Teknologi Kawalan Berangka dan Alat Mesin CNC
Teknologi kawalan berangka, disingkatkan sebagai NC (Numerical Control), ialah satu cara untuk mengawal pergerakan mekanikal dan prosedur pemprosesan dengan bantuan maklumat digital. Pada masa ini, kerana kawalan berangka moden lazimnya menggunakan kawalan komputer, ia juga dikenali sebagai kawalan berangka berkomputer (Computerized Numerical Control – CNC).
Untuk mencapai kawalan maklumat digital bagi pergerakan mekanikal dan proses pemprosesan, perkakasan dan perisian yang sepadan mesti dilengkapi. Jumlah perkakasan dan perisian yang digunakan untuk melaksanakan kawalan maklumat digital dipanggil sistem kawalan berangka (Numerical Control System), dan teras sistem kawalan berangka ialah peranti kawalan berangka (Numerical Controller).
Mesin yang dikawal oleh teknologi kawalan berangka dipanggil alat mesin CNC (alat mesin NC). Ini ialah produk mekatronik biasa yang menyepadukan secara menyeluruh teknologi canggih seperti teknologi komputer, teknologi kawalan automatik, teknologi pengukuran ketepatan dan reka bentuk alat mesin. Ia adalah asas kepada teknologi pembuatan moden. Alat mesin mengawal adalah bidang teknologi kawalan berangka yang terawal dan paling meluas digunakan. Oleh itu, tahap alat mesin CNC sebahagian besarnya mewakili prestasi, tahap, dan trend pembangunan teknologi kawalan berangka semasa.
Terdapat pelbagai jenis alatan mesin CNC, termasuk penggerudian, pengilangan dan alat mesin membosankan, alat mesin memusing, alatan mesin pengisar, alatan mesin pemesinan nyahcas elektrik, alatan mesin penempaan, alatan mesin pemprosesan laser dan alatan mesin CNC tujuan khas lain dengan kegunaan khusus. Mana-mana alat mesin yang dikawal oleh teknologi kawalan berangka diklasifikasikan sebagai alat mesin NC.
Alat mesin CNC yang dilengkapi dengan penukar alat automatik ATC (Automatic Tool Changer – ATC), kecuali mesin bubut CNC dengan pemegang alat berputar, ditakrifkan sebagai pusat pemesinan (Pusat Mesin – MC). Melalui penggantian automatik alat, bahan kerja boleh melengkapkan pelbagai prosedur pemprosesan dalam satu pengapit, mencapai kepekatan proses dan gabungan proses. Ini secara berkesan memendekkan masa pemprosesan tambahan dan meningkatkan kecekapan kerja alat mesin. Pada masa yang sama, ia mengurangkan bilangan pemasangan dan kedudukan bahan kerja, meningkatkan ketepatan pemprosesan. Pusat pemesinan pada masa ini merupakan jenis alatan mesin CNC dengan output terbesar dan aplikasi terluas.
Berdasarkan alat mesin CNC, dengan menambahkan peranti pertukaran automatik pelbagai meja kerja (pallet) (Auto Pallet Changer – APC) dan peranti lain yang berkaitan, unit pemprosesan yang terhasil dipanggil sel pembuatan fleksibel (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC bukan sahaja menyedari kepekatan proses dan gabungan proses tetapi juga, dengan pertukaran automatik meja kerja (palet) dan fungsi pemantauan dan kawalan automatik yang agak lengkap, boleh melaksanakan pemprosesan tanpa pemandu untuk tempoh tertentu, dengan itu meningkatkan lagi kecekapan pemprosesan peralatan. FMC bukan sahaja asas kepada sistem pembuatan fleksibel FMS (Sistem Pembuatan Fleksibel) tetapi juga boleh digunakan sebagai peralatan pemprosesan automatik bebas. Oleh itu, kelajuan pembangunannya agak pesat.
