Töluleg stýritækni og CNC vélaverkfæri
Töluleg stýritækni, skammstafað NC (Numerical Control), er leið til að stjórna vélrænum hreyfingum og vinnsluferlum með hjálp stafrænna upplýsinga. Nú á dögum, þar sem nútíma töluleg stýringatækni notar almennt tölvustýringu, er hún einnig þekkt sem tölvustýrð töluleg stýring (Computerized Numerical Control – CNC).
Til að ná fram stafrænni upplýsingastýringu á vélrænum hreyfingum og vinnsluferlum verður að útbúa samsvarandi vélbúnað og hugbúnað. Samanlagt vélbúnaður og hugbúnaður sem notaður er til að framkvæma stafræna upplýsingastýringu kallast tölulegt stýrikerfi (Numerical Control System) og kjarninn í tölulegu stýrikerfinu er tölulegi stýribúnaðurinn (Numerical Controller).
Vélar sem stjórnað er með tölulegri stýritækni eru kallaðar CNC vélar (NC vélar). Þetta er dæmigerð vélræn vara sem samþættir ítarlega háþróaða tækni eins og tölvutækni, sjálfvirka stýritækni, nákvæmni mælingatækni og hönnun véla. Þetta er hornsteinn nútíma framleiðslutækni. Stýring véla er elsta og mest notaða svið tölulegrar stýritækni. Þess vegna endurspeglar stig CNC véla að mestu leyti afköst, stig og þróunarþróun núverandi tölulegrar stýritækni.
Það eru til ýmsar gerðir af CNC-vélum, þar á meðal borvélar, fræsingarvélar og skurðvélar, beygjuvélar, slípivélar, rafmagnsúthleðsluvélar, smíðavélar, leysigeislavinnsluvélar og aðrar sérhæfðar CNC-vélar með tiltekna notkun. Sérhver vél sem stjórnað er með tölulegri stýritækni er flokkuð sem NC-vél.
Þær CNC vélar sem eru búnar sjálfvirkum verkfæraskipti ATC (Automatic Tool Changer – ATC), að undanskildum CNC rennibekkjum með snúningsverkfærahöldum, eru skilgreindar sem vinnslumiðstöðvar (Machine Center – MC). Með sjálfvirkri verkfæraskiptingu geta vinnustykki lokið mörgum vinnsluferlum í einni klemmu, sem nær fram samþættingu ferla og samsetningu ferla. Þetta styttir verulega aukavinnslutíma og bætir vinnuhagkvæmni vélarinnar. Samtímis dregur það úr fjölda uppsetninga og staðsetninga vinnustykkis, sem eykur nákvæmni vinnslunnar. Vélvinnslumiðstöðvar eru nú sú tegund CNC vélar sem hefur mesta afköst og víðtækasta notkun.
Með því að bæta við sjálfvirkum skiptibúnaði fyrir mörg vinnuborð (bretti) (Auto Pallet Changer – APC) og öðrum skyldum tækjum, kallast vinnslueiningin sveigjanleg framleiðslueining (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC nær ekki aðeins að einbeita ferlum og samsetningu ferla heldur getur hún einnig, með sjálfvirkri skiptingu vinnuborða (bretta) og tiltölulega fullkominni sjálfvirkri eftirlits- og stjórnunarvirkni, framkvæmt ómönnuð vinnslu í ákveðinn tíma og þar með bætt enn frekar vinnsluhagkvæmni búnaðarins. FMC er ekki aðeins grunnurinn að sveigjanlega framleiðslukerfinu FMS (Flexible Manufacturing System) heldur er einnig hægt að nota það sem sjálfstæðan sjálfvirkan vinnslubúnað. Þess vegna er þróunarhraði þess nokkuð mikill.
