Tecnologia de Control Numèric i Màquines-Eina CNC
La tecnologia de control numèric, abreujada com a NC (Numerical Control), és un mitjà per controlar els moviments mecànics i els procediments de processament amb l'ajuda d'informació digital. Actualment, com que el control numèric modern adopta habitualment el control per ordinador, també es coneix com a control numèric computeritzat (Computerized Numerical Control – CNC).
Per aconseguir el control de la informació digital dels moviments mecànics i els processos de processament, cal equipar-se amb el maquinari i el programari corresponents. La suma del maquinari i el programari utilitzats per implementar el control de la informació digital s'anomena sistema de control numèric (Sistema de Control Numèric), i el nucli del sistema de control numèric és el dispositiu de control numèric (Controlador Numèric).
Les màquines controlades per tecnologia de control numèric s'anomenen màquines-eina CNC (màquines-eina NC). Es tracta d'un producte mecatrònic típic que integra de manera completa tecnologies avançades com la tecnologia informàtica, la tecnologia de control automàtic, la tecnologia de mesura de precisió i el disseny de màquines-eina. És la pedra angular de la tecnologia de fabricació moderna. El control de màquines-eina és el camp més primerenc i més àmpliament aplicat de la tecnologia de control numèric. Per tant, el nivell de les màquines-eina CNC representa en gran mesura el rendiment, el nivell i la tendència de desenvolupament de la tecnologia de control numèric actual.
Hi ha diversos tipus de màquines-eina CNC, incloent-hi màquines-eina de trepat, fresat i mandrinat, màquines-eina de tornejat, màquines-eina de rectificat, màquines-eina de mecanitzat per descàrrega elèctrica, màquines-eina de forja, màquines-eina de processament làser i altres màquines-eina CNC d'ús especial amb usos específics. Qualsevol màquina-eina controlada per tecnologia de control numèric es classifica com a màquina-eina NC.
Aquelles màquines-eina CNC equipades amb un canviador d'eines automàtic ATC (Automatic Tool Changer – ATC), excepte els torns CNC amb portaeines rotatius, es defineixen com a centres de mecanitzat (Machine Center – MC). Mitjançant la substitució automàtica d'eines, les peces poden completar múltiples procediments de processament en una sola subjecció, aconseguint la concentració de processos i la combinació de processos. Això escurça eficaçment el temps de processament auxiliar i millora l'eficiència de treball de la màquina-eina. Simultàniament, redueix el nombre d'instal·lacions i posicionaments de peces, millorant la precisió del processament. Els centres de mecanitzat són actualment el tipus de màquines-eina CNC amb la producció més gran i l'aplicació més àmplia.
Basada en màquines-eina CNC, afegint dispositius d'intercanvi automàtic de múltiples taules de treball (palets) (canviador automàtic de palets - APC) i altres dispositius relacionats, la unitat de processament resultant s'anomena cel·la de fabricació flexible (cel·la de fabricació flexible - FMC). La FMC no només realitza la concentració de processos i la combinació de processos, sinó que també, amb l'intercanvi automàtic de taules de treball (palets) i funcions de control i supervisió automàtiques relativament completes, pot realitzar processaments no tripulats durant un període determinat, millorant així encara més l'eficiència de processament de l'equip. La FMC no només és la base del sistema de fabricació flexible FMS (Sistema de fabricació flexible), sinó que també es pot utilitzar com a equip de processament automatitzat independent. Per tant, la seva velocitat de desenvolupament és força ràpida.
Sobre la base de FMC i centres de mecanitzat, afegint sistemes logístics, robots industrials i equips relacionats, i controlats i gestionats per un sistema de control central de manera centralitzada i unificada, aquest sistema de fabricació s'anomena sistema de fabricació flexible FMS (Flexible Manufacturing System). L'FMS no només pot realitzar processaments no tripulats durant llargs períodes, sinó que també pot aconseguir el processament complet de diversos tipus de peces i muntatges de components, aconseguint l'automatització del procés de fabricació del taller. És un sistema de fabricació avançat altament automatitzat.
