Wat is CNC-technologie en CNC-bewerkingsmachines, leg ze in één keer duidelijk uit!
Wat is CNC-technologie en CNC-bewerkingsmachines, leg ze in één keer duidelijk uit!
CNC-technologie en CNC
Numerical Control (NC)-technologie, afgekort als Numerical Control, is een methode voor het besturen van mechanische bewegings- en bewerkingsprocessen met behulp van digitale informatie. Vanwege het gebruik van computers voor besturing in moderne CNC, kan het ook Computerized Numerical Control (CNC) worden genoemd.
Om digitale informatiecontrole van mechanische bewegings- en bewerkingsprocessen te realiseren, moet bijbehorende hardware en software beschikbaar zijn. De hardware en software die worden gebruikt om digitale informatiecontrole te bereiken, worden gezamenlijk het numerieke besturingssysteem genoemd, en de kern van het numerieke besturingssysteem is de numerieke controller.
Een werktuigmachine die wordt bestuurd door numerieke besturingstechnologie, wordt een werktuigmachine met numerieke besturing (NC-werktuigmachine) genoemd. Het is een typisch elektromechanisch geïntegreerd product dat geavanceerde technologieën integreert, zoals computertechnologie, automatische besturingstechnologie, precisiemeettechnologie en ontwerp van werktuigmachines, en vormt de basis van de moderne productietechnologie. Het besturen van werktuigmachines is ook het vroegste en meest gebruikte gebied van CNC-technologie. Daarom vertegenwoordigt het niveau van CNC-werktuigmachines de prestaties, het niveau en de ontwikkelingsrichting van de huidige CNC-technologie.
Er zijn verschillende soorten CNC-werktuigmachines, waaronder boor-, frees- en boormachines, draaimachines, slijpmachines, elektrische verwerkingsmachines, smeedmachines, laserbewerkingsmachines en andere gespecialiseerde CNC-werktuigmachines voor speciale doeleinden. Alle werktuigmachines die CNC-technologie gebruiken voor de besturing worden gezamenlijk NC-werktuigmachines genoemd.
Een CNC-werktuigmachine met een Automatic Tool Change (ATC) -apparaat (met uitzondering van CNC-draaibanken met roterende gereedschapshouders) wordt een Machine Center (MC) genoemd. Door automatische gereedschapswisseling kan het werkstuk in één keer worden geladen en vastgeklemd om meerdere verwerkingsstappen te voltooien, waardoor procesconcentratie en procesintegratie wordt bereikt, waardoor de aanvullende verwerkingstijd wordt verkort en de efficiëntie van de werktuigmachine wordt verbeterd; Het aantal installatie- en positioneringstijden van werkstukken is verminderd en de nauwkeurigheid van de bewerking is verbeterd. Het bewerkingscentrum is momenteel qua productievolume de grootste en meest gebruikte CNC-bewerkingsmachine.
Op basis van het bewerkingscentrum wordt de bewerkingseenheid, bestaande uit meerdere automatische palletwisselaars (APC) en andere gerelateerde apparaten, Flexibele Manufacturing Cell FMC genoemd. FMC realiseert niet alleen gecentraliseerde processen en samengestelde processen, maar maakt ook onbemande verwerking gedurende een bepaalde periode mogelijk door automatische uitwisseling van werkbanken (pallets) en relatief volledige automatische bewakings- en controlefuncties, waardoor de verwerkingsefficiëntie van apparatuur verder wordt verbeterd. FMC is niet alleen de basis van het Flexible Manufacturing System (FMS), maar kan ook worden gebruikt als onafhankelijke geautomatiseerde verwerkingsapparatuur, dus de ontwikkelingssnelheid is snel.
Op basis van FMC en bewerkingscentra, door het toevoegen van logistieke systemen, industriële robots en aanverwante apparatuur, en gecentraliseerde en uniforme controle en beheer door een centraal controlesysteem, wordt een dergelijk productiesysteem het Flexible Manufacturing System (FMS) genoemd. FMS maakt niet alleen langdurige onbemande verwerking mogelijk, maar maakt ook de volledige verwerking en assemblage van meerdere soorten onderdelen mogelijk, waardoor automatisering van het productieproces in de werkplaats wordt bereikt. Het is een sterk geautomatiseerd geavanceerd productiesysteem.