Slíkt framleiðslukerfi, sem byggir á FMC og vinnslustöðvum, er kallað sveigjanlegt framleiðslukerfi (FMS - Flexible Manufacturing System) með því að bæta við flutningakerfum, iðnaðarvélmennum og tengdum búnaði, og er stjórnað og stýrt af miðlægu stjórnkerfi á miðlægan og sameinaðan hátt. FMS getur ekki aðeins framkvæmt ómönnuð vinnslu í langan tíma heldur einnig náð fram heildarvinnslu á ýmsum gerðum hluta og samsetningar íhluta, sem gerir framleiðsluferli verkstæðisins sjálfvirkara. Þetta er mjög sjálfvirkt og háþróað framleiðslukerfi.
Með sífelldum framförum vísinda og tækni, til að aðlagast breyttum aðstæðum markaðseftirspurnar, er ekki aðeins nauðsynlegt fyrir nútíma framleiðslu að efla sjálfvirkni framleiðsluferlisins í verkstæðum heldur einnig að ná fram alhliða sjálfvirkni, allt frá markaðsspám, ákvarðanatöku í framleiðslu, vöruhönnun og framleiðslu til sölu. Allt framleiðslu- og framleiðslukerfið sem myndast með því að samþætta þessar kröfur kallast tölvusamþætt framleiðslukerfi (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS samþættir á lífrænan hátt lengri framleiðslu- og viðskiptastarfsemi, sem nær fram skilvirkari og sveigjanlegri greindri framleiðslu, sem er hæsta stig þróunar sjálfvirkrar framleiðslutækni nútímans. Í CIMS er ekki aðeins samþætting framleiðslutækja, heldur, mikilvægara, samþætting tækni og virkni sem einkennist af upplýsingum. Tölvan er samþættingartækið, tölvustýrð sjálfvirk einingatækni er grundvöllur samþættingarinnar og skipti og miðlun upplýsinga og gagna er brú samþættingarinnar. Lokaafurðina má líta á sem efnislega birtingarmynd upplýsinga og gagna.
Tölulegt stýrikerfi og íhlutir þess
Grunnþættir tölulegrar stýrikerfis
Tölulegt stýrikerfi CNC-véla er kjarninn í öllum tölulegum stýribúnaði. Helsta stjórnunarmarkmið tölulega stýrikerfisins er tilfærsla hnitaásanna (þar á meðal hreyfingarhraði, stefna, staðsetning o.s.frv.) og stjórnunarupplýsingar þess koma aðallega frá tölulegri stýrivinnslu eða hreyfistýringarforritum. Þess vegna ættu grunnþættir tölulega stýrikerfisins að innihalda: inntaks-/úttaksbúnað forritsins, tölulega stýribúnaðinn og servódrifið.
Hlutverk inntaks-/úttakstækisins er að færa inn og út gögn eins og töluleg stýringarvinnslu eða hreyfistýringarforrit, vinnslu- og stýrigögn, breytur vélbúnaðar, staðsetningar ása og stöðu skynjararofa. Lyklaborð og skjár eru grunninntaks-/úttakstækin sem nauðsynleg eru fyrir allan tölulegan stýribúnað. Að auki, eftir því hvaða tölulega stýrikerfi er um að ræða, er einnig hægt að útbúa tæki eins og ljósnema, segulbandstæki eða disklingadrif. Sem jaðartæki er tölvan nú eitt af algengustu inntaks-/úttakstækjunum.
Töluleg stýritæki er kjarninn í tölulegu stýrikerfi. Það samanstendur af inntaks-/úttaksviðmótsrásum, stýringum, reiknieiningum og minni. Hlutverk tölulegu stýritækisins er að safna saman, reikna út og vinna úr gögnum sem inntakstækið slær inn í gegnum innri rökrás eða stýrihugbúnað og gefa út ýmsar gerðir upplýsinga og leiðbeininga til að stjórna ýmsum hlutum vélarinnar til að framkvæma tilteknar aðgerðir.
Meðal þessara stýriupplýsinga og leiðbeininga eru þær grundvallaratriði fóðrunarhraði, fóðrunarátt og fóðrunarfærsluleiðbeiningar hnitaásanna. Þær eru búnar til eftir innreikninga, sendar til servódrifsins, magnaðar upp af drifbúnaðinum og stjórna að lokum færslu hnitaásanna. Þetta ákvarðar beint hreyfingarferil verkfærisins eða hnitaásanna.
