Numerisk kontrollteknologi og CNC-maskinverktøy
Numerisk kontrollteknologi, forkortet NC (Numerical Control), er en metode for å kontrollere mekaniske bevegelser og prosessprosedyrer ved hjelp av digital informasjon. Siden moderne numerisk kontroll ofte bruker datastyring, er den også kjent som datastyrt numerisk kontroll (Computerized Numerical Control – CNC).
For å oppnå digital informasjonskontroll av mekaniske bevegelser og prosesseringsprosesser, må tilsvarende maskinvare og programvare være utstyrt. Summen av maskinvaren og programvaren som brukes til å implementere digital informasjonskontroll kalles det numeriske kontrollsystemet (Numerisk Kontrollsystem), og kjernen i det numeriske kontrollsystemet er den numeriske kontrollenheten (Numerisk Kontroller).
Maskiner styrt av numerisk kontrollteknologi kalles CNC-maskinverktøy (NC-maskinverktøy). Dette er et typisk mekatronisk produkt som integrerer avanserte teknologier som datateknologi, automatisk kontrollteknologi, presisjonsmåleteknologi og maskinverktøydesign på en omfattende måte. Det er hjørnesteinen i moderne produksjonsteknologi. Kontroll av maskinverktøy er det tidligste og mest anvendte feltet innen numerisk kontrollteknologi. Derfor representerer nivået på CNC-maskinverktøy i stor grad ytelsen, nivået og utviklingstrenden til dagens numeriske kontrollteknologi.
Det finnes ulike typer CNC-maskinverktøy, inkludert bore-, frese- og boremaskiner, dreiemaskiner, slipemaskiner, elektriske utladningsmaskiner, smiemaskiner, laserbearbeidingsmaskiner og andre spesial-CNC-maskinverktøy med spesifikke bruksområder. Alle maskinverktøy som styres av numerisk kontrollteknologi klassifiseres som NC-maskinverktøy.
CNC-maskinverktøy utstyrt med automatisk verktøyveksler ATC (Automatic Tool Changer – ATC), med unntak av CNC-dreiebenker med roterende verktøyholdere, defineres som maskineringssentre (Machine Center – MC). Gjennom automatisk verktøybytte kan arbeidsstykker fullføre flere prosesseringsprosedyrer i én oppspenning, noe som oppnår konsentrering av prosesser og kombinasjon av prosesser. Dette forkorter effektivt tilleggsbehandlingstiden og forbedrer maskinverktøyets arbeidseffektivitet. Samtidig reduseres antallet arbeidsstykkeinstallasjoner og posisjonering, noe som forbedrer prosesseringsnøyaktigheten. Maskineringssentre er for tiden den typen CNC-maskinverktøy med størst ytelse og bredest mulig bruksområde.
Basert på CNC-maskinverktøy, ved å legge til automatiske utvekslingsenheter for flere arbeidsbord (paller) (Auto Pallet Changer – APC) og andre relaterte enheter, kalles den resulterende prosesseringsenheten en fleksibel produksjonscelle (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC realiserer ikke bare konsentrasjonen av prosesser og kombinasjonen av prosesser, men kan også, med automatisk utveksling av arbeidsbord (paller) og relativt komplette automatiske overvåkings- og kontrollfunksjoner, utføre ubemannet prosessering i en viss periode, og dermed forbedre utstyrets prosesseringseffektivitet ytterligere. FMC er ikke bare grunnlaget for det fleksible produksjonssystemet FMS (Flexible Manufacturing System), men kan også brukes som et uavhengig automatisert prosesseringsutstyr. Derfor er utviklingshastigheten ganske rask.
Basert på FMC og maskineringssentre, ved å legge til logistikksystemer, industriroboter og relatert utstyr, og kontrollere og administrere av et sentralisert kontrollsystem på en sentralisert og enhetlig måte, kalles et slikt produksjonssystem et fleksibelt produksjonssystem FMS (Flexible Manufacturing System). FMS kan ikke bare utføre ubemannet prosessering over lange perioder, men også oppnå fullstendig prosessering av ulike typer deler og komponentmontering, og dermed automatisere produksjonsprosessen i verkstedet. Det er et svært automatisert avansert produksjonssystem.