Met de ontwikkeling van de technologie moet de moderne productie-industrie, om zich aan te passen aan de steeds veranderende marktvraag, niet alleen de automatisering van productieprocessen in de werkplaats ontwikkelen, maar ook een uitgebreide automatisering bereiken van marktvoorspelling, productiebesluitvorming, productontwikkeling. ontwerp, productproductie tot productverkoop. Het volledige productieproductiesysteem dat uit deze vereisten bestaat, wordt Computer Integrated Manufacturing System (CIMS) genoemd. CIMS integreert op organische wijze een langere productie- en bedrijfsactiviteit, waardoor een hogere efficiëntie en flexibiliteit wordt bereikt in intelligente productie, wat vandaag de dag het hoogste stadium is van de ontwikkeling van geautomatiseerde productietechnologie. Bij CIMS is het niet alleen de integratie van productieapparatuur, maar ook de integratie van technologie en functionaliteit die wordt gekenmerkt door informatie. Computers zijn geïntegreerde hulpmiddelen, computerondersteunde technologie voor automatiseringseenheden vormt de basis van integratie, en de uitwisseling en het delen van informatie en gegevens vormen de brug van integratie. Het gevormde eindproduct kan worden gezien als de materiële belichaming van informatie en data.
CNC-systeem en zijn componenten
De basiscomponenten van een CNC-systeem
Het CNC-systeem vormt de kern van alle CNC-apparatuur. Het belangrijkste besturingsobject van een CNC-systeem is de verplaatsing van de coördinatenas (inclusief bewegingssnelheid, richting, positie, enz.), en de besturingsinformatie is voornamelijk afkomstig van CNC-bewerkings- of bewegingscontroleprogramma's. Daarom moet het, als het meest fundamentele onderdeel van een CNC-systeem, uit drie delen bestaan: het invoer-/uitvoerapparaat van het programma, het CNC-apparaat en de servoaandrijving.
De functie van het invoer-/uitvoerapparaat is het invoeren en uitvoeren van gegevens zoals CNC-bewerkings- of motion control-programma's, bewerkings- en besturingsgegevens, machinegereedschapsparameters, coördinaatasposities en detectieschakelaarstatussen. Het toetsenbord en het display zijn de meest elementaire invoer-/uitvoerapparaten die essentieel zijn voor elke CNC-apparatuur. Bovendien kan hij, afhankelijk van het CNC-systeem, ook worden uitgerust met foto-elektrische lezers, magneetbanddrives of diskdrives. Als randapparaat is een computer momenteel een van de meest gebruikte invoer-/uitvoerapparaten.
Het CNC-apparaat is de kern van het CNC-systeem. Het bestaat uit input/output-interfacecircuits, controllers, rekeneenheden en geheugen. De functie van een CNC-apparaat is het compileren, berekenen en verwerken van de gegevensinvoer van het invoerapparaat via interne logische circuits of besturingssoftware, en het uitvoeren van verschillende informatie en instructies om verschillende delen van de werktuigmachine te besturen om specifieke acties uit te voeren.
Van deze besturingsinformatie en -instructies zijn de meest elementaire de voedingssnelheid, voedingsrichting en voedingsverplaatsingsinstructies van de coördinatenas. Het wordt gegenereerd door middel van interpolatie, geleverd aan de servoaandrijving, versterkt door de bestuurder, en regelt uiteindelijk de verplaatsing van de coördinatenas. Het bepaalt direct het bewegingstraject van het gereedschap of de coördinatenas.
Bovendien kunnen er, afhankelijk van het systeem en de uitrusting, bijvoorbeeld op CNC-bewerkingsmachines, ook commando's voor spilsnelheid, stuurinrichting en start/stop zijn; Selectie- en omruilinstructies voor snijgereedschappen; Start- en stopinstructies voor koel- en smeerapparaten; Instructies voor het losmaken en vastklemmen van werkstukken; Hulpinstructies zoals het verdelen van de werkbank. In CNC-systemen worden ze via interfaces aan externe hulpbesturingsapparaten geleverd in de vorm van signalen. De hulpbesturingsapparaten compileren en voeren de noodzakelijke logische bewerkingen uit op de bovenstaande signalen, versterken deze en drijven de overeenkomstige uitvoeringsapparaten aan om de mechanische componenten van de werktuigmachine, hydraulische en pneumatische hulpapparaten aan te drijven om de gespecificeerde acties te voltooien.
