Numerieke besturingstechnologie en CNC-machinegereedschappen
Numerieke besturingstechnologie, afgekort NC (Numerical Control), is een manier om mechanische bewegingen en verwerkingsprocedures te besturen met behulp van digitale informatie. Omdat moderne numerieke besturing tegenwoordig vaak computergestuurd is, wordt het ook wel Computerized Numerical Control (CNC) genoemd.
Om digitale informatiecontrole van mechanische bewegingen en verwerkingsprocessen te realiseren, is de juiste hardware en software nodig. De som van de hardware en software die worden gebruikt om digitale informatiecontrole te implementeren, wordt het numerieke besturingssysteem (Numerical Control System) genoemd, en de kern van het numerieke besturingssysteem is de numerieke besturingseenheid (Numerical Controller).
Machines die worden aangestuurd door numerieke besturingstechnologie worden CNC-bewerkingsmachines (NC-bewerkingsmachines) genoemd. Dit is een typisch mechatronisch product dat geavanceerde technologieën zoals computertechnologie, automatische besturingstechnologie, precisiemeettechnologie en gereedschapsontwerp volledig integreert. Het vormt de hoeksteen van moderne productietechnologie. Het besturen van gereedschapsmachines is het vroegste en meest toegepaste gebied van numerieke besturingstechnologie. Het niveau van CNC-bewerkingsmachines weerspiegelt dan ook grotendeels de prestaties, het niveau en de ontwikkelingstrend van de huidige numerieke besturingstechnologie.
Er zijn verschillende soorten CNC-bewerkingsmachines, waaronder boor-, frees- en kottermachines, draaimachines, slijpmachines, vonkmachines, smeedmachines, laserbewerkingsmachines en andere speciale CNC-bewerkingsmachines met specifieke toepassingen. Elke bewerkingsmachine die wordt aangestuurd door numerieke besturingstechnologie, wordt geclassificeerd als een NC-bewerkingsmachine.
CNC-bewerkingsmachines die zijn uitgerust met een automatische gereedschapswisselaar (ATC, Automatic Tool Changer) worden, met uitzondering van CNC-draaibanken met roterende gereedschapshouders, gedefinieerd als bewerkingscentra (Machine Center – MC). Door het automatisch wisselen van gereedschappen kunnen werkstukken meerdere bewerkingen in één opspanning uitvoeren, waardoor de concentratie en combinatie van processen wordt bereikt. Dit verkort effectief de extra bewerkingstijd en verbetert de werkefficiëntie van de bewerkingsmachine. Tegelijkertijd vermindert het het aantal werkstukinstallaties en -positioneringen, wat de bewerkingsnauwkeurigheid verbetert. Bewerkingscentra zijn momenteel het type CNC-bewerkingsmachine met de grootste output en de breedste toepassing.
Gebaseerd op CNC-bewerkingsmachines, wordt de resulterende verwerkingseenheid, door de toevoeging van automatische wisselsystemen voor meerdere werktafels (pallets) (Auto Pallet Changer – APC) en andere gerelateerde apparaten, een flexibele productiecel (Flexible Manufacturing Cell – FMC) genoemd. FMC realiseert niet alleen de concentratie en combinatie van processen, maar kan, met de automatische wissel van werktafels (pallets) en relatief complete automatische bewakings- en besturingsfuncties, ook onbemand gedurende een bepaalde periode verwerken, wat de verwerkingsefficiëntie van de apparatuur verder verbetert. FMC vormt niet alleen de basis van het flexibele productiesysteem FMS (Flexible Manufacturing System), maar kan ook worden gebruikt als een onafhankelijke geautomatiseerde verwerkingseenheid. Daarom is de ontwikkelingssnelheid zeer hoog.
Op basis van FMC en bewerkingscentra, door de toevoeging van logistieke systemen, industriële robots en bijbehorende apparatuur, en door een centraal besturingssysteem op een gecentraliseerde en uniforme manier aangestuurd en beheerd, wordt een dergelijk productiesysteem een flexibel productiesysteem (FMS) genoemd (Flexible Manufacturing System). FMS kan niet alleen onbemand gedurende lange perioden verwerken, maar ook de volledige verwerking van verschillende soorten onderdelen en de assemblage van componenten realiseren, waardoor het productieproces in de werkplaats wordt geautomatiseerd. Het is een sterk geautomatiseerd, geavanceerd productiesysteem.