Med den kontinuerlige utviklingen innen vitenskap og teknologi, for å tilpasse seg den endrede markedsetterspørselen, er det for moderne produksjon ikke bare nødvendig å fremme automatisering av verkstedproduksjonsprosessen, men også å oppnå omfattende automatisering fra markedsprognoser, produksjonsbeslutninger, produktdesign, produktproduksjon til produktsalg. Det komplette produksjons- og produksjonssystemet som dannes ved å integrere disse kravene kalles et dataintegrert produksjonssystem (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS integrerer organisk en lengre produksjons- og forretningsaktivitet, og oppnår mer effektiv og mer fleksibel intelligent produksjon, som representerer det høyeste stadiet i utviklingen av dagens automatiserte produksjonsteknologi. I CIMS er ikke bare integreringen av produksjonsutstyr, men enda viktigere, teknologiintegrasjonen og funksjonsintegrasjonen preget av informasjon. Datamaskinen er integrasjonsverktøyet, den datastøttede automatiserte enhetsteknologien er grunnlaget for integrasjonen, og utveksling og deling av informasjon og data er broen til integrasjon. Sluttproduktet kan betraktes som den materielle manifestasjonen av informasjon og data.
Det numeriske kontrollsystemet og dets komponenter
De grunnleggende komponentene i det numeriske kontrollsystemet
Det numeriske kontrollsystemet til en CNC-maskinverktøy er kjernen i alt numerisk kontrollutstyr. Hovedkontrollobjektet til det numeriske kontrollsystemet er forskyvningen av koordinataksene (inkludert bevegelseshastighet, retning, posisjon osv.), og kontrollinformasjonen kommer hovedsakelig fra numeriske kontrollprosesser eller bevegelseskontrollprogrammer. Derfor bør de mest grunnleggende komponentene i det numeriske kontrollsystemet inkludere: programinndata-/utdataenheten, den numeriske kontrollenheten og servodriveren.
Rollen til inn-/utgangsenheten er å legge inn og sende ut data som numeriske kontrollbehandlings- eller bevegelseskontrollprogrammer, behandlings- og kontrolldata, maskinverktøyparametere, koordinatakseposisjoner og status for deteksjonsbrytere. Tastatur og skjerm er de mest grunnleggende inn-/utgangsenhetene som er nødvendige for alt numerisk kontrollutstyr. I tillegg, avhengig av det numeriske kontrollsystemet, kan enheter som fotoelektriske lesere, båndstasjoner eller diskettstasjoner også utstyres. Som en periferienhet er datamaskinen for tiden en av de vanligste inn-/utgangsenhetene.
Den numeriske kontrollenheten er kjernekomponenten i det numeriske kontrollsystemet. Den består av inngangs-/utgangsgrensesnittkretser, kontrollere, aritmetiske enheter og minne. Den numeriske kontrollenhetens rolle er å kompilere, beregne og behandle dataene som legges inn av inngangsenheten via den interne logikkkretsen eller kontrollprogramvaren, og sende ut ulike typer informasjon og instruksjoner for å styre de ulike delene av maskinverktøyet til å utføre spesifiserte handlinger.
Blant denne kontrollinformasjonen og instruksjonene er de mest grunnleggende instruksjonene for matehastighet, materetning og mateforskyvning for koordinataksene. De genereres etter interpolasjonsberegninger, leveres til servodriveren, forsterkes av driveren, og styrer til slutt forskyvningen av koordinataksene. Dette bestemmer direkte bevegelsesbanen til verktøyet eller koordinataksene.
I tillegg, avhengig av system og utstyr, for eksempel på en CNC-maskinverktøy, kan det også være instruksjoner som rotasjonshastighet, retning, start/stopp av spindelen; instruksjoner for verktøyvalg og -utveksling; start/stopp-instruksjoner for kjøle- og smøreenheter; instruksjoner for løsning og fastspenning av arbeidsstykket; indeksering av arbeidsbordet og andre hjelpeinstruksjoner. I det numeriske kontrollsystemet gis disse til den eksterne hjelpekontrollenheten i form av signaler gjennom grensesnittet. Hjelpekontrollenheten utfører den nødvendige kompileringen og logiske operasjonene på signalene ovenfor, forsterker dem og driver de tilsvarende aktuatorene for å drive de mekaniske komponentene, hydrauliske og pneumatiske hjelpeenhetene til maskinverktøyet for å fullføre handlingene spesifisert i instruksjonene.
Servodriveren består vanligvis av servoforsterkere (også kjent som drivere, servoenheter) og aktuatorer. På CNC-maskiner brukes vanligvis AC-servomotorer som aktuatorer for tiden; på avanserte høyhastighetsbearbeidingsmaskiner har lineære motorer begynt å bli brukt. I tillegg har det vært tilfeller av bruk av DC-servomotorer på CNC-maskiner produsert før 1980-tallet; for enkle CNC-maskiner ble også steppermotorer brukt som aktuatorer. Formen på servoforsterkeren avhenger av aktuatoren og må brukes sammen med drivmotoren.