Servoaandrijving bestaat meestal uit een servoversterker (ook bekend als driver, servo-eenheid) en actuator. Op CNC-werktuigmachines worden AC-servomotoren over het algemeen gebruikt als actuatoren; Lineaire motoren zijn gebruikt in geavanceerde hogesnelheidsbewerkingsmachines. Bovendien werden DC-servomotoren ook gebruikt op CNC-werktuigmachines die vóór de jaren tachtig waren geproduceerd; Voor eenvoudige CNC-bewerkingsmachines is hij ook bruikbaar als actuator. De vorm van de servoversterker is afhankelijk van de actuator en moet in combinatie met de aandrijfmotor worden gebruikt.
Bovenstaande zijn de meest elementaire componenten van een CNC-systeem. Met de ontwikkeling van CNC-technologie en de verbetering van de prestaties van werktuigmachines nemen ook de functionele eisen aan het systeem toe. Om aan de besturingseisen van verschillende werktuigmachines te voldoen, de integriteit en eenheid van het CNC-systeem te waarborgen en het gebruik door de gebruiker te vergemakkelijken, worden gewoonlijk meer geavanceerde CNC-systemen gebruikt, meestal uitgerust met interne programmeerbare controllers als hulpbesturingsapparaten voor werktuigmachines. Bovendien kan op gereedschapsmachines voor het snijden van metaal de spilaandrijfinrichting ook een onderdeel worden van het CNC-systeem; Op CNC-bewerkingsmachines met gesloten lus zijn meet- en detectieapparatuur ook essentieel voor CNC-systemen. Voor geavanceerde CNC-systemen worden soms zelfs computers gebruikt als mens-machine-interface en gegevensbeheer, invoer-/uitvoerapparaten, waardoor de functies van het CNC-systeem sterker worden en de prestaties completer.
Kortom, de samenstelling van een CNC-systeem is afhankelijk van de prestaties van het besturingssysteem en de specifieke besturingseisen van de apparatuur. De configuratie en samenstelling ervan vertonen aanzienlijke verschillen. Naast de drie meest fundamentele componenten van het invoer-/uitvoerapparaat van het bewerkingsprogramma, het CNC-apparaat en de servoaandrijving, kunnen er ook meer besturingsapparaten zijn. Het gestippelde kader in figuur 1-1 vertegenwoordigt een numeriek computerbesturingssysteem.
Begrippen NC, CNC, SV en PLC
NC (CNC), SV en PLC (PC, PMC) zijn de meest gebruikte Engelse afkortingen in CNC-apparatuur, die in de praktijk in verschillende situaties verschillende betekenissen hebben.
NC (CNC) NC en CNC zijn veelgebruikte Engelse afkortingen voor respectievelijk Numerical Control en Computerized Numerical Control. Vanwege het gebruik van computerbesturing in moderne CNC kan worden aangenomen dat de betekenissen van NC en CNC volledig gelijkwaardig zijn. In technische toepassingen heeft NC (CNC), afhankelijk van verschillende gebruiksscenario's, gewoonlijk drie verschillende betekenissen: in brede zin vertegenwoordigt het een besturingstechnologie - CNC-technologie; In enge zin vertegenwoordigt het een entiteit van een besturingssysteem: een CNC-systeem; Bovendien kan het ook een specifiek besturingsapparaat vertegenwoordigen: een CNC-apparaat.
SVSV is een veelgebruikte Engelse afkorting voor Servo Drive. Volgens de Japanse JIS-standaard is het een controlemechanisme dat de positie, richting en status van een object als controlevariabelen gebruikt om eventuele veranderingen in de doelwaarde te volgen. Kortom, het is een controleapparaat dat automatisch fysieke grootheden zoals de doelpositie kan volgen.
Bij CNC-bewerkingsmachines heeft de rol van servoaandrijving voornamelijk twee aspecten: ten eerste om de coördinatenas te laten draaien met de snelheid die door het CNC-apparaat wordt gegeven; De tweede is om de coördinatenas te positioneren volgens de positie gegeven door het CNC-apparaat.
