű kontúrvezérlésre, speciális CNC szerszámgépek vagy CNC gyártósorok kialakításához.
A CNC szerszámgépek összetétele és feldolgozási elve
A CNC szerszámgépek alapvető összetétele
A CNC szerszámgépek a legtipikusabb numerikus vezérlésű berendezések. A CNC szerszámgépek alapvető összetételének tisztázásához először elemezni kell a CNC szerszámgépek munkafolyamatát az alkatrészek megmunkálásához. A CNC szerszámgépeken az alkatrészek megmunkálásához a következő lépések valósíthatók meg:
A megmunkálandó alkatrészek rajzai és folyamattervei szerint, az előírt kódok és programformátumok segítségével írja be a szerszámok mozgáspályáját, a megmunkálási folyamatot, a folyamatparamétereket, a forgácsolási paramétereket stb. a numerikus vezérlőrendszer által felismerhető utasításformába, azaz írja meg a megmunkáló programot.
Írja be az írott feldolgozó programot a numerikus vezérlőeszközbe.
A numerikus vezérlőberendezés dekódolja és feldolgozza a bemeneti programot (kódot), és megfelelő vezérlőjeleket küld az egyes koordinátatengelyek szervohajtású eszközeinek és segédfunkció-vezérlő eszközeinek a szerszámgép egyes alkatrészeinek mozgásának vezérléséhez.
A mozgás során a numerikus vezérlőrendszernek bármikor érzékelnie kell a szerszámgép koordinátatengelyeinek helyzetét, az útkapcsolók állapotát stb., és össze kell hasonlítania azokat a program követelményeivel a következő művelet meghatározásához, amíg a minősített alkatrészek feldolgozása meg nem történik.
A kezelő bármikor megfigyelheti és ellenőrizheti a szerszámgép feldolgozási körülményeit és működési állapotát. Szükség esetén a szerszámgép műveleteinek és a feldolgozási programoknak a módosítására is szükség van a szerszámgép biztonságos és megbízható működésének biztosítása érdekében.
Látható, hogy egy CNC szerszámgép alapvető összetétele a következőket tartalmazza: bemeneti/kimeneti eszközök, numerikus vezérlőeszközök, szervohajtások és visszacsatoló eszközök, segédvezérlő eszközök és a szerszámgép teste.
A CNC szerszámgépek összetétele
A numerikus vezérlőrendszer a szerszámgép gazdaprocesszorának vezérlésére szolgál. Jelenleg a legtöbb numerikus vezérlőrendszer számítógépes numerikus vezérlést alkalmaz (pl. CNC). Az ábrán látható bemeneti/kimeneti eszköz, numerikus vezérlőeszköz, szervohajtás és visszacsatoló eszköz együttesen alkotja a szerszámgép numerikus vezérlőrendszerét, amelynek szerepét fentebb ismertettük. A következőkben röviden bemutatjuk a további komponenseket.
Mérési visszacsatoló eszköz: Ez egy zárt hurkú (félig zárt hurkú) CNC szerszámgép érzékelő összekötő eleme. Feladata a működtető (például a szerszámtartó) vagy a munkaasztal tényleges elmozdulásának sebességének és elmozdulásának érzékelése modern mérőelemek, például impulzusadók, rezolverek, indukciós szinkronizálók, rácsok, mágneses skálák és lézeres mérőműszerek segítségével, és ezek visszatáplálása a szervohajtású eszközre vagy a numerikus vezérlőeszközre, valamint a működtető betáplálási sebességének vagy mozgáshibájának kompenzálása a mozgásmechanizmus pontosságának javítása érdekében. Az érzékelő eszköz beépítési helye és az érzékelő jel visszacsatolásának helye a numerikus vezérlőrendszer felépítésétől függ. A szervo beépített impulzusadói, fordulatszámmérői és lineáris rácsai gyakran használt érzékelő komponensek.
Mivel a fejlett szervomotorok mind digitális szervohajtás-technológiát (digitális szervo) alkalmaznak, a szervohajtás és a numerikus vezérlőegység közötti kapcsolathoz általában buszt használnak; a legtöbb esetben a visszacsatolójel a szervohajtáshoz csatlakozik, és a buszon keresztül továbbítódik a numerikus vezérlőegységhez. Csak néhány esetben, vagy analóg szervohajtások (általában analóg szervo) használatakor kell a visszacsatoló eszközt közvetlenül a numerikus vezérlőegységhez csatlakoztatni.
