Skaitliskās vadības tehnoloģija un CNC darbgaldi
Skaitliskās vadības tehnoloģija, saīsināti NC (Numerical Control), ir mehānisku kustību un apstrādes procedūru vadības līdzeklis, izmantojot digitālu informāciju. Pašlaik, tā kā mūsdienu skaitliskā vadība parasti izmanto datorvadību, to sauc arī par datorizētu skaitlisko vadību (CNC).
Lai panāktu mehānisko kustību un apstrādes procesu digitālo informācijas vadību, ir nepieciešama atbilstoša aparatūra un programmatūra. Digitālās informācijas vadības ieviešanai izmantotās aparatūras un programmatūras kopumu sauc par ciparu vadības sistēmu (Numerical Control System), un ciparu vadības sistēmas kodols ir ciparu vadības ierīce (Numerical Controller).
Mašīnas, kuras kontrolē ciparu vadības tehnoloģija, sauc par CNC darbgaldiem (NC darbgaldi). Šis ir tipisks mehatronisks produkts, kas visaptveroši integrē tādas progresīvas tehnoloģijas kā datortehnoloģijas, automātiskās vadības tehnoloģijas, precīzijas mērīšanas tehnoloģijas un darbgaldu dizainu. Tas ir mūsdienu ražošanas tehnoloģiju stūrakmens. Darbgaldu vadība ir agrākā un visplašāk pielietotā ciparu vadības tehnoloģijas joma. Tāpēc CNC darbgaldu līmenis lielā mērā atspoguļo pašreizējās ciparu vadības tehnoloģijas veiktspēju, līmeni un attīstības tendences.
Ir dažādi CNC darbgaldu veidi, tostarp urbšanas, frēzēšanas un izvirpošanas darbgaldi, virpošanas darbgaldi, slīpēšanas darbgaldi, elektroerozijas apstrādes darbgaldi, kalšanas darbgaldi, lāzerapstrādes darbgaldi un citi speciāla pielietojuma CNC darbgaldi. Jebkurš darbgalds, ko kontrolē ciparu vadības tehnoloģija, tiek klasificēts kā NC darbgalds.
Tie CNC darbgaldi, kas aprīkoti ar automātisko instrumentu mainītāju ATC (Automatic Tool Changer – ATC), izņemot CNC virpas ar rotējošiem instrumentu turētājiem, tiek definēti kā apstrādes centri (Machine Center – MC). Pateicoties instrumentu automātiskai nomaiņai, sagataves var veikt vairākas apstrādes procedūras vienā stiprinājumā, panākot procesu koncentrāciju un procesu kombināciju. Tas efektīvi saīsina palīgapstrādes laiku un uzlabo darbgalda darba efektivitāti. Vienlaikus tas samazina sagataves uzstādīšanu un pozicionēšanu, uzlabojot apstrādes precizitāti. Apstrādes centri pašlaik ir CNC darbgaldu veids ar vislielāko jaudu un visplašāko pielietojumu.
Balstoties uz CNC darbgaldiem, pievienojot vairāku darbagaldu (palešu) automātiskās apmaiņas ierīces (Auto Pallet Changer – APC) un citas saistītas ierīces, iegūto apstrādes vienību sauc par elastīgu ražošanas šūnu (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC ne tikai realizē procesu koncentrāciju un procesu apvienošanu, bet arī, pateicoties darbagaldu (palešu) automātiskai apmaiņai un relatīvi pilnīgām automātiskās uzraudzības un vadības funkcijām, noteiktu laika periodu var veikt bezpilota apstrādi, tādējādi vēl vairāk uzlabojot iekārtu apstrādes efektivitāti. FMC ir ne tikai elastīgās ražošanas sistēmas FMS (Flexible Manufacturing System) pamats, bet to var izmantot arī kā neatkarīgu automatizētu apstrādes iekārtu. Tāpēc tās izstrādes ātrums ir diezgan straujš.