Met de voortdurende vooruitgang van wetenschap en technologie is het, om aan te sluiten bij de veranderende marktvraag, voor moderne productie niet alleen noodzakelijk om de automatisering van het productieproces in de werkplaats te bevorderen, maar ook om volledige automatisering te bereiken, van marktprognoses, productiebeslissingen, productontwerp, productfabricage tot productverkoop. Het complete productie- en fabricagesysteem dat gevormd wordt door de integratie van deze eisen, wordt een computergeïntegreerd productiesysteem (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS) genoemd. CIMS integreert op organische wijze een langere productie- en bedrijfsactiviteit, waardoor een efficiëntere en flexibelere intelligente productie wordt bereikt en vertegenwoordigt het hoogste stadium in de ontwikkeling van de huidige geautomatiseerde productietechnologie. In CIMS wordt niet alleen de integratie van productieapparatuur, maar, belangrijker nog, de technologische integratie en functie-integratie gekenmerkt door informatie. De computer is het integratie-instrument, de computerondersteunde geautomatiseerde eenheidstechnologie vormt de basis van integratie en de uitwisseling en het delen van informatie en gegevens vormt de brug tussen integratie. Het eindproduct kan worden beschouwd als de materiële manifestatie van informatie en gegevens.
Het numerieke besturingssysteem en zijn componenten
De basiscomponenten van het numerieke besturingssysteem
Het numerieke besturingssysteem van een CNC-bewerkingsmachine vormt de kern van alle numerieke besturingsapparatuur. Het belangrijkste besturingsobject van het numerieke besturingssysteem is de verplaatsing van de coördinaatassen (inclusief bewegingssnelheid, richting, positie, enz.), en de besturingsinformatie is voornamelijk afkomstig van numerieke besturingsverwerking of bewegingsbesturingsprogramma's. De meest basale componenten van het numerieke besturingssysteem moeten daarom bestaan uit: het programma-invoer-/uitvoerapparaat, het numerieke besturingsapparaat en de servoaandrijving.
De rol van het invoer-/uitvoerapparaat is het invoeren en uitvoeren van gegevens, zoals numerieke besturingsverwerking of bewegingsbesturingsprogramma's, verwerkings- en besturingsgegevens, parameters van machinegereedschappen, coördinaatasposities en de status van detectieschakelaars. Toetsenbord en beeldscherm zijn de meest basale invoer-/uitvoerapparaten die nodig zijn voor numerieke besturingsapparatuur. Afhankelijk van het numerieke besturingssysteem kunnen daarnaast ook apparaten zoals foto-elektrische lezers, tapedrives of floppydiskdrives worden meegeleverd. Als randapparaat is de computer momenteel een van de meest gebruikte invoer-/uitvoerapparaten.
Het numerieke besturingsapparaat is de kerncomponent van het numerieke besturingssysteem. Het bestaat uit input-/outputinterfacecircuits, controllers, rekeneenheden en geheugen. De rol van het numerieke besturingsapparaat is het compileren, berekenen en verwerken van de door het invoerapparaat ingevoerde gegevens via het interne logische circuit of de besturingssoftware, en het uitvoeren van verschillende soorten informatie en instructies om de verschillende onderdelen van de machine aan te sturen en bepaalde acties uit te voeren.
De meest basale van deze besturingsinformatie en -instructies zijn de invoersnelheid, invoerrichting en invoerverplaatsingsinstructies van de coördinaatassen. Deze worden gegenereerd na interpolatieberekeningen, doorgegeven aan de servoaandrijving, versterkt door de driver en regelen uiteindelijk de verplaatsing van de coördinaatassen. Dit bepaalt direct het bewegingstraject van het gereedschap of de coördinaatassen.