Segédvezérlő mechanizmus és előtolás-átviteli mechanizmus: A numerikus vezérlőberendezés és a szerszámgép mechanikus és hidraulikus alkatrészei között helyezkedik el. Fő szerepe a numerikus vezérlőberendezés által kiadott orsósebesség, irány és indítási/leállítási utasítások fogadása; szerszámválasztási és -csere utasítások; hűtő- és kenőberendezések indítási/leállítási utasításai; segédutasításjelek, például a munkadarabok és szerszámgépalkatrészek lazítása és befogása, a munkaasztal indexelése, valamint a szerszámgép érzékelő kapcsolóinak állapotjelei. A szükséges összeállítás, logikai megítélés és teljesítményerősítés után a megfelelő működtetőket közvetlenül vezérlik, hogy a szerszámgép mechanikus alkatrészeit, hidraulikus és pneumatikus segédberendezéseit meghajtsák az utasításokban meghatározott műveletek végrehajtása érdekében. Általában PLC-ből és egy erősáramú vezérlő áramkörből áll. A PLC lehet integrált a CNC-vel (beépített PLC) vagy viszonylag független (külső PLC).
A szerszámgép teste, azaz a CNC szerszámgép mechanikai szerkezete, fő hajtásrendszerekből, előtoló hajtásrendszerekből, ágyakból, munkaasztalokból, segédmozgás-eszközökből, hidraulikus és pneumatikus rendszerekből, kenőrendszerekből, hűtőberendezésekből, forgácseltávolítókból, védőrendszerekből és egyéb alkatrészekből áll. A numerikus vezérlés követelményeinek való megfelelés és a szerszámgép teljesítményének teljes kihasználása érdekében azonban jelentős változásokon ment keresztül az általános elrendezés, a megjelenés, az átviteli rendszer felépítése, a szerszámrendszer és a működési teljesítmény tekintetében. A szerszámgép mechanikai alkatrészei közé tartozik az ágy, a doboz, az oszlop, a vezetősín, a munkaasztal, az orsó, az előtoló mechanizmus, a szerszámcsere mechanizmus stb.
A CNC megmunkálás alapelve
A hagyományos fémmegmunkáló gépeken az alkatrészek megmunkálásakor a kezelőnek folyamatosan változtatnia kell a paramétereket, például a szerszám mozgási pályáját és mozgási sebességét a rajz követelményeinek megfelelően, hogy a szerszám forgácsolást végezzen a munkadarabon, és végül minősített alkatrészeket dolgozzon fel.
A CNC szerszámgépek megmunkálása lényegében a „differenciál” elvet alkalmazza. Működési elve és folyamata röviden a következőképpen írható le:
A feldolgozóprogram által megkövetelt szerszámpálya szerint a numerikus vezérlőberendezés megkülönbözteti a szerszámgép megfelelő koordinátatengelyei mentén a minimális mozgásmennyiséggel (impulzusegyenértékkel) (△X, △Y az 1-2. ábrán) meghatározott pályagörbét, és kiszámítja az egyes koordinátatengelyek mozgatásához szükséges impulzusok számát.
A numerikus vezérlőberendezés „interpolációs” szoftverén vagy „interpolációs” kalkulátorán keresztül a szükséges pályát egy „minimális mozgási egység” szerinti ekvivalens vonallánccal illesztik, és megtalálják az elméleti pályához legközelebb eső illesztett vonalláncot.
Az illesztett vonallánc pályájának megfelelően a numerikus vezérlőegység folyamatosan előtolási impulzusokat oszt ki a megfelelő koordinátatengelyekhez, és szervohajtáson keresztül lehetővé teszi a szerszámgép koordinátatengelyeinek mozgását a kiosztott impulzusoknak megfelelően.
Látható, hogy: Először is, amennyiben a CNC szerszámgép minimális mozgásmennyisége (impulzusegyenértéke) elég kicsi, az alkalmazott illesztett vonallánc ekvivalens módon helyettesítheti az elméleti görbét. Másodszor, amennyiben a koordinátatengelyek impulzuselosztási módszerét megváltoztatjuk, az illesztett vonallánc alakja megváltoztatható, ezáltal elérve a feldolgozási pálya megváltoztatásának célját. Harmadszor, amennyiben a frekvencia…