Pamatojoties uz FMC un apstrādes centriem, pievienojot loģistikas sistēmas, rūpnieciskos robotus un saistīto aprīkojumu, un kontrolējot un pārvaldot centrālās vadības sistēmas centralizētā un vienotā veidā, šādu ražošanas sistēmu sauc par elastīgu ražošanas sistēmu FMS (Flexible Manufacturing System). FMS var ne tikai veikt bezpilota apstrādi ilgstoši, bet arī panākt dažādu veidu detaļu un komponentu montāžas pilnīgu apstrādi, panākot darbnīcas ražošanas procesa automatizāciju. Tā ir augsti automatizēta, uzlabota ražošanas sistēma.
Līdz ar zinātnes un tehnoloģiju nepārtraukto attīstību, lai pielāgotos mainīgajai tirgus pieprasījuma situācijai, mūsdienu ražošanā ir ne tikai jāveicina darbnīcas ražošanas procesa automatizācija, bet arī jāpanāk visaptveroša automatizācija, sākot no tirgus prognozēšanas, ražošanas lēmumu pieņemšanas, produktu projektēšanas, produktu ražošanas līdz produktu pārdošanai. Pilnīgu ražošanas un ražošanas sistēmu, kas izveidota, integrējot šīs prasības, sauc par datorintegrētu ražošanas sistēmu (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS organiski integrē ilgāku ražošanas un uzņēmējdarbības darbību, panākot efektīvāku un elastīgāku intelektuālu ražošanu, kas ir mūsdienu automatizētās ražošanas tehnoloģijas attīstības augstākais posms. CIMS ne tikai ražošanas iekārtu integrācija, bet, vēl svarīgāk, tehnoloģiju integrācija un funkciju integrācija, ko raksturo informācija. Dators ir integrācijas rīks, datorizētas automatizētas vienības tehnoloģija ir integrācijas pamats, un informācijas un datu apmaiņa un koplietošana ir integrācijas tilts. Galaproduktu var uzskatīt par informācijas un datu materiālu izpausmi.
Skaitliskās vadības sistēma un tās sastāvdaļas
Skaitliskās vadības sistēmas pamatkomponenti
CNC darbgalda ciparu vadības sistēma ir visu ciparu vadības iekārtu kodols. Skaitliskās vadības sistēmas galvenais vadības objekts ir koordinātu asu pārvietošana (ieskaitot kustības ātrumu, virzienu, pozīciju utt.), un tās vadības informācija galvenokārt nāk no ciparu vadības apstrādes vai kustības vadības programmām. Tāpēc ciparu vadības sistēmas pamatkomponentiem jāietver: programmas ievades/izvades ierīce, ciparu vadības ierīce un servo piedziņa.
Ievades/izvades ierīces uzdevums ir ievadīt un izvadīt datus, piemēram, ciparu vadības apstrādes vai kustības vadības programmas, apstrādes un vadības datus, darbgaldu parametrus, koordinātu asu pozīcijas un noteikšanas slēdžu statusu. Tastatūra un displejs ir visvienkāršākās ievades/izvades ierīces, kas nepieciešamas jebkurai ciparu vadības iekārtai. Turklāt atkarībā no ciparu vadības sistēmas var būt aprīkotas arī ar tādām ierīcēm kā fotoelektriskie lasītāji, lenšu diskdziņi vai diskešu diskdziņi. Kā perifērijas ierīce dators pašlaik ir viena no visbiežāk izmantotajām ievades/izvades ierīcēm.
Skaitliskās vadības ierīce ir skaitliskās vadības sistēmas galvenā sastāvdaļa. Tā sastāv no ievades/izvades saskarnes shēmām, kontrolleriem, aritmētiskajām vienībām un atmiņas. Skaitliskās vadības ierīces uzdevums ir apkopot, aprēķināt un apstrādāt datus, ko ievada ievades ierīce, izmantojot iekšējo loģisko shēmu vai vadības programmatūru, un izvadīt dažāda veida informāciju un instrukcijas, lai vadītu dažādas darbgalda daļas noteiktu darbību veikšanai.
Starp šo vadības informāciju un instrukcijām visvienkāršākās ir padeves ātruma, padeves virziena un padeves pārvietošanas instrukcijas koordinātu asīm. Tās tiek ģenerētas pēc interpolācijas aprēķiniem, piegādātas servo piedziņai, pastiprinātas ar vadītāja palīdzību un galu galā kontrolē koordinātu asu pārvietošanu. Tas tieši nosaka instrumenta vai koordinātu asu kustības trajektoriju.
