Technologie numerického řízení a CNC obráběcí stroje
Technologie číslicového řízení, zkráceně NC (Numerical Control), je způsob řízení mechanických pohybů a procesů zpracování pomocí digitálních informací. V současné době, kdy moderní číslicové řízení běžně využívá počítačové řízení, je také známé jako počítačové číslicové řízení (Computerized Numerical Control – CNC).
Pro dosažení digitálního informačního řízení mechanických pohybů a procesů zpracování musí být vybaven odpovídajícím hardwarem a softwarem. Souhrn hardwaru a softwaru používaného k implementaci digitálního informačního řízení se nazývá numerický řídicí systém (Numerický řídicí systém) a jádrem numerického řídicího systému je numerické řídicí zařízení (Numerický kontrolér).
Stroje řízené technologií numerického řízení se nazývají CNC obráběcí stroje (NC obráběcí stroje). Jedná se o typický mechatronický produkt, který komplexně integruje pokročilé technologie, jako je počítačová technologie, technologie automatického řízení, technologie přesného měření a konstrukce obráběcích strojů. Je to základní kámen moderní výrobní technologie. Řízení obráběcích strojů je nejstarší a nejrozšířenější oblastí technologie numerického řízení. Úroveň CNC obráběcích strojů proto do značné míry odráží výkon, úroveň a trend vývoje současné technologie numerického řízení.
Existují různé typy CNC obráběcích strojů, včetně vrtacích, frézovacích a vyvrtávacích strojů, soustružnických obráběcích strojů, brusek, elektroerozivních obráběcích strojů, kovacích obráběcích strojů, laserových obráběcích strojů a dalších speciálních CNC obráběcích strojů se specifickým použitím. Jakýkoli obráběcí stroj řízený technologií numerického řízení je klasifikován jako NC obráběcí stroj.
CNC obráběcí stroje vybavené automatickým měničem nástrojů ATC (Automatic Tool Changer – ATC), s výjimkou CNC soustruhů s rotačními držáky nástrojů, jsou definovány jako obráběcí centra (Machine Center – MC). Díky automatické výměně nástrojů mohou obrobky v jednom upnutí provádět více obráběcích operací, čímž se dosahuje koncentrace procesů a jejich kombinace. To efektivně zkracuje dobu pomocného zpracování a zlepšuje pracovní efektivitu obráběcího stroje. Současně se snižuje počet instalací a polohování obrobků, čímž se zvyšuje přesnost obrábění. Obráběcí centra jsou v současnosti typem CNC obráběcích strojů s největším výkonem a nejširším použitím.
Na základě CNC obráběcích strojů se přidáním zařízení pro automatickou výměnu více pracovních stolů (palet) (Auto Pallet Changer – APC) a dalších souvisejících zařízení výsledná procesní jednotka nazývá flexibilní výrobní buňka (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC nejenže realizuje koncentraci procesů a jejich kombinaci, ale také díky automatické výměně pracovních stolů (palet) a relativně úplným funkcím automatického monitorování a řízení může po určitou dobu provádět bezobslužné zpracování, čímž se dále zlepšuje efektivita zpracování zařízení. FMC není jen základem flexibilního výrobního systému FMS (Flexible Manufacturing System), ale lze jej také použít jako nezávislé automatizované procesní zařízení. Proto je jeho vývoj poměrně rychlý.
Takový výrobní systém, založený na FMC a obráběcích centrech, přidáním logistických systémů, průmyslových robotů a souvisejícího zařízení a řízený a spravovaný centrálním řídicím systémem centralizovaným a jednotným způsobem, se nazývá flexibilní výrobní systém FMS (Flexible Manufacturing System). FMS dokáže nejen provádět bezobslužné zpracování po dlouhou dobu, ale také dosáhnout kompletního zpracování různých typů dílů a montáže komponentů, čímž se automatizuje výrobní proces v dílně. Jedná se o vysoce automatizovaný pokročilý výrobní systém.