Berdasarkan FMC dan pusat pemesinan, dengan menambahkan sistem logistik, robot industri, dan peralatan yang berkaitan, dan dikawal dan diuruskan oleh sistem kawalan pusat secara berpusat dan bersatu, sistem pembuatan sedemikian dipanggil sistem pembuatan fleksibel FMS (Sistem Pembuatan Fleksibel). FMS bukan sahaja boleh melakukan pemprosesan tanpa pemandu untuk tempoh yang lama tetapi juga mencapai pemprosesan lengkap pelbagai jenis bahagian dan pemasangan komponen, mencapai automasi proses pembuatan bengkel. Ia adalah sistem pembuatan termaju yang sangat automatik.
Dengan kemajuan berterusan sains dan teknologi, untuk menyesuaikan diri dengan keadaan permintaan pasaran yang berubah-ubah, untuk pembuatan moden, bukan sahaja perlu untuk mempromosikan automasi proses pembuatan bengkel tetapi juga untuk mencapai automasi komprehensif daripada ramalan pasaran, pembuatan keputusan pengeluaran, reka bentuk produk, pembuatan produk hingga penjualan produk. Sistem pengeluaran dan pembuatan lengkap yang dibentuk dengan menyepadukan keperluan ini dipanggil sistem pembuatan bersepadu komputer (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS secara organik menyepadukan pengeluaran yang lebih panjang dan aktiviti perniagaan, mencapai pengeluaran pintar yang lebih cekap dan lebih fleksibel, mewakili peringkat tertinggi pembangunan teknologi pembuatan automatik hari ini. Dalam CIMS, bukan sahaja integrasi peralatan pengeluaran, tetapi yang lebih penting, integrasi teknologi dan integrasi fungsi dicirikan oleh maklumat. Komputer ialah alat penyepaduan, teknologi unit automatik bantuan komputer adalah asas penyepaduan, dan pertukaran serta perkongsian maklumat dan data adalah jambatan penyepaduan. Produk akhir boleh dianggap sebagai manifestasi material maklumat dan data.
Sistem Kawalan Berangka dan Komponennya
Komponen Asas Sistem Kawalan Berangka
Sistem kawalan berangka alat mesin CNC adalah teras kepada semua peralatan kawalan berangka. Objek kawalan utama sistem kawalan berangka ialah anjakan paksi koordinat (termasuk kelajuan pergerakan, arah, kedudukan, dll.), dan maklumat kawalannya terutamanya datang daripada pemprosesan kawalan berangka atau program kawalan gerakan. Oleh itu, komponen paling asas sistem kawalan berangka hendaklah termasuk: peranti input/output program, peranti kawalan berangka dan pemacu servo.
Peranan peranti input/output adalah untuk memasukkan dan mengeluarkan data seperti pemprosesan kawalan berangka atau program kawalan gerakan, pemprosesan dan data kawalan, parameter alat mesin, kedudukan paksi menyelaras dan status suis pengesanan. Papan kekunci dan paparan ialah peranti input/output paling asas yang diperlukan untuk sebarang peralatan kawalan berangka. Selain itu, bergantung pada sistem kawalan berangka, peranti seperti pembaca fotoelektrik, pemacu pita, atau pemacu cakera liut juga boleh dilengkapi. Sebagai peranti persisian, komputer pada masa ini merupakan salah satu peranti input/output yang biasa digunakan.
Peranti kawalan berangka adalah komponen teras sistem kawalan berangka. Ia terdiri daripada litar antara muka input/output, pengawal, unit aritmetik dan ingatan. Peranan peranti kawalan berangka adalah untuk menyusun, mengira dan memproses input data oleh peranti input melalui litar logik dalaman atau perisian kawalan, dan mengeluarkan pelbagai jenis maklumat dan arahan untuk mengawal pelbagai bahagian alat mesin untuk melakukan tindakan yang ditentukan.
Antara maklumat dan arahan kawalan ini, yang paling asas ialah kelajuan suapan, arah suapan dan arahan anjakan suapan paksi koordinat. Ia dijana selepas pengiraan interpolasi, diberikan kepada pemacu servo, dikuatkan oleh pemacu, dan akhirnya mengawal anjakan paksi koordinat. Ini secara langsung menentukan trajektori pergerakan alat atau paksi koordinat.