Turklāt, atkarībā no sistēmas un aprīkojuma, piemēram, CNC darbgalda, var būt arī tādas instrukcijas kā griešanās ātrums, virziens, vārpstas iedarbināšana/apturēšana; instrumentu izvēles un maiņas instrukcijas; dzesēšanas un eļļošanas ierīču iedarbināšanas/apturēšanas instrukcijas; sagataves atbrīvošanas un nostiprināšanas instrukcijas; darbagalda indeksēšanas un citas palīginstrukcijas. Skaitliskās vadības sistēmā tās tiek piegādātas ārējai palīgvadības ierīcei signālu veidā, izmantojot saskarni. Palīgierīce veic nepieciešamo iepriekš minēto signālu apkopošanu un loģiskās darbības, tos pastiprina un darbina atbilstošos izpildmehānismus, lai darbgalda mehāniskās sastāvdaļas, hidrauliskās un pneimatiskās palīgierīces darbinātu instrukcijās norādīto darbību veikšanai.
Servo piedziņa parasti sastāv no servo pastiprinātājiem (pazīstamiem arī kā vadītājiem, servo blokiem) un izpildmehānismiem. CNC darbgaldos pašlaik kā izpildmehānismus parasti izmanto maiņstrāvas servo motorus; modernās ātrgaitas apstrādes darbgaldos ir sākuši izmantot lineāros motorus. Turklāt CNC darbgaldos, kas ražoti pirms 20. gs. astoņdesmitajiem gadiem, bija gadījumi, kad tika izmantoti līdzstrāvas servo motori; vienkāršās CNC darbgaldos kā izpildmehānismi tika izmantoti arī soļu motori. Servo pastiprinātāja forma ir atkarīga no izpildmehānisma un jāizmanto kopā ar piedziņas motoru.
Iepriekš minētās ir ciparu vadības sistēmas visvienkāršākās sastāvdaļas. Līdz ar ciparu vadības tehnoloģiju nepārtrauktu attīstību un darbgaldu veiktspējas līmeņu uzlabošanos, arī sistēmas funkcionālās prasības pieaug. Lai izpildītu dažādu darbgaldu vadības prasības, nodrošinātu ciparu vadības sistēmas integritāti un vienmērīgumu, kā arī atvieglotu lietotāja lietošanu, bieži izmantotajām progresīvajām ciparu vadības sistēmām parasti ir iekšējs programmējams kontrolieris kā darbgalda palīgvadības ierīce. Turklāt metāla griešanas darbgaldos vārpstas piedziņas ierīce var kļūt arī par ciparu vadības sistēmas sastāvdaļu; slēgtas cilpas CNC darbgaldos mērīšanas un noteikšanas ierīces ir neaizstājamas arī ciparu vadības sistēmā. Progresīvās ciparu vadības sistēmās dažreiz pat dators tiek izmantots kā sistēmas cilvēka un mašīnas saskarne, kā arī datu pārvaldībai un ievades/izvades ierīcēm, tādējādi padarot ciparu vadības sistēmas funkcijas jaudīgākas un veiktspēju pilnīgāku.
Noslēgumā jāsaka, ka ciparu vadības sistēmas sastāvs ir atkarīgs no vadības sistēmas veiktspējas un iekārtas īpašajām vadības prasībām. Tās konfigurācijā un sastāvā pastāv būtiskas atšķirības. Papildus trim pamatkomponentiem – apstrādes programmas ievades/izvades ierīcei, ciparu vadības ierīcei un servo piedziņai – var būt arī citas vadības ierīces. 1.-1. attēlā punktētā lodziņa daļa attēlo datora ciparu vadības sistēmu.
NC, CNC, SV un PLC koncepcijas
NC (CNC), SV un PLC (PC, PMC) ir ļoti bieži lietoti angļu valodas saīsinājumi ciparu vadības iekārtās, un praktiskos pielietojumos tiem ir atšķirīga nozīme dažādos gadījumos.