Afhankelijk van het systeem en de apparatuur, bijvoorbeeld op een CNC-bewerkingsmachine, kunnen er ook instructies zijn zoals het toerental, de draairichting, het starten/stoppen van de spindel; instructies voor gereedschapsselectie en -wissel; start-/stopinstructies voor koel- en smeerinrichtingen; instructies voor het losmaken en vastklemmen van het werkstuk; het indexeren van de werktafel en andere hulpinstructies. In het numerieke besturingssysteem worden deze in de vorm van signalen via de interface aan het externe hulpbesturingsapparaat verstrekt. Het hulpbesturingsapparaat voert de benodigde compilatie en logische bewerkingen uit op de bovenstaande signalen, versterkt deze en stuurt de bijbehorende actuatoren aan om de mechanische componenten, hydraulische en pneumatische hulpinrichtingen van de bewerkingsmachine aan te sturen om de in de instructies gespecificeerde handelingen uit te voeren.
De servoaandrijving bestaat meestal uit servoversterkers (ook wel drivers of servo-units genoemd) en actuatoren. Op CNC-bewerkingsmachines worden tegenwoordig over het algemeen AC-servomotoren als actuatoren gebruikt; op geavanceerde hogesnelheidsbewerkingsmachines worden tegenwoordig lineaire motoren gebruikt. Daarnaast werden op CNC-bewerkingsmachines die vóór de jaren 80 werden geproduceerd, in sommige gevallen DC-servomotoren gebruikt; voor eenvoudige CNC-bewerkingsmachines werden ook stappenmotoren als actuatoren gebruikt. De vorm van de servoversterker is afhankelijk van de actuator en moet in combinatie met de aandrijfmotor worden gebruikt.
Bovenstaande zijn de meest fundamentele componenten van het numerieke besturingssysteem. Met de voortdurende ontwikkeling van numerieke besturingstechnologie en de verbetering van de prestatieniveaus van bewerkingsmachines, nemen ook de functionele eisen aan het systeem toe. Om te voldoen aan de besturingsvereisten van verschillende bewerkingsmachines, de integriteit en uniformiteit van het numerieke besturingssysteem te waarborgen en het gebruik door de gebruiker te vergemakkelijken, hebben veelgebruikte geavanceerde numerieke besturingssystemen meestal een interne programmeerbare controller als hulpbesturingsapparaat van de bewerkingsmachine. Bovendien kan bij metaalbewerkingsmachines de spindelaandrijving ook een onderdeel van het numerieke besturingssysteem worden; bij CNC-bewerkingsmachines met een gesloten lus zijn meet- en detectieapparatuur eveneens onmisbaar voor het numerieke besturingssysteem. Voor geavanceerde numerieke besturingssystemen wordt soms zelfs een computer gebruikt als mens-machine-interface van het systeem en voor gegevensbeheer en invoer-/uitvoerapparaten, waardoor de functies van het numerieke besturingssysteem krachtiger en de prestaties perfecter worden.
Concluderend kan gesteld worden dat de samenstelling van het numerieke besturingssysteem afhangt van de prestaties van het besturingssysteem en de specifieke besturingsvereisten van de apparatuur. Er zijn aanzienlijke verschillen in de configuratie en samenstelling. Naast de drie meest basale componenten – het invoer-/uitvoerapparaat van het verwerkingsprogramma, het numerieke besturingsapparaat en de servoaandrijving – kunnen er nog meer besturingsapparaten zijn. Het gearceerde kader in Figuur 1-1 geeft het numerieke besturingssysteem weer.
De concepten van NC, CNC, SV en PLC
NC (CNC), SV en PLC (PC, PMC) zijn veelgebruikte Engelse afkortingen in numerieke besturingsapparatuur en hebben in praktische toepassingen op verschillende plekken een verschillende betekenis.