Amb el progrés continu de la ciència i la tecnologia, per adaptar-se a la situació canviant de la demanda del mercat, per a la fabricació moderna, no només cal promoure l'automatització del procés de fabricació del taller, sinó també aconseguir una automatització completa des de la previsió de mercat, la presa de decisions de producció, el disseny del producte, la fabricació del producte fins a les vendes del producte. El sistema complet de producció i fabricació format per la integració d'aquests requisits s'anomena sistema de fabricació integrat per ordinador (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). El CIMS integra orgànicament una activitat de producció i negoci més llarga, aconseguint una producció intel·ligent més eficient i flexible, representant l'etapa més alta del desenvolupament de la tecnologia de fabricació automatitzada actual. En el CIMS, no només es caracteritza per la integració dels equips de producció, sinó que, el que és més important, la integració de la tecnologia i la integració de funcions es caracteritzen per la informació. L'ordinador és l'eina d'integració, la tecnologia de la unitat automatitzada assistida per ordinador és la base de la integració i l'intercanvi i la compartició d'informació i dades és el pont d'integració. El producte final es pot considerar com la manifestació material de la informació i les dades.
El sistema de control numèric i els seus components
Els components bàsics del sistema de control numèric
El sistema de control numèric d'una màquina-eina CNC és el nucli de tots els equips de control numèric. L'objecte principal de control del sistema de control numèric és el desplaçament dels eixos de coordenades (inclosa la velocitat de moviment, la direcció, la posició, etc.), i la seva informació de control prové principalment del processament de control numèric o dels programes de control de moviment. Per tant, els components més bàsics del sistema de control numèric haurien d'incloure: el dispositiu d'entrada/sortida del programa, el dispositiu de control numèric i el servomotor.
La funció del dispositiu d'entrada/sortida és introduir i introduir dades com ara programes de processament de control numèric o de control de moviment, dades de processament i control, paràmetres de la màquina-eina, posicions dels eixos de coordenades i l'estat dels interruptors de detecció. El teclat i la pantalla són els dispositius d'entrada/sortida més bàsics necessaris per a qualsevol equip de control numèric. A més, depenent del sistema de control numèric, també es poden equipar dispositius com ara lectors fotoelèctrics, unitats de cinta o unitats de disquet. Com a dispositiu perifèric, l'ordinador és actualment un dels dispositius d'entrada/sortida més utilitzats.
El dispositiu de control numèric és el component central del sistema de control numèric. Consta de circuits d'interfície d'entrada/sortida, controladors, unitats aritmètiques i memòria. La funció del dispositiu de control numèric és compilar, calcular i processar les dades introduïdes pel dispositiu d'entrada a través del circuit lògic intern o del programari de control, i generar diversos tipus d'informació i instruccions per controlar les diverses parts de la màquina-eina per realitzar accions específiques.
Entre aquesta informació i instruccions de control, les més bàsiques són les instruccions de velocitat d'avanç, direcció d'avanç i desplaçament d'avanç dels eixos de coordenades. Es generen després de càlculs d'interpolació, es proporcionen al servoaccionament, s'amplifiquen pel controlador i, en última instància, controlen el desplaçament dels eixos de coordenades. Això determina directament la trajectòria de moviment de l'eina o dels eixos de coordenades.
A més, depenent del sistema i l'equip, per exemple, en una màquina-eina CNC, també hi pot haver instruccions com ara la velocitat de rotació, la direcció, l'arrencada/aturada del cargol; instruccions de selecció i intercanvi d'eines; instruccions d'arrencada/aturada dels dispositius de refrigeració i lubricació; instruccions d'afluixament i subjecció de la peça; indexació de la taula de treball i altres instruccions auxiliars. En el sistema de control numèric, es proporcionen al dispositiu de control auxiliar extern en forma de senyals a través de la interfície. El dispositiu de control auxiliar realitza la compilació necessària i les operacions lògiques sobre els senyals anteriors, els amplifica i acciona els actuadors corresponents per impulsar els components mecànics, els dispositius auxiliars hidràulics i pneumàtics de la màquina-eina per completar les accions especificades per les instruccions.
El servoaccionament sol consistir en servoamplificadors (també coneguts com a controladors, unitats servo) i actuadors. A les màquines-eina CNC, actualment s'utilitzen generalment servomotors de corrent altern com a actuadors; a les màquines-eina de mecanitzat d'alta velocitat avançades, s'han començat a utilitzar motors lineals. A més, a les màquines-eina CNC produïdes abans de la dècada de 1980, hi va haver casos d'ús de servomotors de corrent continu; per a màquines-eina CNC senzilles, també es van utilitzar motors pas a pas com a actuadors. La forma del servoamplificador depèn de l'actuador i s'ha d'utilitzar conjuntament amb el motor d'accionament.