NC (CNC): NC un CNC ir attiecīgi ciparu vadības un datorizētās ciparu vadības vispārpieņemtie saīsinājumi angļu valodā. Ņemot vērā, ka mūsdienu ciparu vadība izmanto datorvadību, var uzskatīt, ka NC un CNC nozīmes ir pilnīgi vienādas. Inženierzinātņu lietojumprogrammās atkarībā no lietošanas gadījuma NC (CNC) parasti ir trīs dažādas nozīmes: plašā nozīmē tas apzīmē vadības tehnoloģiju – ciparu vadības tehnoloģija; šaurā nozīmē tas apzīmē vadības sistēmas vienību – ciparu vadības sistēma; turklāt tas var apzīmēt arī konkrētu vadības ierīci – ciparu vadības ierīci.
SV: SV ir servo piedziņas (Servo Drive, saīsināti servo) vispārpieņemtais saīsinājums angļu valodā. Saskaņā ar Japānas JIS standarta noteikumiem tas ir "vadības mehānisms, kas ņem objekta pozīciju, virzienu un stāvokli kā vadības lielumus un izseko patvaļīgām izmaiņām mērķa vērtībā." Īsāk sakot, tā ir vadības ierīce, kas var automātiski sekot fiziskiem lielumiem, piemēram, mērķa pozīcijai.
CNC darbgaldos servopiedziņas loma galvenokārt izpaužas divos aspektos: pirmkārt, tā ļauj koordinātu asīm darboties ar ciparu vadības ierīces norādīto ātrumu; otrkārt, tā ļauj koordinātu asis novietot atbilstoši ciparu vadības ierīces norādītajai pozīcijai.
Servopiedziņas vadības objekti parasti ir darbgalda koordinātu asu pārvietojums un ātrums; izpildmehānisms ir servomotors; daļu, kas kontrolē un pastiprina ieejas komandas signālu, bieži sauc par servo pastiprinātāju (pazīstams arī kā draiveris, pastiprinātājs, servo bloks utt.), kas ir servopiedziņas kodols.
Servo piedziņu var izmantot ne tikai kopā ar ciparu vadības ierīci, bet arī atsevišķi kā pozīcijas (ātruma) pavadošo sistēmu. Tāpēc to bieži sauc arī par servo sistēmu. Agrīnajās ciparu vadības sistēmās pozīcijas vadības daļa parasti bija integrēta ar CNC, un servo piedziņa veica tikai ātruma kontroli. Tāpēc servo piedziņu bieži sauca par ātruma vadības bloku.
PLC: PC ir angļu valodas saīsinājums no Programmable Controller (programmējams kontrolieris). Pieaugot personālo datoru popularitātei, lai izvairītos no sajaukšanas ar personālajiem datoriem (sauktiem arī par PC), programmējamos kontrollerus tagad parasti sauc par programmējamiem loģiskajiem kontrolieriem (Programmalbe Logic Controller – PLC) vai programmējamiem mašīnu kontrolleriem (Programmable Machine Controller – PMC). Tāpēc CNC darbgaldos PC, PLC un PMC ir tieši viena un tā pati nozīme.
PLC priekšrocības ir ātra reaģēšana, uzticama veiktspēja, ērta lietošana, vienkārša programmēšana un atkļūdošana, un tas var tieši vadīt dažas darbgaldu elektriskās ierīces. Tāpēc to plaši izmanto kā palīgvadības ierīci ciparu vadības iekārtām. Pašlaik lielākajai daļai ciparu vadības sistēmu ir iekšējais PLC CNC darbgaldu palīginstrukciju apstrādei, tādējādi ievērojami vienkāršojot darbgalda palīgvadības ierīci. Turklāt daudzos gadījumos, izmantojot īpašus funkcionālos moduļus, piemēram, PLC asu vadības moduli un pozicionēšanas moduli, PLC var tieši izmantot arī punktu pozīcijas kontrolei, lineārai kontrolei un vienkāršai kontūru kontrolei, veidojot īpašas CNC darbgaldu iekārtas vai CNC ražošanas līnijas.
CNC darbgaldu sastāvs un apstrādes princips
CNC darbgaldu pamatsastāvs
CNC darbgaldi ir visizplatītākās ciparu vadības iekārtas. Lai noskaidrotu CNC darbgaldu pamatsastāvu, vispirms ir jāanalizē CNC darbgaldu darba process detaļu apstrādei. CNC darbgaldos detaļu apstrādei var īstenot šādus soļus:
Saskaņā ar apstrādājamo detaļu rasējumiem un procesa plāniem, izmantojot noteiktos kodus un programmu formātus, ciparu vadības sistēmai atpazīstamā instrukciju formā ierakstiet instrumentu kustības trajektoriju, apstrādes procesu, procesa parametrus, griešanas parametrus utt., tas ir, ierakstiet apstrādes programmu.