Di samping itu, bergantung kepada sistem dan peralatan, contohnya, pada alat mesin CNC, mungkin juga terdapat arahan seperti kelajuan putaran, arah, mula/berhenti gelendong; pemilihan alat dan arahan pertukaran; arahan mula/berhenti peranti penyejukan dan pelinciran; arahan melonggarkan dan mengapit bahan kerja; pengindeksan meja kerja dan arahan tambahan lain. Dalam sistem kawalan berangka, ia disediakan kepada peranti kawalan tambahan luaran dalam bentuk isyarat melalui antara muka. Peranti kawalan tambahan melaksanakan kompilasi dan operasi logik yang diperlukan pada isyarat di atas, menguatkannya, dan memacu penggerak yang sepadan untuk memacu komponen mekanikal, hidraulik dan peranti tambahan pneumatik alat mesin untuk menyelesaikan tindakan yang ditentukan oleh arahan.
Pemacu servo biasanya terdiri daripada penguat servo (juga dikenali sebagai pemacu, unit servo) dan penggerak. Pada alat mesin CNC, motor servo AC biasanya digunakan sebagai penggerak pada masa ini; pada alat mesin pemesinan berkelajuan tinggi termaju, motor linear telah mula digunakan. Selain itu, pada alatan mesin CNC yang dihasilkan sebelum 1980-an, terdapat kes penggunaan motor servo DC; untuk alatan mesin CNC mudah, motor stepper juga digunakan sebagai penggerak. Bentuk penguat servo bergantung pada penggerak dan mesti digunakan bersama dengan motor pemacu.
Di atas adalah komponen paling asas dalam sistem kawalan berangka. Dengan pembangunan berterusan teknologi kawalan berangka dan peningkatan tahap prestasi alat mesin, keperluan fungsian untuk sistem juga semakin meningkat. Untuk memenuhi keperluan kawalan alat mesin yang berbeza, pastikan integriti dan keseragaman sistem kawalan berangka, dan memudahkan penggunaan pengguna, sistem kawalan berangka lanjutan yang biasa digunakan biasanya mempunyai pengawal boleh atur cara dalaman sebagai peranti kawalan tambahan alat mesin. Di samping itu, pada alat mesin pemotong logam, peranti pemacu gelendong juga boleh menjadi komponen sistem kawalan berangka; pada alat mesin CNC gelung tertutup, peranti pengukuran dan pengesanan juga amat diperlukan untuk sistem kawalan berangka. Untuk sistem kawalan berangka lanjutan, kadangkala komputer juga digunakan sebagai antara muka manusia-mesin sistem dan untuk pengurusan data dan peranti input/output, dengan itu menjadikan fungsi sistem kawalan berangka lebih berkuasa dan prestasi lebih sempurna.
Kesimpulannya, komposisi sistem kawalan berangka bergantung kepada prestasi sistem kawalan dan keperluan kawalan khusus peralatan. Terdapat perbezaan yang ketara dalam konfigurasi dan komposisinya. Sebagai tambahan kepada tiga komponen paling asas peranti input/output program pemprosesan, peranti kawalan berangka dan pemacu servo, mungkin terdapat lebih banyak peranti kawalan. Bahagian kotak putus-putus dalam Rajah 1-1 mewakili sistem kawalan berangka komputer.
Konsep NC, CNC, SV, dan PLC
NC (CNC), SV, dan PLC (PC, PMC) adalah singkatan bahasa Inggeris yang sangat biasa digunakan dalam peralatan kawalan berangka dan mempunyai makna yang berbeza dalam keadaan yang berbeza dalam aplikasi praktikal.