Els anteriors són els components més bàsics del sistema de control numèric. Amb el desenvolupament continu de la tecnologia de control numèric i la millora dels nivells de rendiment de les màquines-eina, els requisits funcionals del sistema també augmenten. Per satisfer els requisits de control de les diferents màquines-eina, garantir la integritat i la uniformitat del sistema de control numèric i facilitar l'ús per part de l'usuari, els sistemes de control numèric avançats que s'utilitzen habitualment solen tenir un controlador programable intern com a dispositiu de control auxiliar de la màquina-eina. A més, en les màquines-eina de tall de metall, el dispositiu d'accionament del cargol també es pot convertir en un component del sistema de control numèric; en les màquines-eina CNC de circuit tancat, els dispositius de mesura i detecció també són indispensables per al sistema de control numèric. Per als sistemes de control numèric avançats, de vegades fins i tot s'utilitza un ordinador com a interfície home-màquina del sistema i per a la gestió de dades i els dispositius d'entrada/sortida, fent així que les funcions del sistema de control numèric siguin més potents i el rendiment més perfecte.
En conclusió, la composició del sistema de control numèric depèn del rendiment del sistema de control i dels requisits de control específics de l'equip. Hi ha diferències significatives en la seva configuració i composició. A més dels tres components més bàsics del dispositiu d'entrada/sortida del programa de processament, el dispositiu de control numèric i el servomotor, hi pot haver més dispositius de control. La part de la caixa discontínua de la Figura 1-1 representa el sistema de control numèric per ordinador.
Els conceptes de NC, CNC, SV i PLC
NC (CNC), SV i PLC (PC, PMC) són abreviatures en anglès molt utilitzades en equips de control numèric i tenen significats diferents en diferents ocasions en aplicacions pràctiques.
NC (CNC): NC i CNC són les abreviatures comunes en anglès de Numerical Control i Computerized Numerical Control, respectivament. Atès que el control numèric modern adopta el control per ordinador, es pot considerar que els significats de NC i CNC són completament els mateixos. En aplicacions d'enginyeria, depenent de l'ocasió d'ús, NC (CNC) sol tenir tres significats diferents: en un sentit ampli, representa una tecnologia de control: tecnologia de control numèric; en un sentit estricte, representa una entitat d'un sistema de control: el sistema de control numèric; a més, també pot representar un dispositiu de control específic: el dispositiu de control numèric.
SV: SV és l'abreviatura comuna en anglès de servo drive (Servo Drive, abreujat com a servo). Segons els termes prescrits de l'estàndard japonès JIS, és "un mecanisme de control que pren la posició, la direcció i l'estat d'un objecte com a magnituds de control i rastreja canvis arbitraris en el valor objectiu". En resum, és un dispositiu de control que pot seguir automàticament magnituds físiques com ara la posició objectiu.
En les màquines-eina CNC, el paper del servomotor es reflecteix principalment en dos aspectes: primer, permet que els eixos de coordenades funcionin a la velocitat donada pel dispositiu de control numèric; segon, permet que els eixos de coordenades es posicionin segons la posició donada pel dispositiu de control numèric.
Els objectes de control del servoaccionament solen ser el desplaçament i la velocitat dels eixos de coordenades de la màquina-eina; l'actuador és un servomotor; la part que controla i amplifica el senyal de comanda d'entrada sovint s'anomena servoamplificador (també conegut com a controlador, amplificador, unitat servo, etc.), que és el nucli del servoaccionament.
El servomotor no només es pot utilitzar juntament amb el dispositiu de control numèric, sinó que també es pot utilitzar sol com a sistema d'acompanyament de la posició (velocitat). Per tant, sovint també s'anomena sistema servo. En els primers sistemes de control numèric, la part de control de posició generalment s'integrava amb el CNC, i el servomotor només realitzava el control de velocitat. Per tant, sovint s'anomenava unitat de control de velocitat.
PLC: PC és l'abreviatura anglesa de Programmable Controller (Controlador Programable). Amb la creixent popularitat dels ordinadors personals, per evitar confusions amb els ordinadors personals (també anomenats PC), els controladors programables ara s'anomenen generalment controladors lògics programables (Programmalbe Logic Controller – PLC) o controladors de màquina programables (Programmable Machine Controller – PMC). Per tant, en màquines-eina CNC, PC, PLC i PMC tenen exactament el mateix significat.