S neustálým pokrokem vědy a techniky, aby se moderní výroba přizpůsobila měnící se situaci na trhu, je pro její přizpůsobení se měnící se poptávce nezbytné nejen podporovat automatizaci výrobního procesu v dílně, ale také dosáhnout komplexní automatizace od předpovídání trhu, rozhodování o výrobě, návrhu produktů, výroby produktů až po jejich prodej. Kompletní výrobní systém, který vzniká integrací těchto požadavků, se nazývá počítačem integrovaný výrobní systém (počítačem integrovaný výrobní systém – CIMS). CIMS organicky integruje delší výrobní a obchodní činnost, dosahuje efektivnější a flexibilnější inteligentní výroby a představuje nejvyšší stupeň vývoje dnešní automatizované výrobní technologie. V CIMS se nejedná pouze o integraci výrobního zařízení, ale především o integraci technologií a funkcí charakterizovanou informacemi. Počítač je integračním nástrojem, počítačem podporovaná technologie automatizovaných jednotek je základem integrace a výměna a sdílení informací a dat je mostem integrace. Konečný produkt lze považovat za materiální projev informací a dat.
Systém numerického řízení a jeho komponenty
Základní komponenty numerického řídicího systému
Systém numerického řízení CNC obráběcího stroje je jádrem veškerého zařízení numerického řízení. Hlavním řídicím objektem systému numerického řízení je posun souřadnicových os (včetně rychlosti pohybu, směru, polohy atd.) a jeho řídicí informace pocházejí převážně z programů numerického řízení nebo programů pro řízení pohybu. Proto by nejzákladnější komponenty systému numerického řízení měly zahrnovat: vstupně/výstupní zařízení programu, zařízení numerického řízení a servopohon.
Úlohou vstupně/výstupního zařízení je vstup a výstup dat, jako jsou programy pro numerické řízení nebo řízení pohybu, data pro zpracování a řízení, parametry obráběcího stroje, polohy souřadnicových os a stav detekčních spínačů. Klávesnice a displej jsou nejzákladnější vstupně/výstupní zařízení nezbytná pro jakékoli numerické řídicí zařízení. Kromě toho mohou být v závislosti na systému numerického řízení vybaveny také zařízeními, jako jsou fotoelektrické čtečky, páskové jednotky nebo disketové jednotky. Jako periferní zařízení je počítač v současnosti jedním z běžně používaných vstupně/výstupních zařízení.
Číslicové řídicí zařízení je základní součástí systému numerického řízení. Skládá se z obvodů vstupního/výstupního rozhraní, řídicích jednotek, aritmetických jednotek a paměti. Úlohou číslicového řídicího zařízení je sestavovat, vypočítávat a zpracovávat data vstupující ze vstupního zařízení prostřednictvím interního logického obvodu nebo řídicího softwaru a vydávat různé typy informací a instrukcí pro řízení různých částí obráběcího stroje k provádění specifikovaných akcí.
Mezi těmito řídicími informacemi a instrukcemi jsou nejzákladnější instrukce pro rychlost posuvu, směr posuvu a posuv souřadnicových os. Jsou generovány po interpolačních výpočtech, poskytovány servopohonu, zesilovány ovladačem a v konečném důsledku řídí posuv souřadnicových os. To přímo určuje trajektorii pohybu nástroje nebo souřadnicových os.
Kromě toho, v závislosti na systému a vybavení, například na CNC obráběcím stroji, mohou být k dispozici také instrukce, jako je rychlost otáčení, směr, spuštění/zastavení vřetena; instrukce pro výběr a výměnu nástroje; instrukce pro spuštění/zastavení chladicích a mazacích zařízení; instrukce pro uvolnění a upínání obrobku; indexování pracovního stolu a další pomocné instrukce. V systému numerického řízení jsou tyto instrukce poskytovány externímu pomocnému řídicímu zařízení ve formě signálů přes rozhraní. Pomocné řídicí zařízení provádí nezbytné kompilační a logické operace s výše uvedenými signály, zesiluje je a ovládá odpovídající akční členy pro řízení mechanických součástí, hydraulických a pneumatických pomocných zařízení obráběcího stroje a pro dokončení akcí specifikovaných instrukcemi.
Servopohon se obvykle skládá ze servozesilovačů (také známých jako budiče, servojednotky) a aktuátorů. Na CNC obráběcích strojích se v současnosti jako aktuátory obecně používají střídavé servomotory; na pokročilých vysokorychlostních obráběcích strojích se začaly používat lineární motory. Kromě toho se na CNC obráběcích strojích vyrobených před 80. léty 20. století vyskytly případy použití stejnosměrných servomotorů; u jednoduchých CNC obráběcích strojů se jako aktuátory používaly také krokové motory. Typ servozesilovače závisí na aktuátoru a musí být použit ve spojení s hnacím motorem.