NC (CNC): NC en CNC zijn de gebruikelijke Engelse afkortingen voor respectievelijk Numerical Control en Computerized Numerical Control. Aangezien moderne numerieke besturing volledig computergestuurd is, kan worden gesteld dat de betekenissen van NC en CNC volledig hetzelfde zijn. In technische toepassingen heeft NC (CNC), afhankelijk van de toepassing, doorgaans drie verschillende betekenissen: in brede zin vertegenwoordigt het een besturingstechnologie – numerieke besturingstechnologie; in enge zin vertegenwoordigt het een entiteit van een besturingssysteem – het numerieke besturingssysteem; daarnaast kan het ook een specifiek besturingsapparaat vertegenwoordigen – het numerieke besturingsapparaat.
SV: SV is de Engelse afkorting voor servo-aandrijving (Servo Drive, afgekort als servo). Volgens de voorgeschreven termen van de Japanse JIS-norm is het "een regelmechanisme dat de positie, richting en toestand van een object als controlegrootheden beschouwt en willekeurige veranderingen in de doelwaarde volgt." Kortom, het is een regelapparaat dat automatisch fysieke grootheden zoals de doelpositie kan volgen.
Bij CNC-bewerkingsmachines komt de rol van servo-aandrijving voornamelijk tot uiting in twee aspecten: Ten eerste zorgt het ervoor dat de coördinaatassen kunnen werken met de snelheid die wordt aangegeven door het numerieke besturingsapparaat; ten tweede zorgt het ervoor dat de coördinaatassen kunnen worden gepositioneerd volgens de positie die wordt aangegeven door het numerieke besturingsapparaat.
De besturingsobjecten van een servo-aandrijving zijn doorgaans de verplaatsing en snelheid van de coördinaatassen van de machine. De actuator is een servomotor. Het onderdeel dat het invoersignaal regelt en versterkt, wordt vaak een servoversterker genoemd (ook wel driver, versterker, servo-eenheid, enz. genoemd). Dit onderdeel vormt de kern van de servo-aandrijving.
De servoaandrijving kan niet alleen in combinatie met het numerieke besturingsapparaat worden gebruikt, maar kan ook zelfstandig worden gebruikt als positie- (snelheids-)begeleidend systeem. Daarom wordt het ook vaak een servosysteem genoemd. Bij vroege numerieke besturingssystemen was het positieregelgedeelte over het algemeen geïntegreerd met CNC, en voerde de servoaandrijving alleen snelheidsregeling uit. Daarom werd de servoaandrijving vaak een snelheidsregeleenheid genoemd.
PLC: PC is de Engelse afkorting van Programmable Controller. Met de toenemende populariteit van personal computers, om verwarring met personal computers (ook wel PC's genoemd) te voorkomen, worden programmeerbare controllers nu over het algemeen programmable logic controllers (Programmable Logic Controller – PLC) of programmable machine controllers (Programmable Machine Controller – PMC) genoemd. Daarom hebben PC, PLC en PMC op CNC-bewerkingsmachines exact dezelfde betekenis.
PLC's bieden snelle respons, betrouwbare prestaties, gebruiksgemak, eenvoudige programmering en debuggen, en kunnen rechtstreeks elektrische apparaten van gereedschapsmachines aansturen. Daarom worden ze veel gebruikt als hulpbesturing voor numerieke besturingsapparatuur. De meeste numerieke besturingssystemen beschikken momenteel over een interne PLC voor de verwerking van de hulpinstructies van CNC-bewerkingsmachines, waardoor de hulpbesturing van de bewerkingsmachine aanzienlijk wordt vereenvoudigd. Bovendien kan de PLC in veel gevallen, via speciale functionele modules zoals de asbesturingsmodule en de positioneringsmodule van de PLC, ook direct worden gebruikt voor puntpositieregeling, lineaire regeling en eenvoudige contourregeling, waarmee speciale CNC-bewerkingsmachines of CNC-productielijnen kunnen worden gevormd.