El PLC té els avantatges d'una resposta ràpida, un rendiment fiable, un ús convenient, una programació i depuració fàcils, i pot controlar directament alguns aparells elèctrics de màquines-eina. Per tant, s'utilitza àmpliament com a dispositiu de control auxiliar per a equips de control numèric. Actualment, la majoria dels sistemes de control numèric tenen un PLC intern per processar les instruccions auxiliars de les màquines-eina CNC, simplificant així enormement el dispositiu de control auxiliar de la màquina-eina. A més, en moltes ocasions, mitjançant mòduls funcionals especials com el mòdul de control d'eixos i el mòdul de posicionament del PLC, el PLC també es pot utilitzar directament per aconseguir control de posició puntual, control lineal i control de contorn simple, formant màquines-eina CNC especials o línies de producció CNC.
El principi de composició i processament de les màquines-eina CNC
La composició bàsica de les màquines-eina CNC
Les màquines-eina CNC són els equips de control numèric més típics. Per aclarir la composició bàsica de les màquines-eina CNC, primer cal analitzar el procés de treball de les màquines-eina CNC per al processament de peces. En les màquines-eina CNC, per processar peces, es poden implementar els passos següents:
Segons els dibuixos i els plans de procés de les peces a processar, utilitzant els codis i formats de programa prescrits, escriviu la trajectòria de moviment de les eines, el procés de processament, els paràmetres del procés, els paràmetres de tall, etc. en el formulari d'instruccions recognoscible pel sistema de control numèric, és a dir, escriviu el programa de processament.
Introduïu el programa de processament escrit al dispositiu de control numèric.
El dispositiu de control numèric descodifica i processa el programa d'entrada (codi) i envia els senyals de control corresponents als dispositius de servoaccionament i als dispositius de control de funcions auxiliars de cada eix de coordenades per controlar el moviment de cada component de la màquina-eina.
Durant el moviment, el sistema de control numèric ha de detectar la posició dels eixos de coordenades de la màquina-eina, l'estat dels interruptors de desplaçament, etc. en qualsevol moment, i comparar-los amb els requisits del programa per determinar la següent acció fins que es processin les peces qualificades.
L'operador pot observar i inspeccionar les condicions de processament i l'estat de funcionament de la màquina-eina en qualsevol moment. Si cal, també cal ajustar les accions de la màquina-eina i els programes de processament per garantir el funcionament segur i fiable de la màquina-eina.
Es pot veure que, com a composició bàsica d'una màquina-eina CNC, hauria d'incloure: dispositius d'entrada/sortida, dispositius de control numèric, servomotors i dispositius de retroalimentació, dispositius de control auxiliars i el cos de la màquina-eina.
La composició de les màquines-eina CNC
El sistema de control numèric s'utilitza per aconseguir el control de processament de l'amfitrió de la màquina-eina. Actualment, la majoria dels sistemes de control numèric adopten el control numèric per ordinador (és a dir, CNC). El dispositiu d'entrada/sortida, el dispositiu de control numèric, el servomotor i el dispositiu de retroalimentació de la figura constitueixen junts el sistema de control numèric de la màquina-eina, i la seva funció s'ha descrit anteriorment. A continuació s'introdueixen breument altres components.
Dispositiu de retroalimentació de mesura: és l'enllaç de detecció d'una màquina-eina CNC de circuit tancat (circuit semitancat). La seva funció és detectar la velocitat i el desplaçament del desplaçament real de l'actuador (com ara el portaeines) o la taula de treball mitjançant elements de mesura moderns com ara codificadors d'impulsos, resolutors, sincronitzadors d'inducció, reixetes, escales magnètiques i instruments de mesura làser, i retroalimentar-los al dispositiu de servoaccionament o al dispositiu de control numèric, i compensar la velocitat d'alimentació o l'error de moviment de l'actuador per aconseguir l'objectiu de millorar la precisió del mecanisme de moviment. La posició d'instal·lació del dispositiu de detecció i la posició on es retroalimenta el senyal de detecció depenen de l'estructura del sistema de control numèric. Els codificadors d'impulsos integrats amb servomotor, els tacòmetres i les reixetes lineals són components de detecció que s'utilitzen habitualment.