Að auki, eftir því hvaða kerfi og búnaður er um að ræða, til dæmis á CNC vél, geta einnig verið leiðbeiningar eins og snúningshraði, átt, ræsing/stöðvun spindilsins; leiðbeiningar um verkfæraval og skipti; ræsingar/stöðvunarleiðbeiningar fyrir kæli- og smurbúnað; leiðbeiningar um losun og klemmu vinnustykkis; vísitölustilling vinnuborðsins og aðrar hjálparleiðbeiningar. Í tölulegu stýrikerfinu eru þær sendar ytri hjálparstýritæki í formi merkja í gegnum viðmótið. Hjálparstýritækið framkvæmir nauðsynlegar samantektir og rökfræðilegar aðgerðir á ofangreindum merkjum, magnar þau og knýr samsvarandi stýribúnaði til að knýja vélræna íhluti, vökva- og loftknúna hjálpartæki vélarinnar til að ljúka aðgerðunum sem tilgreindar eru í leiðbeiningunum.
Servódrifið samanstendur venjulega af servómagnurum (einnig þekktum sem drifum, servóeiningum) og stýribúnaði. Í CNC-vélum eru AC-servómótorar almennt notaðir sem stýribúnaðir nú til dags; í háþróaðri hraðvinnsluvélum hefur verið farið að nota línulega mótora. Að auki, í CNC-vélum sem framleiddar voru fyrir níunda áratuginn, voru dæmi um notkun jafnstraumsservómótora; fyrir einfaldar CNC-vélar voru skrefmótorar einnig notaðir sem stýribúnaðir. Form servómagnarans fer eftir stýribúnaðinum og verður að nota hann í tengslum við drifmótorinn.
Ofangreint eru grunnþættir tölulegs stýrikerfis. Með sífelldri þróun tölulegrar stýritækni og framförum á afköstum véla eru kröfur um virkni kerfisins einnig að aukast. Til að uppfylla stjórnunarkröfur mismunandi véla, tryggja heilleika og einsleitni tölulega stýrikerfisins og auðvelda notkun notenda, eru algeng háþróuð töluleg stýrikerfi venjulega með innri forritanlegan stýringu sem hjálparstýribúnað vélarinnar. Að auki, á málmskurðarvélum, getur spindildrifbúnaðurinn einnig orðið hluti af tölulega stýrikerfinu; á lokaðri CNC vélum eru mæli- og greiningartæki einnig ómissandi fyrir tölulega stýrikerfið. Fyrir háþróuð töluleg stýrikerfi er stundum jafnvel tölva notuð sem mann-vélaviðmót kerfisins og fyrir gagnastjórnun og inntaks-/úttakstæki, sem gerir virkni tölulega stýrikerfisins öflugri og afköstin fullkomnari.
Að lokum má segja að samsetning tölulegs stýrikerfis velti fyrir sér afköstum stýrikerfisins og sérstökum stýrikröfum búnaðarins. Það er verulegur munur á uppsetningu þess og samsetningu. Auk þriggja grunnþátta inntaks-/úttaksbúnaðar vinnsluforritsins, tölulegs stýritækis og servódrifs, geta verið fleiri stýritæki. Strikamerkti kassinn á mynd 1-1 sýnir tölulega stýrikerfið í tölvu.
Hugtökin NC, CNC, SV og PLC
NC (CNC), SV og PLC (PC, PMC) eru mjög algengar enskar skammstafanir í tölulegum stýribúnaði og hafa mismunandi merkingu í mismunandi tilefnum í hagnýtum forritum.