Het samenstellings- en verwerkingsprincipe van CNC-bewerkingsmachines
De basissamenstelling van CNC-bewerkingsmachines
CNC-bewerkingsmachines zijn de meest voorkomende numerieke besturingsapparatuur. Om de basissamenstelling van CNC-bewerkingsmachines te verduidelijken, is het eerst noodzakelijk om het werkproces van CNC-bewerkingsmachines voor de bewerking van onderdelen te analyseren. Op CNC-bewerkingsmachines kunnen de volgende stappen worden geïmplementeerd om onderdelen te bewerken:
Schrijf volgens de tekeningen en procesplannen van de te bewerken onderdelen, met behulp van de voorgeschreven codes en programmaformaten, het bewegingstraject van de gereedschappen, het bewerkingsproces, procesparameters, snijparameters, enz. in een voor het numerieke besturingssysteem herkenbaar instructieformulier, oftewel schrijf het bewerkingsprogramma.
Voer het schriftelijke verwerkingsprogramma in het numerieke besturingsapparaat in.
Het numerieke besturingsapparaat decodeert en verwerkt het invoerprogramma (code) en stuurt overeenkomstige besturingssignalen naar de servoaandrijfapparaten en hulpfunctiebesturingsapparaten van elke coördinaatassen om de beweging van elk onderdeel van de machine te besturen.
Tijdens de beweging moet het numerieke besturingssysteem op elk gewenst moment de positie van de coördinaatassen van de machine, de status van de verplaatsingsschakelaars, enz. detecteren en deze vergelijken met de vereisten van het programma om de volgende actie te bepalen totdat gekwalificeerde onderdelen zijn verwerkt.
De operator kan de verwerkingsomstandigheden en de werkstatus van de machine op elk moment observeren en inspecteren. Indien nodig zijn ook aanpassingen aan de handelingen en bewerkingsprogramma's van de machine nodig om een veilige en betrouwbare werking van de machine te garanderen.
Uit de basissamenstelling van een CNC-bewerkingsmachine kan worden afgeleid dat deze het volgende omvat: invoer-/uitvoerapparaten, numerieke besturingsapparaten, servo-aandrijvingen en feedbackapparaten, hulpbesturingsapparaten en de machinebehuizing.
De samenstelling van CNC-bewerkingsmachines
Het numerieke besturingssysteem wordt gebruikt om de verwerking van de host van de gereedschapsmachine te regelen. Momenteel maken de meeste numerieke besturingssystemen gebruik van computergestuurde numerieke besturing (d.w.z. CNC). Het invoer-/uitvoerapparaat, het numerieke besturingsapparaat, de servoaandrijving en het feedbackapparaat in de afbeelding vormen samen het numerieke besturingssysteem van de gereedschapsmachine, en de rol ervan is hierboven beschreven. Hieronder worden de overige componenten kort geïntroduceerd.
Meetfeedback: Dit is de detectieschakel van een CNC-bewerkingsmachine met gesloten lus (semi-gesloten lus). De rol ervan is om de snelheid en verplaatsing van de werkelijke verplaatsing van de actuator (zoals de gereedschapshouder) of de werktafel te detecteren met behulp van moderne meetelementen zoals pulsencoders, resolvers, inductiesynchronisatoren, roosters, magnetische schalen en lasermeetinstrumenten, en deze terug te koppelen naar de servoaandrijving of het numerieke besturingsapparaat, en de toevoersnelheid of de bewegingsfout van de actuator te compenseren om de nauwkeurigheid van het bewegingsmechanisme te verbeteren. De installatiepositie van het detectieapparaat en de positie waar het detectiesignaal wordt teruggekoppeld, zijn afhankelijk van de structuur van het numerieke besturingssysteem. Servo-ingebouwde pulsencoders, tachometers en lineaire roosters zijn veelgebruikte detectiecomponenten.
Omdat geavanceerde servo's allemaal gebruikmaken van digitale servoaandrijftechnologie (ook wel digitale servo genoemd), wordt er meestal een bus gebruikt voor de verbinding tussen de servoaandrijving en het numerieke besturingsapparaat. In de meeste gevallen wordt het feedbacksignaal via de bus naar de servoaandrijving gestuurd en naar het numerieke besturingsapparaat verzonden. Slechts in enkele gevallen, of bij gebruik van analoge servoaandrijvingen (algemeen bekend als analoge servo's), moet het feedbackapparaat rechtstreeks op het numerieke besturingsapparaat worden aangesloten.