Ovennevnte er de mest grunnleggende komponentene i det numeriske kontrollsystemet. Med den kontinuerlige utviklingen av numerisk kontrollteknologi og forbedringen av maskinverktøyets ytelsesnivåer, øker også de funksjonelle kravene til systemet. For å møte kontrollkravene til forskjellige maskinverktøy, sikre integriteten og ensartetheten til det numeriske kontrollsystemet, og forenkle brukerbruken, har vanlige avanserte numeriske kontrollsystemer vanligvis en intern programmerbar kontroller som hjelpekontrollenhet for maskinverktøyet. I tillegg kan spindeldrivenheten på metallskjæremaskiner også bli en komponent i det numeriske kontrollsystemet; på lukkede CNC-maskinverktøy er måle- og deteksjonsenheter også uunnværlige for det numeriske kontrollsystemet. For avanserte numeriske kontrollsystemer brukes noen ganger til og med en datamaskin som menneske-maskin-grensesnitt for systemet og for datahåndtering og input/output-enheter, noe som gjør funksjonene til det numeriske kontrollsystemet kraftigere og ytelsen mer perfekt.
Avslutningsvis avhenger sammensetningen av det numeriske kontrollsystemet av kontrollsystemets ytelse og de spesifikke kontrollkravene til utstyret. Det er betydelige forskjeller i konfigurasjonen og sammensetningen. I tillegg til de tre mest grunnleggende komponentene i prosesseringsprogrammets inngangs-/utgangsenhet, den numeriske kontrollenheten og servodriveren, kan det være flere kontrollenheter. Den stiplede boksdelen i figur 1-1 representerer det numeriske datamaskinkontrollsystemet.
Konseptene NC, CNC, SV og PLS
NC (CNC), SV og PLC (PC, PMC) er svært vanlige engelske forkortelser i numerisk kontrollutstyr og har ulik betydning i ulike tilfeller i praktiske anvendelser.
NC (CNC): NC og CNC er de vanlige engelske forkortelsene for henholdsvis Numerical Control og Computerized Numerical Control. Gitt at moderne numerisk styring all bruker datastyring, kan det anses at betydningen av NC og CNC er helt den samme. I ingeniørapplikasjoner, avhengig av bruksanvisningen, har NC (CNC) vanligvis tre forskjellige betydninger: I bred forstand representerer det en kontrollteknologi – numerisk kontrollteknologi; i snever forstand representerer det en enhet i et kontrollsystem – det numeriske kontrollsystemet; i tillegg kan det også representere en spesifikk kontrollenhet – den numeriske kontrollenheten.
SV: SV er den vanlige engelske forkortelsen for servodrift (Servo Drive, forkortet som servo). I henhold til de foreskrevne begrepene i den japanske JIS-standarden er det «en kontrollmekanisme som tar posisjonen, retningen og tilstanden til et objekt som kontrollmengder og sporer vilkårlige endringer i målverdien.» Kort sagt er det en kontrollenhet som automatisk kan følge fysiske mengder som målposisjonen.
På CNC-maskiner gjenspeiles servodriftens rolle hovedsakelig i to aspekter: For det første gjør det det mulig for koordinataksene å operere med hastigheten gitt av den numeriske styringsenheten; for det andre gjør det det mulig for koordinataksene å bli plassert i henhold til posisjonen gitt av den numeriske styringsenheten.
Kontrollobjektene til servodriften er vanligvis forskyvningen og hastigheten til koordinataksene til maskinverktøyet; aktuatoren er en servomotor; delen som styrer og forsterker inngangssignalet kalles ofte en servoforsterker (også kjent som en driver, forsterker, servoenhet, etc.), som er kjernen i servodriften.
Servodriveren kan ikke bare brukes sammen med den numeriske styringsenheten, men kan også brukes alene som et posisjons- (hastighets-) ledsagende system. Derfor kalles den også ofte et servosystem. I tidlige numeriske styringssystemer var posisjonskontrolldelen vanligvis integrert med CNC, og servodriveren utførte bare hastighetskontroll. Derfor ble servodriveren ofte kalt en hastighetskontrollenhet.
PLC: PC er den engelske forkortelsen for Programmable Controller. Med den økende populariteten til personlige datamaskiner, for å unngå forveksling med personlige datamaskiner (også kalt PC-er), kalles programmerbare kontrollere nå generelt programmerbare logiske kontrollere (Programmable Logic Controller – PLC) eller programmerbare maskinkontrollere (Programmable Machine Controller – PMC). Derfor har PC, PLC og PMC nøyaktig samme betydning på CNC-maskiner.