Het besturingsobject van servoaandrijving is gewoonlijk de verplaatsing en snelheid van de coördinatenas van de werktuigmachine; Het uitvoeringsmechanisme is een servo; Het deel dat ingangscommandosignalen bestuurt en versterkt, wordt vaak een servoversterker genoemd (ook wel driver, versterker, servo-eenheid, enz. genoemd), wat de kern is van servoaandrijving.
Servoaandrijving kan niet alleen worden gebruikt in combinatie met CNC-apparaten, maar ook als een afzonderlijke positie (snelheid) die bij het systeem hoort, daarom wordt er vaak gesproken van een servosysteem. In vroege CNC-systemen was het positiecontrolegedeelte over het algemeen geïntegreerd met CNC, en voerde servoaandrijving alleen snelheidsregeling uit. Daarom wordt servoaandrijving vaak snelheidsregeleenheid genoemd.
PLCPC staat voor Programmable Controller. Met de toenemende populariteit van personal computers worden programmeerbare logische controllers (PLC's) over het algemeen programmable machine controllers (PMC's) genoemd, om verwarring met personal computers (ook bekend als pc's) te voorkomen. Daarom hebben PC, PLC en PMC bij CNC-bewerkingsmachines precies dezelfde betekenis.
PLC heeft de kenmerken van snelle respons, betrouwbare prestaties, gemakkelijk gebruik, eenvoudig programmeren en debuggen, en kan sommige elektrische apparaten voor werktuigmachines rechtstreeks aansturen. Daarom wordt het veel gebruikt als hulpbesturingsapparaat voor CNC-apparatuur. Momenteel worden de meeste CNC-systemen geleverd met interne PLC's voor het verwerken van hulpinstructies van CNC-werktuigmachines, waardoor de hulpbesturingsapparaten van werktuigmachines aanzienlijk worden vereenvoudigd. Bovendien kunnen in veel situaties speciale functionele modules zoals de asbesturingsmodule en de positioneringsmodule van PLC ook direct worden gebruikt om puntpositiecontrole, lineaire besturing en eenvoudige contourbesturing te bereiken, waardoor speciale CNC-werktuigmachines of CNC-productielijnen worden gevormd.
Samenstelling en bewerkingsprincipes van CNC-bewerkingsmachines
De basiscomponenten van CNC-bewerkingsmachines
CNC-bewerkingsmachines zijn de meest typische CNC-apparatuur. Om de basissamenstelling van CNC-bewerkingsmachines te begrijpen, is het eerst noodzakelijk om het werkproces van het bewerken van onderdelen op CNC-bewerkingsmachines te analyseren. Om onderdelen te bewerken op CNC-bewerkingsmachines kunnen de volgende stappen worden genomen:
Gebruik volgens het patroon en het procesplan van het bewerkte onderdeel de voorgeschreven code en het programmaformaat om het bewegingstraject, het bewerkingsproces, de procesparameters, de snijhoeveelheid, enz. van het gereedschap te schrijven in een opdrachtformulier dat het CNC-systeem kan herkennen, dat wil zeggen , schrijf het bewerkingsprogramma.
Voer het bewerkingsprogramma in het CNC-apparaat in.
Het CNC-apparaat decodeert en verwerkt het invoerprogramma (code) en verzendt overeenkomstige besturingssignalen naar de servoaandrijfapparaten en hulpfunctiebesturingsapparaten van elke coördinatenas om de beweging van verschillende componenten van de werktuigmachine te regelen.
Tijdens het bewegingsproces moet het CNC-systeem voortdurend de coördinatenaspositie van de werktuigmachine en de status van de rijschakelaar detecteren en deze vergelijken met de vereisten van het programma om de volgende actie te bepalen totdat gekwalificeerde onderdelen zijn verwerkt.
De operator kan op elk moment de bewerkingssituatie en werkstatus van de werktuigmachine observeren en inspecteren, en indien nodig de actie van de werktuigmachine en het bewerkingsprogramma aanpassen om de veilige en betrouwbare werking van de werktuigmachine te garanderen.
Hieruit kan worden opgemaakt dat het, als basiscomponent van een CNC-werktuigmachine, het volgende moet omvatten: invoer-/uitvoerapparaat, CNC-apparaat, servoaandrijving en feedbackapparaat, hulpbesturingsapparaat en machinelichaam, enz. (zoals weergegeven in Figuur 1-1).