NC (CNC): NC dan CNC masing-masing ialah singkatan Bahasa Inggeris bagi Kawalan Berangka dan Kawalan Berangka Berkomputer. Memandangkan kawalan berangka moden semuanya menggunakan kawalan komputer, boleh dianggap bahawa makna NC dan CNC adalah sama sepenuhnya. Dalam aplikasi kejuruteraan, bergantung pada keadaan penggunaan, NC (CNC) biasanya mempunyai tiga makna berbeza: Dalam erti kata yang luas, ia mewakili teknologi kawalan - teknologi kawalan berangka; dalam erti kata yang sempit, ia mewakili entiti sistem kawalan - sistem kawalan berangka; selain itu, ia juga boleh mewakili peranti kawalan khusus – peranti kawalan berangka.
SV: SV ialah singkatan bahasa Inggeris biasa bagi servo drive (Servo Drive, disingkat sebagai servo). Mengikut syarat yang ditetapkan dalam piawaian JIS Jepun, ia adalah "mekanisme kawalan yang mengambil kedudukan, arah dan keadaan objek sebagai kuantiti kawalan dan menjejaki perubahan sewenang-wenangnya dalam nilai sasaran." Ringkasnya, ia adalah peranti kawalan yang secara automatik boleh mengikut kuantiti fizikal seperti kedudukan sasaran.
Pada alatan mesin CNC, peranan pemacu servo dicerminkan terutamanya dalam dua aspek: Pertama, ia membolehkan paksi koordinat beroperasi pada kelajuan yang diberikan oleh peranti kawalan berangka; kedua, ia membolehkan paksi koordinat diletakkan mengikut kedudukan yang diberikan oleh peranti kawalan berangka.
Objek kawalan pemacu servo biasanya adalah anjakan dan kelajuan paksi koordinat alat mesin; penggerak ialah motor servo; bahagian yang mengawal dan menguatkan isyarat arahan input sering dipanggil penguat servo (juga dikenali sebagai pemacu, penguat, unit servo, dll.), yang merupakan teras pemacu servo.
Pemacu servo bukan sahaja boleh digunakan bersama dengan peranti kawalan berangka tetapi juga boleh digunakan secara bersendirian sebagai sistem pengiring kedudukan (kelajuan). Oleh itu, ia juga sering dipanggil sistem servo. Pada sistem kawalan berangka awal, bahagian kawalan kedudukan secara amnya disepadukan dengan CNC, dan pemacu servo hanya melakukan kawalan kelajuan. Oleh itu, pemacu servo sering dipanggil unit kawalan kelajuan.
PLC: PC ialah singkatan Bahasa Inggeris dari Programmable Controller. Dengan peningkatan populariti komputer peribadi, untuk mengelakkan kekeliruan dengan komputer peribadi (juga dipanggil PC), pengawal boleh atur cara kini secara amnya dipanggil pengawal logik boleh atur cara (Programmalbe Logic Controller – PLC) atau pengawal mesin boleh atur cara (Programmable Machine Controller – PMC). Oleh itu, pada alat mesin CNC, PC, PLC, dan PMC mempunyai makna yang sama.
PLC mempunyai kelebihan tindak balas pantas, prestasi yang boleh dipercayai, penggunaan yang mudah, pengaturcaraan dan penyahpepijatan yang mudah, dan boleh terus memacu beberapa peralatan elektrik alat mesin. Oleh itu, ia digunakan secara meluas sebagai peranti kawalan tambahan untuk peralatan kawalan berangka. Pada masa ini, kebanyakan sistem kawalan berangka mempunyai PLC dalaman untuk memproses arahan tambahan alat mesin CNC, dengan itu sangat memudahkan peranti kawalan tambahan alat mesin. Di samping itu, dalam banyak keadaan, melalui modul berfungsi khas seperti modul kawalan paksi dan modul kedudukan PLC, PLC juga boleh digunakan secara langsung untuk mencapai kawalan kedudukan titik, kawalan linear, dan kawalan kontur mudah, membentuk alat mesin CNC khas atau barisan pengeluaran CNC.