PLS-en har fordelene med rask respons, pålitelig ytelse, praktisk bruk, enkel programmering og feilsøking, og kan direkte styre noen elektriske apparater i maskinverktøy. Derfor er den mye brukt som en hjelpekontrollenhet for numerisk kontrollutstyr. For tiden har de fleste numeriske kontrollsystemer en intern PLS for å behandle hjelpeinstruksjonene til CNC-maskinverktøy, og dermed forenkle hjelpekontrollenheten til maskinverktøyet betraktelig. I tillegg kan PLS-en i mange tilfeller, gjennom spesielle funksjonsmoduler som aksekontrollmodulen og posisjoneringsmodulen til PLS-en, også brukes direkte til å oppnå punktposisjonskontroll, lineær kontroll og enkel konturkontroll, og danne spesielle CNC-maskinverktøy eller CNC-produksjonslinjer.
Sammensetnings- og prosesseringsprinsippet til CNC-maskinverktøy
Den grunnleggende sammensetningen av CNC-maskinverktøy
CNC-maskiner er det vanligste numeriske kontrollutstyret. For å avklare den grunnleggende sammensetningen av CNC-maskiner, er det først nødvendig å analysere arbeidsprosessen til CNC-maskiner for bearbeiding av deler. På CNC-maskiner, for å bearbeide deler, kan følgende trinn implementeres:
I henhold til tegningene og prosessplanene for delene som skal bearbeides, bruk de foreskrevne kodene og programformatene til å skrive verktøyenes bevegelsesbane, bearbeidingsprosessen, prosessparametere, skjæreparametere osv. inn i instruksjonsformen som er gjenkjennelig av det numeriske kontrollsystemet, det vil si å skrive bearbeidingsprogrammet.
Skriv inn det skrevne behandlingsprogrammet i den numeriske kontrollenheten.
Den numeriske kontrollenheten dekoder og behandler inngangsprogrammet (koden) og sender tilsvarende kontrollsignaler til servodrivenhetene og hjelpefunksjonskontrollenhetene for hver koordinatakse for å kontrollere bevegelsen til hver komponent i maskinverktøyet.
Under bevegelsen må det numeriske kontrollsystemet når som helst registrere posisjonen til maskinverktøyets koordinatakser, statusen til kjørebryterne osv., og sammenligne dem med programmets krav for å bestemme neste handling inntil kvalifiserte deler er behandlet.
Operatøren kan observere og inspisere maskinverktøyets prosesseringsforhold og arbeidsstatus når som helst. Om nødvendig er det også nødvendig med justeringer av maskinverktøyets handlinger og prosesseringsprogrammer for å sikre sikker og pålitelig drift av maskinverktøyet.
Det kan sees at den grunnleggende sammensetningen av et CNC-maskinverktøy bør omfatte: inngangs-/utgangsenheter, numeriske kontrollenheter, servostasjoner og tilbakemeldingsenheter, hjelpekontrollenheter og maskinverktøyhuset.
Sammensetningen av CNC-maskinverktøy
Det numeriske kontrollsystemet brukes til å oppnå prosesskontroll av maskinverktøyverten. For tiden bruker de fleste numeriske kontrollsystemer datamaskinbasert numerisk kontroll (f.eks. CNC). Inndata-/utdataenheten, den numeriske kontrollenheten, servodriveren og tilbakemeldingsenheten i figuren utgjør sammen maskinverktøyets numeriske kontrollsystem, og dets rolle er beskrevet ovenfor. Følgende introduserer kort andre komponenter.
Måletilbakemeldingsenhet: Det er deteksjonslenken til et lukket (semi-lukket) CNC-maskinverktøy. Dens rolle er å detektere hastigheten og forskyvningen av den faktiske forskyvningen til aktuatoren (som verktøyholderen) eller arbeidsbordet gjennom moderne måleelementer som pulskodere, resolvere, induksjonssynkronisatorer, gitter, magnetiske vekter og lasermåleinstrumenter, og mate dem tilbake til servodrivenheten eller den numeriske kontrollenheten, og kompensere for matehastigheten eller bevegelsesfeilen til aktuatoren for å oppnå formålet med å forbedre nøyaktigheten til bevegelsesmekanismen. Installasjonsposisjonen til deteksjonsenheten og posisjonen der deteksjonssignalet mates tilbake avhenger av strukturen til det numeriske kontrollsystemet. Innebygde servopulskodere, turtellere og lineære gitter er vanlige deteksjonskomponenter.
