Numbrilise juhtimise tehnoloogia ja CNC tööpingid
Numbriline juhtimistehnoloogia, lühendatult NC (Numerical Control), on vahend mehaaniliste liikumiste ja töötlemisprotseduuride juhtimiseks digitaalse teabe abil. Praegu, kuna tänapäevane numbriline juhtimine võtab üldiselt kasutusele arvutijuhtimise, tuntakse seda ka arvutipõhise numbrilise juhtimisena (CNC).
Mehaaniliste liikumiste ja töötlemisprotsesside digitaalse infosüsteemi juhtimiseks peab olema vastav riist- ja tarkvara. Digitaalse infosüsteemi juhtimiseks kasutatava riist- ja tarkvara kogumit nimetatakse numbriliseks juhtimissüsteemiks (Numerical Control System) ning numbrilise juhtimissüsteemi tuumaks on numbriline juhtimisseade (Numerical Controller).
Numbrilise juhtimise tehnoloogia abil juhitavaid masinaid nimetatakse CNC-tööpinkideks (NC-tööpingid). See on tüüpiline mehatrooniline toode, mis integreerib terviklikult selliseid täiustatud tehnoloogiaid nagu arvutitehnoloogia, automaatjuhtimistehnoloogia, täppismõõtmise tehnoloogia ja tööpinkide disain. See on tänapäevase tootmistehnoloogia nurgakivi. Tööpinkide juhtimine on numbrilise juhtimise tehnoloogia varaseim ja laialdasemalt kasutatav valdkond. Seetõttu esindab CNC-tööpinkide tase suuresti praeguse numbrilise juhtimise tehnoloogia jõudlust, taset ja arengusuunda.
CNC-tööpinke on erinevat tüüpi, sealhulgas puurimis-, freesimis- ja sisetreimispingid, treimispingid, lihvimispingid, elektroerosioonitöötluspingid, sepistamispingid, lasertöötluspingid ja muud spetsiaalsed CNC-tööpingid spetsiifilise kasutusega. NC-tööpinkideks liigitatakse kõik numbrilise juhtimisega tööpingid.
Automaatse tööriistavahetiga ATC (Automatic Tool Changer – ATC) varustatud CNC-tööpingid, välja arvatud pöörlevate tööriistahoidikutega CNC-treipingid, määratletakse töötlemiskeskustena (Machine Center – MC). Tööriistade automaatse vahetamise abil saavad toorikud ühe kinnitusega läbida mitu töötlemisprotseduuri, saavutades protsesside kontsentratsiooni ja kombinatsiooni. See lühendab tõhusalt abitöötlusaega ja parandab tööpingi töö efektiivsust. Samal ajal vähendab see toorikute paigaldamise ja positsioneerimise arvu, suurendades töötlemise täpsust. Töötlemiskeskused on praegu suurima tootlikkuse ja laiaulatuslikuma kasutusalaga CNC-tööpingid.
CNC-tööpinkidel põhinevat mitme töölaua (kaubaaluse) automaatse vahetuse seadmete (Auto Pallet Changer – APC) ja muude sarnaste seadmete lisamisega loodud töötlemisüksust nimetatakse paindlikuks tootmisüksuseks (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC mitte ainult ei realiseeri protsesside kontsentreerimist ja kombineerimist, vaid tänu töölaudade (kaubaaluste) automaatsele vahetusele ja suhteliselt täielikele automaatsetele jälgimis- ja juhtimisfunktsioonidele suudab teatud aja jooksul teostada mehitamata töötlemist, parandades seeläbi veelgi seadmete töötlemise efektiivsust. FMC ei ole mitte ainult paindliku tootmissüsteemi FMS (Flexible Manufacturing System) alus, vaid seda saab kasutada ka iseseisva automatiseeritud töötlemisseadmena. Seetõttu on selle arenduskiirus üsna kiire.