NC (CNC): NC og CNC eru algengar enskar skammstafanir fyrir Numerical Control og Computerized Numerical Control, talið í sömu röð. Þar sem nútíma töluleg stýring notar öll tölvustýringu má líta svo á að merking NC og CNC sé alveg sú sama. Í verkfræði hefur NC (CNC) venjulega þrjár mismunandi merkingar, allt eftir notkunartilvikum: Í víðum skilningi táknar það stýritækni – tölulega stýritækni; í þröngum skilningi táknar það einingu stjórnkerfis – tölulega stýrikerfið; og að auki getur það einnig táknað tiltekið stýritæki – tölulega stýritækið.
SV: SV er algeng enska skammstöfun fyrir servódrif (Servo Drive, skammstafað sem servo). Samkvæmt japanska JIS staðlinum er það „stjórnkerfi sem tekur staðsetningu, stefnu og ástand hlutar sem stýristærðir og fylgist með handahófskenndum breytingum á markgildinu.“ Í stuttu máli er það stjórntæki sem getur sjálfkrafa fylgt eðlisfræðilegum stærðum eins og markstöðu.
Í CNC-vélum birtist hlutverk servódrifsins aðallega í tveimur þáttum: Í fyrsta lagi gerir það hnitaöxunum kleift að starfa á þeim hraða sem töluleg stýribúnaður gefur upp; í öðru lagi gerir það kleift að staðsetja hnitaöxana í samræmi við stöðuna sem töluleg stýribúnaður gefur upp.
Stjórnhlutir servódrifsins eru venjulega tilfærsla og hraði hnitaása vélarinnar; stýribúnaðurinn er servómótor; sá hluti sem stýrir og magnar inntaksmerkið er oft kallaður servómagnari (einnig þekktur sem drif, magnari, servóeining o.s.frv.), sem er kjarninn í servódrifinu.
Servódrifið er ekki aðeins hægt að nota í tengslum við tölulega stýringu heldur einnig eitt og sér sem staðsetningar- (hraða) fylgikerfi. Þess vegna er það einnig oft kallað servókerfi. Í fyrri tölulegum stýrikerfum var staðsetningarstýringin almennt samþætt við CNC og servódrifið framkvæmdi aðeins hraðastýringu. Þess vegna var servódrifið oft kallað hraðastýringareining.
PLC: PC er enska skammstöfunin fyrir Programmable Controller. Með vaxandi vinsældum einkatölva, til að forðast rugling við einkatölvur (einnig kallaðar PC), eru forritanlegir stýringar nú almennt kallaðir forritanlegir rökfræðistýringar (Programmable Logic Controller – PLC) eða forritanlegir vélstýringar (Programmable Machine Controller – PMC). Þess vegna hafa PC, PLC og PMC nákvæmlega sömu merkingu á CNC vélum.
PLC-stýring hefur þá kosti að vera hröð viðbrögð, áreiðanleg, þægileg í notkun, auðveld forritun og kembiforritun og getur stjórnað sumum rafmagnstækjum beint. Þess vegna er hún mikið notuð sem hjálparstýritæki fyrir tölulegan stýribúnað. Eins og er eru flest töluleg stýrikerfi með innbyggða PLC-stýringu til að vinna úr hjálparleiðbeiningum CNC-véla, sem einfaldar hjálparstýribúnað vélarinnar til muna. Að auki, í mörgum tilfellum, með sérstökum virknieiningum eins og ásstýringareiningum og staðsetningareiningum PLC-stýringarinnar, er einnig hægt að nota PLC-stýringuna beint til að ná punktstöðustýringu, línulegri stýringu og einfaldri jaðarstýringu, og mynda sérstakar CNC-vélar eða CNC framleiðslulínur.
Samsetning og vinnsluregla CNC véla
Grunnuppsetning CNC véla
CNC vélar eru algengasta tölulega stýribúnaðurinn. Til að skýra grunnuppbyggingu CNC vélar er fyrst nauðsynlegt að greina vinnuferli þeirra við vinnslu hluta. Til að vinna úr hlutum á CNC vélar er hægt að framkvæma eftirfarandi skref:
Samkvæmt teikningum og vinnsluáætlunum hlutanna sem á að vinna úr, með því að nota fyrirskipaða kóða og forritasnið, skal skrifa hreyfibraut verkfæranna, vinnsluferlið, ferlisbreytur, skurðarbreytur o.s.frv. inn í leiðbeiningarform sem tölulegt stýrikerfi þekkir, þ.e. skrifa vinnsluforritið.