Výše uvedené jsou nejzákladnější komponenty numerického řídicího systému. S neustálým rozvojem technologie numerického řízení a zlepšováním úrovně výkonu obráběcích strojů se zvyšují i funkční požadavky na systém. Pro splnění požadavků na řízení různých obráběcích strojů, zajištění integrity a jednotnosti numerického řídicího systému a usnadnění používání uživatelem mají běžně používané pokročilé numerické řídicí systémy obvykle interní programovatelný regulátor jako pomocné řídicí zařízení obráběcího stroje. Kromě toho se u obráběcích strojů na kov může součástí numerického řídicího systému stát i pohon vřetena; u CNC obráběcích strojů s uzavřenou smyčkou jsou pro numerický řídicí systém nezbytná také měřicí a detekční zařízení. U pokročilých numerických řídicích systémů se někdy jako rozhraní člověk-stroj systému a pro správu dat a vstupně/výstupní zařízení používá i počítač, čímž se funkce numerického řídicího systému zesilují a výkon se zdokonaluje.
Závěrem lze říci, že složení numerického řídicího systému závisí na výkonu řídicího systému a specifických požadavcích na řízení zařízení. V jeho konfiguraci a složení existují značné rozdíly. Kromě tří nejzákladnějších komponent, vstupně/výstupního zařízení zpracovatelského programu, numerického řídicího zařízení a servopohonu, může existovat i další řídicí zařízení. Čárkovaná část na obrázku 1-1 představuje počítačový numerický řídicí systém.
Koncepty NC, CNC, SV a PLC
NC (CNC), SV a PLC (PC, PMC) jsou velmi běžně používané anglické zkratky v numerickém řídicím systému a v různých praktických aplikacích mají různé významy.
NC (CNC): NC a CNC jsou běžné anglické zkratky pro Numerical Control (Numerické řízení) a Computerized Numerical Control (Počítačové numerické řízení). Vzhledem k tomu, že moderní numerické řízení využívá počítačové řízení, lze mít za to, že významy NC a CNC jsou zcela stejné. V inženýrských aplikacích má NC (CNC) v závislosti na použití obvykle tři různé významy: V širším smyslu představuje řídicí technologii – technologii numerického řízení; v užším smyslu představuje entitu řídicího systému – systém numerického řízení; a navíc může také představovat specifické řídicí zařízení – zařízení numerického řízení.
SV: SV je běžná anglická zkratka pro servopohon (Servo Drive, zkráceně servo). Podle předepsaných termínů japonské normy JIS se jedná o „řídicí mechanismus, který bere polohu, směr a stav objektu jako řídicí veličiny a sleduje libovolné změny cílové hodnoty.“ Stručně řečeno, jedná se o řídicí zařízení, které dokáže automaticky sledovat fyzikální veličiny, jako je cílová poloha.
U CNC obráběcích strojů se role servopohonu odráží hlavně ve dvou aspektech: Za prvé, umožňuje souřadnicovým osám pracovat rychlostí danou numerickým řízením; za druhé, umožňuje polohování souřadnicových os podle polohy dané numerickým řízením.
Řídicími objekty servopohonu jsou obvykle posun a rychlost souřadnicových os obráběcího stroje; aktuátorem je servomotor; část, která řídí a zesiluje vstupní signál povelu, se často nazývá servozesilovač (také známý jako budič, zesilovač, servojednotka atd.), což je jádro servopohonu.
Servopohon lze použít nejen ve spojení s numerickým řízením, ale také samostatně jako systém doprovázející polohu (rychlost). Proto se mu také často říká servosystém. U raných numerických řídicích systémů byla část pro řízení polohy obvykle integrována s CNC a servopohon prováděl pouze řízení rychlosti. Proto se servopohon často nazýval jednotkou pro řízení rychlosti.
PLC: PC je anglická zkratka pro Programmable Controller (Programmable Controller). S rostoucí popularitou osobních počítačů se programovatelné řídicí jednotky obecně nazývají programovatelné logické řídicí jednotky (Programmalbe Logic Controller – PLC) nebo programovatelné řídicí jednotky strojů (Programmable Machine Controller – PMC) a proto mají na CNC obráběcích strojích PC, PLC a PMC přesně stejný význam.