Figuur 1-1 Samenstelling van CNC-werktuigmachines
Het gestippelde kader in figuur 1-1 wordt gezamenlijk het CNC-systeem genoemd, dat de bewerkingscontrole van de host van de werktuigmachine realiseert. Momenteel maken de meeste CNC-systemen gebruik van computernumerieke besturing (CNC). Het CNC-systeem voor werktuigmachines, bestaande uit invoer-/uitvoerapparaten, CNC-apparaten, servoaandrijvingen en feedbackapparaten in de figuur, is hierboven beschreven. Hieronder stellen we de overige componenten kort voor.
Het meetfeedbackapparaat is de detectielink van CNC-bewerkingsmachines met gesloten lus (semi-gesloten lus). Zijn functie is het detecteren van de werkelijke verplaatsingssnelheid en verplaatsing van de uitvoerende componenten (zoals gereedschapshouders, enz.) of werkbanken via moderne meetcomponenten zoals pulsencoders, roterende transformatoren, inductosyn, roosters, magnetische linialen en lasermeetinstrumenten. en feedback terug naar het servoaandrijfapparaat of CNC-apparaat, en compenseer de voedingssnelheid of de bewegingsfout van de actuator om het doel te bereiken: het verbeteren van de nauwkeurigheid van het bewegingsmechanisme. De installatie van detectieapparatuur en de positie van de detectiesignaalfeedback zijn afhankelijk van de structurele vorm van het CNC-systeem. Servo-ingebouwde pulsencoders, snelheidsmeetmachines en lineaire roosters zijn veelgebruikte detectiecomponenten.
Vanwege het gebruik van digitale servoaandrijftechnologie (ook wel digitale servo genoemd) in geavanceerde servosystemen, zijn servoaandrijvingen en CNC-apparaten doorgaans via een bus verbonden; In de meeste gevallen worden feedbacksignalen aangesloten op servoaandrijvingen en via een bus naar CNC-apparaten verzonden. Slechts in enkele gevallen of bij gebruik van een analoog bestuurde servoaandrijving (algemeen bekend als analoge servo), hoeft het feedbackapparaat rechtstreeks op het CNC-apparaat te worden aangesloten.
Het hulpbesturingsmechanisme en het voedingstransmissiemechanisme zijn besturingscomponenten die zich tussen het CNC-apparaat en de mechanische en hydraulische componenten van de werktuigmachine bevinden. De belangrijkste functie is het ontvangen van commando's voor de spilsnelheid, besturing en start-stop die door het CNC-apparaat worden uitgevoerd; Uitwisseling van gereedschapsselectie; Start-stopinstructies voor koel- en smeerapparaten; De hulpcommandosignalen voor het losmaken en vastklemmen van de rotatie van werkstukken en werktuigmachinecomponenten op de werktafel, evenals de statussignalen van detectieschakelaars op de werktuigmachine, worden rechtstreeks aangestuurd door de noodzakelijke compilatie, logische beoordeling en vermogensversterking om de overeenkomstige uitvoeringscomponenten aan te sturen , het aandrijven van de mechanische componenten van de werktuigmachine, hydraulische en pneumatische hulpapparatuur om de acties te voltooien die in de instructies zijn gespecificeerd. Het wordt meestal bestuurd door PLC en sterke elektriciteit
Het hulpbesturingsmechanisme en het voedingstransmissiemechanisme zijn besturingscomponenten die zich tussen het CNC-apparaat en de mechanische en hydraulische componenten van de werktuigmachine bevinden. De belangrijkste functie is het ontvangen van commando's voor de spilsnelheid, besturing en start-stop die door het CNC-apparaat worden uitgevoerd; Uitwisseling van gereedschapsselectie; Start-stopinstructies voor koel- en smeerapparaten; De hulpcommandosignalen voor het losmaken en vastklemmen van de rotatie van werkstukken en werktuigmachinecomponenten op de werktafel, evenals de statussignalen van detectieschakelaars op de werktuigmachine, worden rechtstreeks aangestuurd door de noodzakelijke compilatie, logische beoordeling en vermogensversterking om de overeenkomstige uitvoeringscomponenten aan te sturen , het aandrijven van de mechanische componenten van de werktuigmachine, hydraulische en pneumatische hulpapparatuur om de acties te voltooien die in de instructies zijn gespecificeerd. Het is meestal samengesteld uit een PLC en een hoogspanningsbesturingscircuit, en PLC kan worden geïntegreerd met een CNC-structuur (ingebouwde PLC) of relatief onafhankelijk (externe PLC).