Sláðu inn skrifaða vinnsluforritið í tölulega stýribúnaðinn.
Töluleg stjórntæki afkóða og vinnur inntaksforritið (kóðann) og sendir samsvarandi stjórnmerki til servódrifbúnaðarins og hjálparvirknistýribúnaðar hvers hnitásar til að stjórna hreyfingu hvers íhlutar vélarinnar.
Meðan á hreyfingu stendur þarf tölulegt stýrikerfi að greina staðsetningu hnitaása vélarinnar, stöðu akstursrofa o.s.frv. hvenær sem er og bera þau saman við kröfur forritsins til að ákvarða næstu aðgerð þar til hæfir hlutar eru unnir.
Rekstraraðili getur fylgst með og skoðað vinnsluskilyrði og vinnustöðu vélarinnar hvenær sem er. Ef nauðsyn krefur þarf einnig að aðlaga aðgerðir vélarinnar og vinnsluforrit til að tryggja örugga og áreiðanlega notkun vélarinnar.
Það má sjá að sem grunnuppsetning CNC-véla ætti hún að innihalda: inntaks-/úttakstæki, töluleg stýritæki, servódrif og afturvirk tæki, hjálparstýritæki og vélbúnaðinn.
Samsetning CNC véla
Tölulegt stýrikerfi er notað til að ná fram vinnslustýringu á vélbúnaðinum. Eins og er nota flest töluleg stýrikerfi tölvustýringu (þ.e. CNC). Inntaks-/úttaksbúnaðurinn, tölulegi stýribúnaðurinn, servódrifið og afturvirkibúnaðurinn á myndinni mynda saman tölulega stýrikerfið fyrir vélbúnaðinn og hlutverk þess hefur verið lýst hér að ofan. Hér á eftir eru aðrir íhlutir kynntir í stuttu máli.
Mælitæki sem gefur afturvirkt svar: Þetta er greiningartengill lokaðrar (hálflokaðrar) CNC-véla. Hlutverk þess er að greina hraða og tilfærslu raunverulegrar tilfærslu stýritækisins (eins og verkfærahaldarans) eða vinnuborðsins með nútímalegum mælitækjum eins og púlskóðurum, upplausnartækjum, samstillingartækjum fyrir rafmagn, grindum, segulvogum og leysigeislamælitækjum og senda þau aftur til servódrifstækisins eða tölulegs stýritækis og bæta upp fyrir fóðrunarhraða eða hreyfivillu stýritækisins til að ná því markmiði að bæta nákvæmni hreyfikerfisins. Uppsetningarstaða greiningartækisins og staðsetningin þar sem greiningarmerkið er sent aftur fer eftir uppbyggingu tölulegs stýrikerfisins. Innbyggðir servó-púlskóðarar, snúningshraðamælar og línuleg grindur eru algengar greiningaríhlutir.
Þar sem háþróaðir servóar nota allir stafræna servó-driftækni (kallað stafrænt servó), er venjulega notaður rúta til að tengja servó-drifið og tölulega stýribúnaðinn; í flestum tilfellum er afturvirkt merki tengt við servó-drifið og sent til tölulega stýribúnaðarins í gegnum rútuna. Aðeins í einstaka tilfellum eða þegar notaðir eru hliðrænir servó-drif (almennt þekktir sem hliðrænir servóar), þarf afturvirkt merki að vera tengt beint við tölulega stýribúnaðinn.