FMC ja töötlemiskeskuste baasil, logistikasüsteemide, tööstusrobotite ja nendega seotud seadmete lisamise ning tsentraliseeritud ja ühtse juhtimissüsteemi juhtimise ja haldamise abil, nimetatakse sellist tootmissüsteemi paindlikuks tootmissüsteemiks FMS (Flexible Manufacturing System). FMS suudab mitte ainult teostada pikka aega mehitamata töötlemist, vaid saavutada ka erinevat tüüpi osade ja komponentide täieliku töötlemise, saavutades töökoja tootmisprotsessi automatiseerimise. See on kõrgelt automatiseeritud täiustatud tootmissüsteem.
Teaduse ja tehnoloogia pideva arenguga on tänapäevase tootmise jaoks turunõudluse muutuva olukorraga kohanemiseks vaja mitte ainult edendada töökoja tootmisprotsessi automatiseerimist, vaid saavutada ka terviklik automatiseerimine alates turuprognoosimisest, tootmisotsuste tegemisest, tootekujundusest ja tootmisest kuni müügini. Nende nõuete integreerimise teel moodustatud terviklikku tootmis- ja valmistamissüsteemi nimetatakse arvutiga integreeritud tootmissüsteemiks (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS integreerib orgaaniliselt pikemaajalise tootmis- ja äritegevuse, saavutades tõhusama ja paindlikuma intelligentse tootmise, mis esindab tänapäeva automatiseeritud tootmistehnoloogia arengu kõrgeimat etappi. CIMS-is ei ole mitte ainult tootmisseadmete integreerimine, vaid mis veelgi olulisem, tehnoloogia ja funktsioonide integreerimine, mida iseloomustab teave. Arvuti on integreerimise tööriist, arvuti abil automatiseeritud üksuse tehnoloogia on integratsiooni alus ning teabe ja andmete vahetamine ja jagamine on integratsiooni sild. Lõpptoodet võib pidada teabe ja andmete materiaalseks ilminguks.
Numbriline juhtimissüsteem ja selle komponendid
Numbrilise juhtimissüsteemi põhikomponendid
CNC-tööpingi numbriline juhtimissüsteem on kõigi numbriliste juhtimisseadmete tuum. Numbrilise juhtimissüsteemi peamine juhtimisobjekt on koordinaattelgede nihutamine (sh liikumiskiirus, suund, asend jne) ning selle juhtimisteave pärineb peamiselt numbrilise juhtimise töötlemisest või liikumise juhtimisprogrammidest. Seetõttu peaksid numbrilise juhtimissüsteemi kõige põhilisemad komponendid hõlmama programmi sisend-/väljundseadet, numbrilist juhtimisseadet ja servoajamit.
Sisend-/väljundseadme roll on sisestada ja väljastada andmeid, näiteks arvjuhtimistöötlus- või liikumisjuhtimisprogramme, töötlemis- ja juhtimisandmeid, tööpingi parameetreid, koordinaattelgede positsioone ja tuvastuslülitite olekut. Klaviatuur ja ekraan on kõige põhilisemad sisend-/väljundseadmed, mis on vajalikud iga arvjuhtimisseadme jaoks. Lisaks, olenevalt arvjuhtimissüsteemist, saab varustada ka selliseid seadmeid nagu fotoelektrilised lugejad, lindiseadmed või disketiseadmed. Välisseadmena on arvuti praegu üks levinumaid sisend-/väljundseadmeid.
Numbriline juhtimisseade on numbrilise juhtimissüsteemi põhikomponent. See koosneb sisend-/väljundliidese vooluringidest, kontrolleritest, aritmeetikaüksustest ja mälust. Numbrilise juhtimisseadme ülesanne on sisendseadme sisestatud andmete kompileerimine, arvutamine ja töötlemine sisemise loogikalülituse või juhtimistarkvara kaudu ning mitmesuguse teabe ja juhiste väljastamine tööpingi erinevate osade juhtimiseks kindlaksmääratud toimingute tegemiseks.
Nende juhtimisteabe ja -käskude hulgas on kõige põhilisemad koordinaattelgede etteandekiiruse, etteandesuuna ja etteande nihkekäsud. Need genereeritakse pärast interpolatsiooniarvutusi, edastatakse servoajamile, võimendab juht ja lõpuks juhivad koordinaattelgede nihet. See määrab otseselt tööriista või koordinaattelgede liikumistrajektoori.