Het gereedschapswerktuiglichaam is het mechanische structurele onderdeel van een CNC-werktuigmachine, dat ook bestaat uit het hoofdtransmissiesysteem, het toevoertransmissiesysteem, het bed, de werktafel, hulpbewegingsapparatuur, het hydraulische pneumatische systeem, het smeersysteem, het koelapparaat, de spaanverwijdering, beveiligingssysteem en andere onderdelen. Maar om aan de eisen van CNC te voldoen en de prestaties van de werktuigmachine volledig te benutten, heeft deze aanzienlijke veranderingen ondergaan in de algehele lay-out, het uiterlijk, de structuur van het transmissiesysteem, het gereedschapssysteem en de operationele prestaties. De mechanische componenten van de werktuigmachine omvatten het bed, de doos, de kolom, de geleiderail, de werkbank, de spil, het toevoermechanisme, het gereedschapswisselmechanisme, enz.
Principes van CNC-bewerking
Op traditionele gereedschapsmachines voor het snijden van metaal moeten operators bij het bewerken van onderdelen voortdurend de parameters van het bewegingstraject en de snelheid van het gereedschap wijzigen volgens de vereisten van de tekening, zodat het gereedschap het werkstuk kan snijden en uiteindelijk gekwalificeerde onderdelen kan produceren.
Bij de bewerking van CNC-bewerkingsmachines wordt in essentie het principe van differentiatie toegepast. Het werkingsprincipe en proces kunnen als volgt kort worden beschreven
Het numerieke besturingsapparaat differentieert het gereedschapspad volgens de vereisten van het bewerkingsprogramma volgens de corresponderende coördinatenas van de werktuigmachine, met de minimale bewegingshoeveelheid (pulsequivalent) (△ X, △ Y in figuur 1-2), en berekent het aantal pulsen dat op elke coördinatenas moet worden verplaatst.
De interpolatiesoftware of het interpolatiealgoritme van het CNC-apparaat wordt gebruikt om het vereiste traject aan te passen aan een equivalente lijn in eenheden van "minimale bewegingseenheid" en de passende lijn te vinden die het dichtst bij het theoretische traject ligt.
③ Het CNC-apparaat wijst continu voedingspulsen toe aan de overeenkomstige coördinatenas op basis van het traject van de aangebrachte lijn, en drijft de coördinatenas van de machine aan om te bewegen volgens de toegewezen puls via servoaandrijving.
Uit het bovenstaande blijkt in de eerste plaats dat, zolang de minimale beweging (pulsequivalent) van de CNC-bewerkingsmachine klein genoeg is, de gebruikte paslijn de theoretische curve effectief kan vervangen. Ten tweede kan, zolang de pulsverdelingsmethode van de coördinatenas wordt gewijzigd, de vorm van de passende lijn worden gewijzigd, waardoor het doel van het veranderen van het bewerkingstraject wordt bereikt. Ten derde kan, zolang de frequentie van de toegewezen puls wordt gewijzigd, de bewegingssnelheid van de coördinatenas (gereedschap) worden gewijzigd. Hiermee wordt het fundamentele doel bereikt van het beheersen van het gereedschapsbewegingstraject in CNC-bewerkingsmachines.
De methode voor het bepalen van enkele tussenliggende punten tussen bekende punten in een ideaal traject (contour) op basis van een gegeven wiskundige functie, door middel van verdichting van gegevenspunten, wordt interpolatie genoemd. Het aantal coördinaatassen dat gelijktijdig aan de interpolatie kan deelnemen, wordt het aantal verbindingsassen genoemd. Het is duidelijk dat hoe meer koppelingsassen een CNC-bewerkingsmachine heeft, hoe sterker de prestaties bij het bewerken van contouren. Daarom is het aantal verbindingsassen een belangrijke technische indicator voor het meten van de prestaties van CNC-bewerkingsmachines.