Hulpbesturingsmechanisme en toevoermechanisme: Dit bevindt zich tussen het numerieke besturingsapparaat en de mechanische en hydraulische componenten van de machine. De belangrijkste functie is het ontvangen van de spindelsnelheid, draairichting en start-/stopinstructies die door het numerieke besturingsapparaat worden uitgevoerd; instructies voor gereedschapsselectie en -wissel; start-/stopinstructies van koel- en smeerapparatuur; hulpinstructiesignalen zoals het losmaken en vastklemmen van werkstukken en machinecomponenten, het indexeren van de werktafel en de statussignalen van detectieschakelaars op de machine. Na de nodige compilatie, logische beoordeling en vermogensversterking worden de bijbehorende actuatoren direct aangestuurd om de mechanische componenten, hydraulische en pneumatische hulpapparatuur van de machine aan te sturen om de door de instructies gespecificeerde acties uit te voeren. Het bestaat meestal uit een PLC en een sterkstroombesturingscircuit. De PLC kan qua structuur geïntegreerd zijn met de CNC (ingebouwde PLC) of relatief onafhankelijk (externe PLC).
De machinebehuizing, dat wil zeggen de mechanische structuur van de CNC-machine, bestaat ook uit hoofdaandrijfsystemen, toevoersystemen, bedden, werktafels, hulpbewegingsapparatuur, hydraulische en pneumatische systemen, smeersystemen, koelsystemen, spaanafvoer, beschermingssystemen en andere onderdelen. Om echter te voldoen aan de eisen van numerieke besturing en de prestaties van de machine ten volle te benutten, heeft deze aanzienlijke veranderingen ondergaan wat betreft de algehele lay-out, het uiterlijk, de transmissiestructuur, het gereedschapssysteem en de operationele prestaties. De mechanische componenten van de machine omvatten het bed, de kast, de kolom, de geleiderail, de werktafel, de spindel, het toevoermechanisme, het gereedschapswisselmechanisme, enz.
Het principe van CNC-bewerking
Bij traditionele metaalbewerkingsmachines moet de operator tijdens het bewerken van onderdelen voortdurend parameters zoals het bewegingstraject en de bewegingssnelheid van het gereedschap wijzigen volgens de vereisten van de tekening, zodat het gereedschap het snijproces op het werkstuk uitvoert en uiteindelijk gekwalificeerde onderdelen verwerkt.
De bewerking van CNC-bewerkingsmachines maakt in wezen gebruik van het "differentieel" principe. Het werkingsprincipe en proces kunnen als volgt worden beschreven:
Op basis van de door het verwerkingsprogramma vereiste gereedschapsbaan onderscheidt het numerieke besturingsapparaat de baan langs de corresponderende coördinaatassen van de machine met de minimale bewegingshoeveelheid (pulsequivalent) (△X, △Y in Afbeelding 1-2) en berekent het het aantal pulsen dat elke coördinaatas nodig heeft om te bewegen.
Met behulp van de "interpolatie"-software of de "interpolatie"-calculator van het numerieke besturingsapparaat wordt het vereiste traject voorzien van een equivalente polylijn in eenheden van "minimale bewegingseenheid" en wordt de passende polylijn gevonden die het dichtst bij het theoretische traject ligt.
Afhankelijk van het traject van de aangepaste polylijn wijst het numerieke besturingsapparaat continu voedingspulsen toe aan de bijbehorende coördinaatassen en zorgt ervoor dat de coördinaatassen van de gereedschapsmachine via servoaandrijving kunnen bewegen in overeenstemming met de toegewezen pulsen.
Het is duidelijk dat: Ten eerste, zolang de minimale bewegingshoeveelheid (pulsequivalent) van de CNC-bewerkingsmachine klein genoeg is, de gebruikte aangepaste polylijn gelijkwaardig kan worden vervangen door de theoretische curve. Ten tweede, zolang de pulstoewijzingsmethode van de coördinaatassen wordt gewijzigd, kan de vorm van de aangepaste polylijn worden gewijzigd, waardoor het doel van het wijzigen van het verwerkingstraject wordt bereikt. Ten derde, zolang de frequentie van...