Lisaks, olenevalt süsteemist ja seadmetest, näiteks CNC-tööpingil, võivad olla ka juhised, näiteks pöörlemiskiirus, suund, spindli käivitamine/seiskamine; tööriista valiku ja vahetamise juhised; jahutus- ja määrimisseadmete käivitamise/seiskamise juhised; tooriku vabastamise ja kinnitamise juhised; töölaua indekseerimise ja muud abijuhised. Numbrilises juhtimissüsteemis edastatakse need välisele abijuhtimisseadmele signaalide kujul liidese kaudu. Abijuhtimisseade teostab ülaltoodud signaalide põhjal vajalikud kompileerimis- ja loogilised toimingud, võimendab neid ja juhib vastavaid ajameid, et juhtida tööpingi mehaanilisi komponente, hüdraulilisi ja pneumaatilisi abiseadmeid juhistes määratud toimingute täitmiseks.
Servoajam koosneb tavaliselt servovõimenditest (tuntud ka kui draiverid, servoüksused) ja ajamistest. CNC-tööpinkidel kasutatakse ajamitena praegu üldiselt vahelduvvoolu servomootoreid; täiustatud kiiretel töötlemispinkidel on hakatud kasutama lineaarmootoreid. Lisaks oli enne 1980. aastaid toodetud CNC-tööpinkidel juhtumeid, kus kasutati alalisvoolu servomootoreid; lihtsate CNC-tööpinkide puhul kasutati ajamitena ka astmelisi mootoreid. Servovõimendi kuju sõltub ajamist ja seda tuleb kasutada koos ajamimootoriga.
Ülaltoodud on arvjuhtimissüsteemi kõige põhilisemad komponendid. Arvjuhtimistehnoloogia pideva arengu ja tööpinkide jõudluse paranemisega suurenevad ka süsteemi funktsionaalsed nõuded. Erinevate tööpinkide juhtimisnõuete täitmiseks, arvjuhtimissüsteemi terviklikkuse ja ühtsuse tagamiseks ning kasutajapoolse kasutamise hõlbustamiseks on tavaliselt kasutatavatel täiustatud arvjuhtimissüsteemidel tööpingi abiseadmena sisemine programmeeritav kontroller. Lisaks võib metallilõikuspinkidel ka spindli ajamiseade saada arvjuhtimissüsteemi komponendiks; suletud ahelaga CNC-tööpinkidel on mõõte- ja tuvastusseadmed samuti arvjuhtimissüsteemi jaoks hädavajalikud. Täiustatud arvjuhtimissüsteemide puhul kasutatakse mõnikord isegi arvutit süsteemi inimese-masina liidesena ning andmehalduse ja sisend-/väljundseadmete jaoks, muutes seeläbi arvjuhtimissüsteemi funktsioonid võimsamaks ja jõudluse täiuslikumaks.
Kokkuvõtteks võib öelda, et arvjuhtimissüsteemi koostis sõltub juhtimissüsteemi jõudlusest ja seadmete spetsiifilistest juhtimisnõuetest. Selle konfiguratsioonis ja koostises on olulisi erinevusi. Lisaks töötlemisprogrammi sisend-/väljundseadme kolmele kõige põhilisemale komponendile, arvjuhtimisseadmele ja servoajamile võib olla ka rohkem juhtimisseadmeid. Katkendliku kastiga osa joonisel 1-1 kujutab arvuti arvjuhtimissüsteemi.
NC, CNC, SV ja PLC kontseptsioonid
NC (CNC), SV ja PLC (PC, PMC) on arvjuhtimisseadmetes väga sageli kasutatavad ingliskeelsed lühendid, millel on praktilistes rakendustes eri puhkudel erinev tähendus.