A causa del fet que tots els servos avançats adopten la tecnologia de servoaccionament digital (anomenada servo digital), normalment s'utilitza un bus per a la connexió entre el servoaccionament i el dispositiu de control numèric; en la majoria dels casos, el senyal de retroalimentació es connecta al servoaccionament i es transmet al dispositiu de control numèric a través del bus. Només en algunes ocasions o quan s'utilitzen servoaccionaments analògics (comunament coneguts com a servo analògics), el dispositiu de retroalimentació ha d'estar connectat directament al dispositiu de control numèric.
Mecanisme de control auxiliar i mecanisme de transmissió d'alimentació: es troba entre el dispositiu de control numèric i els components mecànics i hidràulics de la màquina-eina. La seva funció principal és rebre la velocitat del cargol, la direcció i les instruccions d'arrencada/aturada que surten del dispositiu de control numèric; instruccions de selecció i intercanvi d'eines; instruccions d'arrencada/aturada dels dispositius de refrigeració i lubricació; senyals d'instruccions auxiliars com ara afluixar i subjecció de peces i components de la màquina-eina, indexació de la taula de treball i els senyals d'estat dels interruptors de detecció de la màquina-eina. Després de la compilació necessària, el judici lògic i l'amplificació de potència, els actuadors corresponents s'accionen directament per impulsar els components mecànics, els dispositius auxiliars hidràulics i pneumàtics de la màquina-eina per completar les accions especificades per les instruccions. Normalment està compost per un PLC i un circuit de control de corrent fort. El PLC es pot integrar amb el CNC en estructura (PLC integrat) o relativament independent (PLC extern).
El cos de la màquina-eina, és a dir, l'estructura mecànica de la màquina-eina CNC, també està compost per sistemes d'accionament principals, sistemes d'accionament d'alimentació, bancades, taules de treball, dispositius de moviment auxiliars, sistemes hidràulics i pneumàtics, sistemes de lubricació, dispositius de refrigeració, eliminació de ferritja, sistemes de protecció i altres parts. Tanmateix, per complir els requisits del control numèric i aprofitar al màxim el rendiment de la màquina-eina, ha experimentat canvis significatius pel que fa a la disposició general, el disseny d'aparença, l'estructura del sistema de transmissió, el sistema d'eines i el rendiment operatiu. Els components mecànics de la màquina-eina inclouen la bancada, la caixa, la columna, el carril guia, la taula de treball, el cargol, el mecanisme d'alimentació, el mecanisme d'intercanvi d'eines, etc.
El principi del mecanitzat CNC
En les màquines-eina de tall de metall tradicionals, en processar peces, l'operador ha de canviar contínuament paràmetres com ara la trajectòria de moviment i la velocitat de moviment de l'eina segons els requisits del dibuix, de manera que l'eina realitzi el processament de tall a la peça i finalment processi peces qualificades.
El processament de màquines-eina CNC aplica essencialment el principi "diferencial". El seu principi de funcionament i procés es poden descriure breument de la següent manera:
Segons la trajectòria de l'eina requerida pel programa de processament, el dispositiu de control numèric diferencia la trajectòria al llarg dels eixos de coordenades corresponents de la màquina-eina amb la quantitat mínima de moviment (equivalent d'impulsos) (△X, △Y a la Figura 1-2) i calcula el nombre d'impulsos que cada eix de coordenades necessita per moure's.
Mitjançant el programari d'"interpolació" o la calculadora d'"interpolació" del dispositiu de control numèric, s'ajusta a la trajectòria requerida una polilínia equivalent en unitats d'"unitat de moviment mínim" i es troba la polilínia ajustada més propera a la trajectòria teòrica.
Segons la trajectòria de la polilínia ajustada, el dispositiu de control numèric assigna contínuament impulsos d'alimentació als eixos de coordenades corresponents i permet que els eixos de coordenades de la màquina-eina es moguin segons els impulsos assignats a través del servoaccionament.
Es pot veure que: Primer, sempre que la quantitat mínima de moviment (equivalent d'impulsos) de la màquina-eina CNC sigui prou petita, la polilínia ajustada utilitzada es pot substituir de manera equivalent per la corba teòrica. Segon, sempre que es canviï el mètode d'assignació d'impulsos dels eixos de coordenades, es pot canviar la forma de la polilínia ajustada, aconseguint així l'objectiu de canviar la trajectòria de processament. Tercer, sempre que la freqüència de...