Hjálparstýrikerfi og fóðrunarflutningskerfi: Það er staðsett á milli tölustýritækisins og vélrænna og vökvafræðilegra íhluta vélarinnar. Helsta hlutverk þess er að taka á móti snúningshraða, stefnu og ræsingar-/stöðvunarleiðbeiningum frá tölustýritækinu; leiðbeiningum um verkfæraval og skipti; ræsingar-/stöðvunarleiðbeiningum fyrir kæli- og smurbúnað; hjálparleiðbeiningarmerki eins og losun og klemmu á vinnustykkjum og vélbúnaði, flokkun vinnuborðsins og stöðumerki frá skynjararofum á vélinni. Eftir nauðsynlega samantekt, rökfræðilega dómgreind og aflsmögnun eru samsvarandi stýringar beint knúnar til að knýja vélræna íhluti, vökva- og loftknúna hjálpartæki vélarinnar til að ljúka aðgerðunum sem tilgreindar eru í leiðbeiningunum. Það er venjulega samsett úr PLC og sterkstraumsstýringarrás. PLC getur verið samþætt við CNC í uppbyggingu (innbyggð PLC) eða tiltölulega sjálfstæð (ytri PLC).
Vélbúnaðarbyggingin, þ.e. vélræn uppbygging CNC-vélarinnar, samanstendur einnig af aðal drifkerfum, fóðrunarkerfum, bekkjum, vinnuborðum, hjálparhreyfibúnaði, vökva- og loftkerfum, smurkerfum, kælibúnaði, flísafjarlægingarkerfum, verndarkerfum og öðrum hlutum. Til að uppfylla kröfur um tölulega stýringu og gefa vélbúnaðinum fullan leik hefur hún hins vegar gengist undir verulegar breytingar hvað varðar heildarútlit, útlitshönnun, uppbyggingu gírkassa, verkfærakerfi og rekstrarafköst. Vélrænir íhlutir vélbúnaðarins eru meðal annars bekkur, kassi, dálkur, leiðarbraut, vinnuborð, snælda, fóðrunarkerfi, verkfæraskiptakerfi o.s.frv.
Meginreglan um CNC vinnslu
Í hefðbundnum málmskurðarvélum þarf rekstraraðilinn stöðugt að breyta breytum eins og hreyfibraut og hreyfihraða verkfærisins í samræmi við kröfur teikningarinnar þegar hann vinnur úr hlutum, þannig að verkfærið framkvæmi skurðvinnslu á vinnustykkinu og vinnur að lokum úr hæfum hlutum.
Vinnsla á CNC-vélum notar í meginatriðum „mismunadreifingarregluna“. Virknisreglunni og ferlinu má lýsa stuttlega á eftirfarandi hátt:
Samkvæmt þeirri braut verkfærisins sem vinnsluforritið krefst, aðgreinir tölulega stýribúnaðurinn brautina meðfram samsvarandi hnitásum vélarinnar með lágmarks hreyfingarmagni (púlsjafngildi) (△X, △Y á mynd 1-2) og reiknar út fjölda púlsa sem hver hnitás þarf að hreyfa.
Með „interpoleringshugbúnaði“ eða „interpoleringsreiknivél“ tölulega stýritækisins er nauðsynleg braut útbúin með samsvarandi fjöllínu í einingum „lágmarkshreyfingareiningar“ og sú fjöllína sem er næst fræðilegu brautinni er fundin.
Samkvæmt braut festu pólýlínunnar úthlutar tölulega stýribúnaðurinn stöðugt fóðrunarpúlsum til samsvarandi hnitása og gerir hnitásum vélarinnar kleift að hreyfast í samræmi við úthlutaða púlsa með servódrifinu.
Það má sjá að: Í fyrsta lagi, svo lengi sem lágmarkshreyfingarmagn (púlsjafngildi) CNC-vélarinnar er nógu lítið, er hægt að skipta út fræðilegu ferilinn með aðlögunarlínunni. Í öðru lagi, svo lengi sem púlsúthlutunaraðferð hnitaásanna er breytt, er hægt að breyta lögun aðlögunarlínunnar og þannig ná þeim tilgangi að breyta vinnsluferlinum. Í þriðja lagi, svo lengi sem tíðni...