NC (CNC): NC ja CNC on vastavalt numbrilise juhtimise ja arvutipõhise numbrilise juhtimise ingliskeelsed lühendid. Arvestades, et tänapäevane numbriline juhtimine kasutab arvutipõhist juhtimist, võib eeldada, et NC ja CNC tähendused on täiesti samad. Insenerirakendustes on NC-l (CNC) olenevalt kasutusjuhtumisest tavaliselt kolm erinevat tähendust: laiemas mõttes tähistab see juhtimistehnoloogiat – numbrilise juhtimise tehnoloogia; kitsamas tähenduses tähistab see juhtimissüsteemi üksust – numbrilise juhtimise süsteem; lisaks võib see tähistada ka konkreetset juhtimisseadet – numbrilise juhtimise seadet.
SV: SV on servoajami (Servo Drive, lühendatult servo) üldlevinud ingliskeelne lühend. Jaapani JIS-standardi ettenähtud terminite kohaselt on see „juhtimismehhanism, mis võtab objekti asukoha, suuna ja oleku juhtsuurustena ning jälgib sihtväärtuse suvalisi muutusi“. Lühidalt öeldes on see juhtimisseade, mis suudab automaatselt jälgida füüsikalisi suurusi, näiteks sihtasendit.
CNC-tööpinkide puhul kajastub servoajami roll peamiselt kahes aspektis: esiteks võimaldab see koordinaattelgedel töötada numbrilise juhtimisseadme antud kiirusel; teiseks võimaldab see koordinaattelgede positsioneerimist vastavalt numbrilise juhtimisseadme antud positsioonile.
Servoajami juhtimisobjektideks on tavaliselt tööpingi koordinaattelgede nihe ja kiirus; ajam on servomootor; sisendkäsu signaali juhtivat ja võimendavat osa nimetatakse sageli servovõimendiks (tuntud ka kui draiver, võimendi, servoüksus jne), mis on servoajami tuum.
Servoajamit saab kasutada mitte ainult koos numbrilise juhtimisseadmega, vaid ka iseseisvalt positsiooni (kiiruse) saatva süsteemina. Seetõttu nimetatakse seda sageli ka servosüsteemiks. Varasemates numbrilistes juhtimissüsteemides oli positsiooni juhtimise osa üldiselt integreeritud CNC-ga ja servoajam teostas ainult kiiruse juhtimist. Seetõttu nimetati servoajamit sageli kiiruse juhtimise seadmeks.
PLC: PC on ingliskeelne lühend sõnast Programmable Controller. Personaalarvutite kasvava populaarsuse tõttu nimetatakse programmeeritavaid kontrollereid nüüd üldiselt programmeeritavateks loogikakontrolleriteks (Programmalbe Logic Controller – PLC) või programmeeritavateks masinakontrolleriteks (Programmable Machine Controller – PMC), et vältida segiajamist personaalarvutitega (nimetatakse ka PC-deks). Seetõttu on CNC-tööpinkide puhul PC-l, PLC-l ja PMC-l täpselt sama tähendus.
PLC-l on eelised kiire reageerimise, töökindluse, mugava kasutamise, lihtsa programmeerimise ja silumise ning see suudab otse juhtida mõningaid tööpinkide elektriseadmeid. Seetõttu kasutatakse seda laialdaselt arvjuhtimisseadmete abiseadmena. Praegu on enamikul arvjuhtimissüsteemidel CNC-tööpinkide abikäskude töötlemiseks sisemine PLC, mis lihtsustab oluliselt tööpinkide abiseadet. Lisaks saab PLC-d paljudel juhtudel spetsiaalsete funktsionaalsete moodulite, näiteks PLC telje juhtimismooduli ja positsioneerimismooduli kaudu otse kasutada ka punkti asukoha juhtimiseks, lineaarseks juhtimiseks ja lihtsaks kontuuri juhtimiseks, moodustades spetsiaalseid CNC-tööpinke või CNC-tootmisliine.