Ievadiet rakstisko apstrādes programmu ciparu vadības ierīcē.
Skaitliskās vadības ierīce dekodē un apstrādā ievades programmu (kodu) un nosūta atbilstošus vadības signālus katras koordinātu ass servo piedziņas ierīcēm un palīgfunkciju vadības ierīcēm, lai kontrolētu katras darbgalda sastāvdaļas kustību.
Kustības laikā ciparu vadības sistēmai jebkurā laikā ir jānosaka darbgalda koordinātu asu pozīcija, braukšanas slēdžu stāvoklis utt. un jāsalīdzina tie ar programmas prasībām, lai noteiktu nākamo darbību, līdz tiek apstrādātas kvalificētas detaļas.
Operators jebkurā laikā var novērot un pārbaudīt apstrādes apstākļus un darbgalda darba stāvokli. Ja nepieciešams, ir jāpielāgo arī darbgalda darbības un apstrādes programmas, lai nodrošinātu darbgalda drošu un uzticamu darbību.
Var redzēt, ka CNC darbgalda pamatsastāvā jāiekļauj: ievades/izvades ierīces, ciparu vadības ierīces, servo piedziņas un atgriezeniskās saites ierīces, palīgvadības ierīces un darbgalda korpuss.
CNC darbgaldu sastāvs
Skaitliskās vadības sistēma tiek izmantota, lai panāktu darbgalda saimnieka apstrādes vadību. Pašlaik lielākā daļa skaitliskās vadības sistēmu (piemēram, CNC) izmanto datora skaitlisko vadību. Attēlā redzamā ievades/izvades ierīce, skaitliskās vadības ierīce, servo piedziņa un atgriezeniskās saites ierīce kopā veido darbgalda skaitliskās vadības sistēmu, un tās loma ir aprakstīta iepriekš. Turpmāk īsumā aprakstītas citas sastāvdaļas.
Mērīšanas atgriezeniskās saites ierīce: tā ir slēgtas cilpas (daļēji slēgtas cilpas) CNC darbgalda noteikšanas saite. Tās uzdevums ir noteikt izpildmehānisma (piemēram, instrumenta turētāja) vai darba galda faktiskās pārvietošanās ātrumu un pārvietojumu, izmantojot mūsdienīgus mērīšanas elementus, piemēram, impulsu kodētājus, izšķirtspējas ierīces, indukcijas sinhronizatorus, režģus, magnētiskos svarus un lāzera mērinstrumentus, un nodot tos atpakaļ servo piedziņas ierīcei vai ciparu vadības ierīcei, kompensējot padeves ātrumu vai izpildmehānisma kustības kļūdu, lai sasniegtu kustības mehānisma precizitātes uzlabošanas mērķi. Noteikšanas ierīces uzstādīšanas pozīcija un pozīcija, kur tiek atgriezeniski nosūtīts noteikšanas signāls, ir atkarīga no ciparu vadības sistēmas struktūras. Servo iebūvētie impulsu kodētāji, tahometri un lineārie režģi ir parasti izmantotas noteikšanas sastāvdaļas.
Tā kā visi modernie servodzinēji izmanto digitālās servo piedziņas tehnoloģiju (sauktu par digitālo servo), savienojumam starp servo piedziņu un ciparu vadības ierīci parasti tiek izmantota kopne; vairumā gadījumu atgriezeniskās saites signāls tiek savienots ar servo piedziņu un caur kopni pārraidīts uz ciparu vadības ierīci. Tikai dažos gadījumos vai izmantojot analogās servo piedziņas (pazīstamas kā analogās servosistēmas), atgriezeniskās saites ierīce ir tieši jāpievieno ciparu vadības ierīcei.