Komposisi dan Prinsip Pemprosesan Alat Mesin CNC
Komposisi Asas Alat Mesin CNC
Alat mesin CNC adalah peralatan kawalan berangka yang paling tipikal. Untuk menjelaskan komposisi asas alat mesin CNC, pertama sekali perlu menganalisis proses kerja alat mesin CNC untuk bahagian pemprosesan. Pada alat mesin CNC, untuk memproses bahagian, langkah berikut boleh dilaksanakan:
Mengikut lukisan dan pelan proses bahagian yang akan diproses, menggunakan kod dan format program yang ditetapkan, tulis trajektori pergerakan alat, proses pemprosesan, parameter proses, parameter pemotongan, dll ke dalam borang arahan yang boleh dikenali oleh sistem kawalan berangka, iaitu, tulis program pemprosesan.
Masukkan program pemprosesan bertulis ke dalam peranti kawalan berangka.
Peranti kawalan berangka menyahkod dan memproses program input (kod) dan menghantar isyarat kawalan yang sepadan kepada peranti pemacu servo dan peranti kawalan fungsi tambahan setiap paksi koordinat untuk mengawal pergerakan setiap komponen alat mesin.
Semasa pergerakan, sistem kawalan berangka perlu mengesan kedudukan paksi koordinat alat mesin, status suis perjalanan, dsb. pada bila-bila masa, dan membandingkannya dengan keperluan program untuk menentukan tindakan seterusnya sehingga bahagian yang layak diproses.
Operator boleh memerhati dan memeriksa keadaan pemprosesan dan status kerja alat mesin pada bila-bila masa. Jika perlu, pelarasan pada tindakan alat mesin dan program pemprosesan juga diperlukan untuk memastikan operasi alat mesin yang selamat dan boleh dipercayai.
Ia boleh dilihat bahawa sebagai komposisi asas alat mesin CNC, ia harus termasuk: peranti input/output, peranti kawalan berangka, pemacu servo dan peranti maklum balas, peranti kawalan tambahan, dan badan alat mesin.
Komposisi Alat Mesin CNC
Sistem kawalan berangka digunakan untuk mencapai kawalan pemprosesan hos alat mesin. Pada masa ini, kebanyakan sistem kawalan berangka menggunakan kawalan berangka komputer (iaitu, CNC). Peranti input/output, peranti kawalan berangka, pemacu servo, dan peranti maklum balas dalam rajah bersama-sama membentuk sistem kawalan berangka alat mesin, dan peranannya telah diterangkan di atas. Berikut secara ringkas memperkenalkan komponen lain.
Peranti maklum balas pengukuran: Ia adalah pautan pengesanan alat mesin CNC gelung tertutup (separuh tertutup). Peranannya adalah untuk mengesan kelajuan dan anjakan anjakan sebenar penggerak (seperti pemegang alat) atau meja kerja melalui elemen pengukuran moden seperti pengekod nadi, penyelesai, penyegerak aruhan, jeriji, penimbang magnet, dan alat pengukur laser, dan suapkannya kembali ke peranti pemacu servo atau peranti kawalan pergerakan atau pengimbang kepada peranti kawalan pergerakan berangka. mencapai tujuan meningkatkan ketepatan mekanisme gerakan. Kedudukan pemasangan peranti pengesanan dan kedudukan di mana isyarat pengesanan disalurkan kembali bergantung pada struktur sistem kawalan berangka. Pengekod nadi terbina dalam servo, takometer dan jeriji linear ialah komponen pengesanan yang biasa digunakan.
Disebabkan fakta bahawa servo canggih semuanya menggunakan teknologi pemacu servo digital (dirujuk sebagai servo digital), bas biasanya digunakan untuk sambungan antara pemacu servo dan peranti kawalan berangka; dalam kebanyakan kes, isyarat maklum balas disambungkan ke pemacu servo dan dihantar ke peranti kawalan berangka melalui bas. Hanya dalam beberapa keadaan atau apabila menggunakan pemacu servo analog (biasanya dikenali sebagai servo analog), peranti maklum balas perlu disambungkan terus ke peranti kawalan berangka.