CNC-tööpinkide koostis ja töötlemispõhimõte
CNC-tööpinkide põhikoostis
CNC-tööpingid on kõige tüüpilisemad arvjuhtimisseadmed. CNC-tööpinkide põhikoostise selgitamiseks on kõigepealt vaja analüüsida CNC-tööpinkide tööprotsessi detailide töötlemiseks. CNC-tööpinkidel saab detailide töötlemiseks rakendada järgmisi samme:
Töödeldavate detailide jooniste ja protsessiplaanide järgi, kasutades ettenähtud koode ja programmivorminguid, kirjutage tööriistade liikumistrajektoor, töötlemisprotsess, protsessi parameetrid, lõikeparameetrid jne numbrilise juhtimissüsteemi poolt äratuntavasse käsuvormi ehk kirjutage töötlemisprogramm.
Sisestage kirjalik töötlusprogramm arvjuhtimisseadmesse.
Numbriline juhtimisseade dekodeerib ja töötleb sisendprogrammi (koodi) ning saadab vastavad juhtsignaalid iga koordinaattelje servomootorile ja abifunktsioonide juhtimisseadmele, et juhtida tööpingi iga komponendi liikumist.
Liikumise ajal peab numbriline juhtimissüsteem igal ajal tuvastama tööpingi koordinaattelgede asukoha, liikumislülitite oleku jne ning võrdlema neid programmi nõuetega, et määrata järgmine toiming, kuni kvalifitseeritud osad on töödeldud.
Operaator saab igal ajal jälgida ja kontrollida tööpingi töötlemistingimusi ja tööseisundit. Vajadusel on vaja tööpingi toiminguid ja töötlemisprogramme kohandada, et tagada tööpingi ohutu ja usaldusväärne töö.
CNC-tööpingi põhikoostisena peaks see hõlmama: sisend-/väljundseadmeid, arvjuhtimisseadmeid, servoajameid ja tagasisideseadmeid, abijuhtimisseadmeid ja tööpingi korpust.
CNC-tööpinkide koostis
Numbrilist juhtimissüsteemi kasutatakse tööpingi peremeesorganismi töötlemisjuhtimise saavutamiseks. Praegu kasutab enamik numbrilisi juhtimissüsteeme arvuti numbrilist juhtimist (nt CNC). Joonisel kujutatud sisend-/väljundseade, numbriline juhtimisseade, servoajam ja tagasisideseade moodustavad koos tööpingi numbrilise juhtimissüsteemi ja selle rolli on eespool kirjeldatud. Järgnevalt tutvustatakse lühidalt teisi komponente.
Mõõtmistagasiside seade: see on suletud ahelaga (poolsuletud ahelaga) CNC-tööpingi tuvastuslüli. Selle ülesanne on tuvastada ajami (näiteks tööriistahoidiku) või töölaua tegeliku nihke kiirust ja nihet tänapäevaste mõõteelementide, näiteks impulsskoodrite, resolverite, induktsioonsünkronisaatorite, võrede, magnetiliste skaalade ja lasermõõteriistade abil ning edastada need tagasi servoajamile või numbrilisele juhtimisseadmele, kompenseerides ajami etteandekiirust või liikumisviga, et saavutada liikumismehhanismi täpsuse parandamise eesmärk. Tuvastusseadme paigaldusasend ja tuvastussignaali tagasisaatmise asukoht sõltuvad numbrilise juhtimissüsteemi struktuurist. Servo sisseehitatud impulsskooderid, tahhomeetrid ja lineaarsed võred on tavaliselt kasutatavad tuvastuskomponendid.
Kuna kõik täiustatud servomootorid kasutavad digitaalset servomootori tehnoloogiat (edaspidi digitaalne servomootor), kasutatakse servomootori ja numbrilise juhtimisseadme vaheliseks ühenduseks tavaliselt siini; enamasti ühendatakse tagasisidesignaal servomootoriga ja edastatakse numbrilise juhtimisseadme kaudu siini kaudu. Ainult vähestel juhtudel või analoogservomootorite (üldtuntud kui analoogservomootorid) kasutamisel tuleb tagasisideseade otse numbrilise juhtimisseadmega ühendada.