Fordi avanserte servoer alle bruker digital servoteknologi (referert til som digital servo), brukes vanligvis en buss for tilkobling mellom servodriveren og den numeriske kontrollenheten. I de fleste tilfeller kobles tilbakemeldingssignalet til servodriveren og overføres til den numeriske kontrollenheten via bussen. Bare i noen få tilfeller, eller når man bruker analoge servodrivere (vanligvis kjent som analog servo), må tilbakemeldingsenheten kobles direkte til den numeriske kontrollenheten.
Hjelpekontrollmekanisme og mateoverføringsmekanisme: Den er plassert mellom den numeriske kontrollenheten og de mekaniske og hydrauliske komponentene i maskinverktøyet. Hovedrollen er å motta spindelhastighet, retning og start/stopp-instruksjoner som sendes ut av den numeriske kontrollenheten; instruksjoner for verktøyvalg og -utveksling; start/stopp-instruksjoner for kjøle- og smøreenheter; hjelpeinstruksjonssignaler som løsning og fastklemming av arbeidsstykker og maskinverktøykomponenter, indeksering av arbeidsbordet og statussignaler fra deteksjonsbrytere på maskinverktøyet. Etter nødvendig kompilering, logisk vurdering og effektforsterkning, drives de tilsvarende aktuatorene direkte for å drive de mekaniske komponentene, hydrauliske og pneumatiske hjelpeenhetene i maskinverktøyet for å fullføre handlingene spesifisert i instruksjonene. Den består vanligvis av PLS og en sterkstrømskontrollkrets. PLS-en kan integreres med CNC-en i struktur (innebygd PLS) eller være relativt uavhengig (ekstern PLS).
Maskinverktøyhuset, det vil si den mekaniske strukturen til CNC-maskinverktøyet, består også av hoveddrivsystemer, matesystemer, benker, arbeidsbord, hjelpebevegelsesenheter, hydrauliske og pneumatiske systemer, smøresystemer, kjøleenheter, sponfjerning, beskyttelsessystemer og andre deler. For å oppfylle kravene til numerisk styring og gi full spille til maskinverktøyets ytelse, har den imidlertid gjennomgått betydelige endringer når det gjelder generell layout, utseende og design, transmisjonssystemstruktur, verktøysystem og driftsytelse. De mekaniske komponentene i maskinverktøyet inkluderer benk, kasse, søyle, føringsskinne, arbeidsbord, spindel, matemekanisme, verktøyutvekslingsmekanisme, etc.
Prinsippet for CNC-maskinering
På tradisjonelle metallskjæremaskiner må operatøren kontinuerlig endre parametere som bevegelsesbanen og bevegelseshastigheten til verktøyet i henhold til tegningens krav når han bearbeider deler, slik at verktøyet utfører skjærebehandling på arbeidsstykket og til slutt bearbeider kvalifiserte deler.
Bearbeidingen av CNC-maskinverktøy bruker i hovedsak «differensialprinsippet». Arbeidsprinsippet og prosessen kan kort beskrives som følger:
I henhold til verktøybanen som kreves av behandlingsprogrammet, differensierer den numeriske kontrollenheten banen langs de tilsvarende koordinataksene til maskinverktøyet med minimum bevegelsesmengde (pulsekvivalent) (△X, △Y i figur 1-2) og beregner antall pulser som hver koordinatakse trenger for å bevege seg.
Gjennom «interpolasjonsprogramvaren» eller «interpolasjonskalkulatoren» til den numeriske kontrollenheten tilpasses den nødvendige banen med en ekvivalent polylinje i enheter av «minimum bevegelsesenhet», og den tilpassede polylinjen som er nærmest den teoretiske banen finnes.
I henhold til banen til den monterte polylinjen, tildeler den numeriske kontrollenheten kontinuerlig matepulser til de tilsvarende koordinataksene og gjør det mulig for maskinverktøyets koordinatakser å bevege seg i henhold til de tildelte pulsene gjennom servodrift.
Det kan sees at: For det første, så lenge den minimale bevegelsesmengden (pulsekvivalent) til CNC-maskinverktøyet er liten nok, kan den tilpassede polylinjen som brukes, erstatte den teoretiske kurven på en ekvivalent måte. For det andre, så lenge pulsallokeringsmetoden for koordinataksene endres, kan formen på den tilpassede polylinjen endres, og dermed oppnå formålet med å endre behandlingsbanen. For det tredje, så lenge frekvensen av…