Mekanisme kawalan tambahan dan mekanisme penghantaran suapan: Ia terletak di antara peranti kawalan berangka dan komponen mekanikal dan hidraulik alat mesin. Peranan utamanya adalah untuk menerima keluaran kelajuan gelendong, arah dan arahan mula/berhenti oleh peranti kawalan berangka; pemilihan alat dan arahan pertukaran; arahan mula/berhenti peranti penyejukan dan pelinciran; isyarat arahan tambahan seperti melonggarkan dan mengapit bahan kerja dan komponen alat mesin, pengindeksan meja kerja, dan isyarat status suis pengesanan pada alat mesin. Selepas penyusunan yang diperlukan, pertimbangan logik dan penguatan kuasa, penggerak yang sepadan digerakkan secara langsung untuk memacu komponen mekanikal, hidraulik dan peranti bantu pneumatik alat mesin untuk menyelesaikan tindakan yang ditentukan oleh arahan. Ia biasanya terdiri daripada PLC dan litar kawalan arus yang kuat. PLC boleh disepadukan dengan CNC dalam struktur (PLC terbina dalam) atau agak bebas (PLC luaran).
Badan alat mesin, iaitu, struktur mekanikal alat mesin CNC, juga terdiri daripada sistem pemacu utama, sistem pemacu suapan, katil, meja kerja, peranti gerakan tambahan, sistem hidraulik dan pneumatik, sistem pelinciran, peranti penyejukan, penyingkiran cip, sistem perlindungan, dan bahagian lain. Walau bagaimanapun, untuk memenuhi keperluan kawalan berangka dan memberikan permainan sepenuhnya kepada prestasi alat mesin, ia telah mengalami perubahan ketara dari segi susun atur keseluruhan, reka bentuk penampilan, struktur sistem penghantaran, sistem alat dan prestasi pengendalian. Komponen mekanikal alat mesin termasuk katil, kotak, lajur, rel panduan, meja kerja, gelendong, mekanisme suapan, mekanisme pertukaran alat, dll.
Prinsip Pemesinan CNC
Pada alat mesin pemotong logam tradisional, apabila memproses bahagian, pengendali perlu terus menukar parameter seperti trajektori pergerakan dan kelajuan pergerakan alat mengikut keperluan lukisan, supaya alat melakukan pemprosesan pemotongan pada bahan kerja dan akhirnya memproses bahagian yang layak.
Pemprosesan alat mesin CNC pada asasnya menggunakan prinsip "perbezaan". Prinsip kerja dan prosesnya boleh diterangkan secara ringkas seperti berikut:
Mengikut trajektori alat yang diperlukan oleh program pemprosesan, peranti kawalan berangka membezakan trajektori sepanjang paksi koordinat sepadan alat mesin dengan jumlah pergerakan minimum (setara nadi) (△X, △Y dalam Rajah 1-2) dan mengira bilangan denyutan yang perlu digerakkan oleh setiap paksi koordinat.
Melalui perisian "interpolasi" atau kalkulator "interpolasi" peranti kawalan berangka, trajektori yang diperlukan dipasang dengan polyline yang setara dalam unit "unit pergerakan minimum" dan polyline yang dipasang paling hampir dengan trajektori teori ditemui.
Mengikut trajektori polyline yang dipasang, peranti kawalan berangka secara berterusan memperuntukkan denyutan suapan kepada paksi koordinat yang sepadan dan membolehkan paksi koordinat alat mesin bergerak mengikut denyutan yang diperuntukkan melalui pemacu servo.
Ia boleh dilihat bahawa: Pertama, selagi jumlah pergerakan minimum (bersamaan nadi) alat mesin CNC cukup kecil, garis poli dipasang yang digunakan boleh digantikan secara setara dengan lengkung teori. Kedua, selagi kaedah peruntukan nadi paksi koordinat diubah, bentuk polyline yang dipasang boleh diubah, dengan itu mencapai tujuan menukar trajektori pemprosesan. Ketiga, selagi kekerapan…