PLC má výhody rychlé odezvy, spolehlivého výkonu, pohodlného používání, snadného programování a ladění a může přímo řídit některé elektrické spotřebiče obráběcích strojů. Proto se široce používá jako pomocné řídicí zařízení pro numerické řídicí systémy. V současné době má většina numerických řídicích systémů interní PLC pro zpracování pomocných instrukcí CNC obráběcích strojů, čímž se výrazně zjednodušuje pomocné řídicí zařízení obráběcího stroje. Kromě toho lze v mnoha případech prostřednictvím speciálních funkčních modulů, jako je modul řízení os a polohovací modul PLC, PLC přímo využít k dosažení bodového polohování, lineárního řízení a jednoduchého řízení kontur, a to pro speciální CNC obráběcí stroje nebo CNC výrobní linky.
Složení a princip zpracování CNC obráběcích strojů
Základní složení CNC obráběcích strojů
CNC obráběcí stroje jsou nejtypičtějším zařízením pro numerické řízení. Pro objasnění základního složení CNC obráběcích strojů je nejprve nutné analyzovat pracovní proces CNC obráběcích strojů pro obrábění dílů. Na CNC obráběcích strojích lze pro obrábění dílů provést následující kroky:
Podle výkresů a procesních plánů zpracovávaných dílů zapište pomocí předepsaných kódů a programových formátů trajektorii pohybu nástrojů, proces zpracování, procesní parametry, řezné parametry atd. do instrukčního formuláře rozpoznatelného numerickým řídicím systémem, tj. napište procesní program.
Vložte písemný program do numerického řídicího zařízení.
Číslicové řídicí zařízení dekóduje a zpracovává vstupní program (kód) a odesílá odpovídající řídicí signály do servopohonů a pomocných řídicích zařízení každé souřadnicové osy pro řízení pohybu každé součásti obráběcího stroje.
Během pohybu musí numerický řídicí systém kdykoli detekovat polohu souřadnicových os obráběcího stroje, stav spínačů pojezdu atd. a porovnat je s požadavky programu, aby určil další akci, dokud nebudou zpracovány kvalifikované díly.
Obsluha může kdykoli sledovat a kontrolovat podmínky obrábění a provozní stav obráběcího stroje. V případě potřeby je také nutné upravit činnosti obráběcího stroje a programy obrábění, aby byl zajištěn bezpečný a spolehlivý provoz obráběcího stroje.
Je zřejmé, že základní složení CNC obráběcího stroje by mělo zahrnovat: vstupně/výstupní zařízení, numerická řídicí zařízení, servopohony a zpětnovazební zařízení, pomocná řídicí zařízení a tělo obráběcího stroje.
Složení CNC obráběcích strojů
Systém numerického řízení se používá k dosažení řízení zpracování obráběcího stroje. V současné době většina systémů numerického řízení využívá počítačové numerické řízení (tj. CNC). Vstupně/výstupní zařízení, zařízení numerického řízení, servopohon a zpětnovazební zařízení na obrázku dohromady tvoří systém numerického řízení obráběcího stroje a jeho role byla popsána výše. Následuje stručný popis dalších komponent.
Zařízení zpětné vazby měření: Jedná se o detekční článek CNC obráběcího stroje s uzavřenou (polouzavřenou) smyčkou. Jeho úlohou je detekovat rychlost a posun skutečného posunu aktuátoru (například držáku nástroje) nebo pracovního stolu pomocí moderních měřicích prvků, jako jsou pulzní snímače, resolvery, indukční synchronizátory, mřížky, magnetické pravítka a laserové měřicí přístroje, a tyto údaje zpětně přenášet do servopohonu nebo numerického řídicího zařízení a kompenzovat rychlost posuvu nebo chybu pohybu aktuátoru za účelem zlepšení přesnosti pohybového mechanismu. Instalační poloha detekčního zařízení a poloha, kam je detekční signál zpětně přenášen, závisí na struktuře numerického řídicího systému. Mezi běžně používané detekční komponenty patří vestavěné servopohony s pulzními snímači, otáčkoměry a lineární mřížky.