Palīgierīces vadības mehānisms un padeves pārvades mehānisms: tas atrodas starp ciparu vadības ierīci un darbgalda mehāniskajām un hidrauliskajām sastāvdaļām. Tā galvenā funkcija ir saņemt vārpstas griešanās ātrumu, virzienu un palaišanas/apturēšanas instrukcijas, ko izvada ciparu vadības ierīce; instrumentu izvēles un maiņas instrukcijas; dzesēšanas un eļļošanas ierīču palaišanas/apturēšanas instrukcijas; palīginstrukciju signālus, piemēram, sagatavju un darbgalda komponentu atskrūvēšanu un nostiprināšanu, darba virsmas indeksēšanu un darbgalda noteikšanas slēdžu statusa signālus. Pēc nepieciešamās apkopošanas, loģiskās novērtēšanas un jaudas pastiprināšanas atbilstošie izpildmehānismi tiek tieši darbināti, lai darbgalda mehāniskās sastāvdaļas, hidrauliskās un pneimatiskās palīgierīces veiktu instrukcijās norādītās darbības. Tas parasti sastāv no PLC un spēcīgas strāvas vadības ķēdes. PLC var būt integrēts ar CNC struktūrā (iebūvēts PLC) vai relatīvi neatkarīgs (ārējs PLC).
Darbgalda korpuss, tas ir, CNC darbgalda mehāniskā struktūra, sastāv arī no galvenajām piedziņas sistēmām, padeves piedziņas sistēmām, gultām, darba galdiem, palīgkustības ierīcēm, hidrauliskajām un pneimatiskajām sistēmām, eļļošanas sistēmām, dzesēšanas ierīcēm, skaidu noņemšanas, aizsardzības sistēmām un citām detaļām. Tomēr, lai izpildītu ciparu vadības prasības un pilnībā nodrošinātu darbgalda veiktspēju, tas ir būtiski mainījies kopējā izkārtojumā, izskata dizainā, transmisijas sistēmas struktūrā, instrumentu sistēmā un darbības raksturlielumos. Darbgalda mehāniskās sastāvdaļas ir gulta, kaste, kolonna, vadotne, darba galds, vārpsta, padeves mehānisms, instrumentu apmaiņas mehānisms utt.
CNC apstrādes princips
Tradicionālajās metāla griešanas mašīnās, apstrādājot detaļas, operatoram ir nepārtraukti jāmaina parametri, piemēram, instrumenta kustības trajektorija un kustības ātrums, atbilstoši rasējuma prasībām, lai instruments veiktu griešanas apstrādi uz sagataves un galu galā apstrādātu kvalificētas detaļas.
CNC darbgaldu apstrādē būtībā tiek piemērots "diferenciālais" princips. Tā darbības principu un procesu var īsumā aprakstīt šādi:
Atbilstoši apstrādes programmas pieprasītajai instrumenta trajektorijai ciparu vadības ierīce diferencē trajektoriju pa atbilstošajām darbgalda koordinātu asīm ar minimālo kustības apjomu (impulsu ekvivalentu) (△X, △Y 1.-2. attēlā) un aprēķina impulsu skaitu, kas nepieciešams katras koordinātu ass pārvietošanai.
Izmantojot ciparu vadības ierīces “interpolācijas” programmatūru vai “interpolācijas” kalkulatoru, nepieciešamā trajektorija tiek aprīkota ar līdzvērtīgu polilīnu “minimālās kustības vienības” vienībās un tiek atrasta piemērotākā polilīnija, kas ir vistuvāk teorētiskajai trajektorijai.
Atbilstoši uzmontētās polilīnijas trajektorijai ciparu vadības ierīce nepārtraukti piešķir padeves impulsus atbilstošajām koordinātu asīm un ļauj darbgalda koordinātu asīm pārvietoties atbilstoši piešķirtajiem impulsiem, izmantojot servo piedziņu.
Var redzēt, ka: pirmkārt, ja vien CNC darbgalda minimālais kustības apjoms (impulsa ekvivalents) ir pietiekami mazs, izmantoto pielāgoto polilīnu var līdzvērtīgi aizstāt teorētisko līkni. Otrkārt, ja vien tiek mainīta koordinātu asu impulsu sadales metode, var mainīt pielāgotās polilīna formu, tādējādi sasniedzot apstrādes trajektorijas maiņas mērķi. Treškārt, ja vien frekvence…