Abijuhtimismehhanism ja söötmise ülekandemehhanism: see asub numbrilise juhtimisseadme ja tööpingi mehaaniliste ja hüdrauliliste komponentide vahel. Selle peamine ülesanne on vastu võtta numbrilise juhtimisseadme väljastatud spindli kiiruse, suuna ja käivitamise/peatamise juhiseid; tööriista valiku ja vahetamise juhiseid; jahutus- ja määrimisseadmete käivitamise/peatamise juhiseid; abijuhiste signaale, näiteks toorikute ja tööpingi komponentide vabastamist ja kinnitamist, töölaua indekseerimist ning tööpingi tuvastuslülitite olekusignaale. Pärast vajalikku kompileerimist, loogilist hindamist ja võimsuse võimendamist juhitakse vastavaid ajamid otse, et juhtida tööpingi mehaanilisi komponente, hüdraulilisi ja pneumaatilisi abiseadmeid, et täita juhistes määratud toiminguid. See koosneb tavaliselt PLC-st ja tugeva voolu juhtimisahelast. PLC võib olla CNC-ga integreeritud (sisseehitatud PLC) või suhteliselt sõltumatu (väline PLC).
Tööpingi korpus ehk CNC-tööpingi mehaaniline struktuur koosneb ka peamistest ajamisüsteemidest, etteande ajamisüsteemidest, alustest, töölaudadest, abiliikumisseadmetest, hüdraulilistest ja pneumaatilistest süsteemidest, määrimissüsteemidest, jahutusseadmetest, laastueemaldus-, kaitsesüsteemidest ja muudest osadest. Kuid numbrilise juhtimise nõuete täitmiseks ja tööpingi jõudluse täielikuks parandamiseks on see läbi teinud olulisi muudatusi üldise paigutuse, välimuse disaini, ülekandesüsteemi struktuuri, tööriistasüsteemi ja tööparameetrite osas. Tööpingi mehaaniliste komponentide hulka kuuluvad alus, kast, sammas, juhtsiin, töölaud, spindel, etteandemehhanism, tööriistavahetusmehhanism jne.
CNC-töötlemise põhimõte
Traditsioonilistel metallilõikuspinkidel peab operaator detailide töötlemisel pidevalt muutma parameetreid, nagu tööriista liikumistrajektoor ja liikumiskiirus, vastavalt joonise nõuetele, et tööriist teostaks töödeldaval detailil lõikamisprotsessi ja töötleks lõpuks kvalifitseeritud osi.
CNC-tööpinkide töötlemisel rakendatakse sisuliselt "diferentsiaalprintsiipi". Selle tööpõhimõtet ja protsessi saab lühidalt kirjeldada järgmiselt:
Töötlemisprogrammi nõutava tööriista trajektoori järgi eristab arvjuhtimisseade trajektoori piki tööpingi vastavaid koordinaattelgi minimaalse liikumiskogusega (impulsi ekvivalendiga) (△X, △Y joonisel 1-2) ja arvutab impulsside arvu, mida iga koordinaattelg vajab liikumiseks.
Numbrilise juhtimisseadme interpoleerimistarkvara või interpoleerimiskalkulaatori abil sobitatakse vajalik trajektoor samaväärse polüjoonega minimaalse liikumisühiku ühikutes ja leitakse teoreetilisele trajektoorile kõige lähemal asuv sobitatud polüjoon.
Vastavalt sobitatud polüjoone trajektoorile jaotab arvjuhtimisseade pidevalt etteandeimpulsse vastavatele koordinaattelgedele ja võimaldab tööpingi koordinaattelgedel servomootori abil liikuda vastavalt määratud impulssidele.
On näha, et: esiteks, seni kuni CNC-tööpingi minimaalne liikumiskogus (impulsi ekvivalent) on piisavalt väike, saab kasutatavat sobitatud polüjoont teoreetilise kõveraga samaväärselt asendada. Teiseks, seni kuni koordinaattelgede impulsside jaotamise meetodit muudetakse, saab sobitatud polüjoone kuju muuta, saavutades seeläbi töötlemistrajektoori muutmise eesmärgi. Kolmandaks, seni kuni sagedus...