Vzhledem k tomu, že pokročilé serva používají technologii digitálních servopohonů (označovaných jako digitální serva), pro propojení mezi servopohonem a numerickým řídicím zařízením se obvykle používá sběrnice; ve většině případů je zpětnovazební signál připojen k servopohonu a přenášen do numerického řídicího zařízení přes sběrnici. Pouze v několika málo případech nebo při použití analogových servopohonů (běžně označovaných jako analogová serva) musí být zpětnovazební zařízení přímo připojeno k numerickému řídicímu zařízení.
Pomocný řídicí mechanismus a mechanismus přenosu posuvu: Je umístěn mezi numerickým řídicím zařízením a mechanickými a hydraulickými komponenty obráběcího stroje. Jeho hlavní úlohou je přijímat otáčky vřetena, směr otáčení a instrukce pro spuštění/zastavení, které vydává numerické řídicí zařízení; instrukce pro výběr a výměnu nástroje; instrukce pro spuštění/zastavení chladicích a mazacích zařízení; signály pomocných instrukcí, jako je povolování a upínání obrobků a komponent obráběcího stroje, indexování pracovního stolu a stavové signály detekčních spínačů na obráběcím stroji. Po nezbytném složení, logickém úsudku a zesílení výkonu jsou odpovídající aktuátory přímo řízeny pro řízení mechanických komponent, hydraulických a pneumatických pomocných zařízení obráběcího stroje a pro dokončení akcí specifikovaných instrukcemi. Obvykle se skládá z PLC a silnoproudého řídicího obvodu. PLC může být integrováno s CNC ve struktuře (vestavěné PLC) nebo relativně nezávislé (externí PLC).
Tělo obráběcího stroje, tj. mechanická konstrukce CNC obráběcího stroje, se skládá také z hlavních pohonných systémů, posuvných pohonných systémů, lůžek, pracovních stolů, pomocných pohybových zařízení, hydraulických a pneumatických systémů, mazacích systémů, chladicích zařízení, systémů pro odvod třísek, ochranných systémů a dalších součástí. Aby však byly splněny požadavky numerického řízení a aby se plně využil výkon obráběcího stroje, prošlo významnými změnami, pokud jde o celkové uspořádání, design vzhledu, strukturu převodového systému, nástrojový systém a provozní výkon. Mezi mechanické komponenty obráběcího stroje patří lože, skříň, sloup, vodicí lišta, pracovní stůl, vřeteno, posuvný mechanismus, mechanismus pro výměnu nástrojů atd.
Princip CNC obrábění
U tradičních obráběcích strojů na kov musí obsluha při obrábění dílů neustále měnit parametry, jako je trajektorie pohybu a rychlost pohybu nástroje, podle požadavků výkresu, aby nástroj prováděl řezné obrábění obrobku a nakonec zpracovával kvalifikované díly.
Obrábění na CNC obráběcích strojích v podstatě využívá princip „diferenciálu“. Jeho pracovní princip a proces lze stručně popsat následovně:
Podle trajektorie nástroje požadované programem pro zpracování numerické řídicí zařízení diferencuje trajektorii podél odpovídajících souřadnicových os obráběcího stroje s minimálním množstvím pohybu (ekvivalentem pulzu) (△X, △Y na obrázku 1-2) a vypočítá počet pulzů, které každá souřadnicová osa potřebuje k pohybu.
Pomocí „interpolačního“ softwaru nebo „interpolačního“ kalkulátoru numerického řídicího zařízení je požadovaná trajektorie propojena s ekvivalentní křivkou v jednotkách „jednotky minimálního pohybu“ a je nalezena propojená křivka nejblíže teoretické trajektorii.
Podle trajektorie definované křivky numerické řízení plynule přiřazuje posuvné impulsy odpovídajícím souřadnicovým osám a umožňuje souřadnicovým osám obráběcího stroje pohybovat se podle přidělených impulsů pomocí servopohonu.
Je vidět, že: Zaprvé, pokud je minimální množství pohybu (ekvivalent pulzu) CNC obráběcího stroje dostatečně malé, lze použitou definovanou křivkou ekvivalentně nahradit teoretickou křivku. Zadruhé, pokud se změní metoda alokace pulzů souřadnicových os, lze změnit tvar definované křivky, čímž se dosáhne cíle změny trajektorie zpracování. Zatřetí, pokud je frekvence…