Tecnoloxía de Control Numérico e Máquinas Ferramentas CNC
A tecnoloxía de control numérico, abreviada como NC (Numerical Control), é un medio para controlar os movementos mecánicos e os procedementos de procesamento coa axuda de información dixital. Actualmente, como o control numérico moderno adopta habitualmente o control por computadora, tamén se coñece como control numérico computerizado (Computerized Numerical Control – CNC).
Para lograr o control dixital da información dos movementos mecánicos e os procesos de procesamento, débese equipar o hardware e o software correspondentes. A suma do hardware e o software empregados para implementar o control dixital da información denomínase sistema de control numérico (Sistema de Control Numérico), e o núcleo do sistema de control numérico é o dispositivo de control numérico (Controlador Numérico).
As máquinas controladas por tecnoloxía de control numérico denomínanse máquinas-ferramenta CNC (máquinas-ferramenta NC). Trátase dun produto mecatrónico típico que integra de forma completa tecnoloxías avanzadas como a informática, a tecnoloxía de control automático, a tecnoloxía de medición de precisión e o deseño de máquinas-ferramenta. É a pedra angular da tecnoloxía de fabricación moderna. O control de máquinas-ferramenta é o campo máis antigo e amplamente aplicado da tecnoloxía de control numérico. Polo tanto, o nivel das máquinas-ferramenta CNC representa en gran medida o rendemento, o nivel e a tendencia de desenvolvemento da tecnoloxía de control numérico actual.
Existen varios tipos de máquinas ferramenta CNC, incluíndo máquinas ferramenta de perforación, fresado e mandrinado, máquinas ferramenta de torneado, máquinas ferramenta de rectificado, máquinas ferramenta de mecanizado por descarga eléctrica, máquinas ferramenta de forxa, máquinas ferramenta de procesamento láser e outras máquinas ferramenta CNC para fins especiais con usos específicos. Calquera máquina ferramenta controlada por tecnoloxía de control numérico clasifícase como máquina ferramenta NC.
Aquelas máquinas ferramenta CNC equipadas cun cambiador automático de ferramentas ATC (Automatic Tool Changer – ATC), agás os tornos CNC con portaferramentas rotativos, defínense como centros de mecanizado (Machine Center – MC). Mediante a substitución automática de ferramentas, as pezas poden completar múltiples procedementos de procesamento nunha única fixación, conseguindo a concentración de procesos e a combinación de procesos. Isto acurta eficazmente o tempo de procesamento auxiliar e mellora a eficiencia de traballo da máquina ferramenta. Simultaneamente, reduce o número de instalacións e posicionamentos de pezas, mellorando a precisión do procesamento. Os centros de mecanizado son actualmente o tipo de máquinas ferramenta CNC con maior produción e a aplicación máis ampla.
Baseándose nas máquinas ferramenta CNC, ao engadir dispositivos de intercambio automático de varias mesas de traballo (palés) (cambiador automático de palés – APC) e outros dispositivos relacionados, a unidade de procesamento resultante chámase célula de fabricación flexible (célula de fabricación flexible – FMC). A FMC non só realiza a concentración de procesos e a combinación de procesos, senón que tamén, coa intercambio automático de mesas de traballo (palés) e funcións de monitorización e control automáticos relativamente completas, pode realizar procesamentos non tripulados durante un determinado período, mellorando así aínda máis a eficiencia de procesamento do equipo. A FMC non só é a base do sistema de fabricación flexible FMS (Sistema de Fabricación Flexible), senón que tamén se pode usar como un equipo de procesamento automatizado independente. Polo tanto, a súa velocidade de desenvolvemento é bastante rápida.
Baseándose no FMC e nos centros de mecanizado, engadindo sistemas loxísticos, robots industriais e equipos relacionados, e controlados e xestionados por un sistema de control central de maneira centralizada e unificada, un sistema de fabricación deste tipo denomínase sistema de fabricación flexible FMS (Sistema de Fabricación Flexible). O FMS non só pode realizar procesamentos non tripulados durante longos períodos, senón que tamén pode lograr o procesamento completo de varios tipos de pezas e ensamblaxes de compoñentes, logrando a automatización do proceso de fabricación no taller. É un sistema de fabricación avanzado altamente automatizado.
Co progreso continuo da ciencia e a tecnoloxía, para adaptarse á situación cambiante da demanda do mercado, para a fabricación moderna, non só é necesario promover a automatización do proceso de fabricación no taller, senón tamén lograr unha automatización integral desde a previsión do mercado, a toma de decisións de produción, o deseño do produto, a fabricación do produto ata as vendas do produto. O sistema completo de produción e fabricación formado pola integración destes requisitos denomínase sistema de fabricación integrado por ordenador (Sistema de Fabricación Integrado por Ordenador - CIMS). O CIMS integra organicamente unha actividade de produción e negocio máis longa, logrando unha produción intelixente máis eficiente e flexible, representando a etapa máis alta do desenvolvemento da tecnoloxía de fabricación automatizada actual. No CIMS, non só se integra o equipo de produción, senón, o máis importante, a integración da tecnoloxía e a integración de funcións caracterízanse pola información. O ordenador é a ferramenta de integración, a tecnoloxía da unidade automatizada asistida por ordenador é a base da integración e o intercambio e a compartición de información e datos é a ponte de integración. O produto final pode considerarse a manifestación material da información e os datos.
O sistema de control numérico e os seus compoñentes
Os compoñentes básicos do sistema de control numérico
O sistema de control numérico dunha máquina ferramenta CNC é o núcleo de todos os equipos de control numérico. O principal obxecto de control do sistema de control numérico é o desprazamento dos eixes de coordenadas (incluíndo a velocidade de movemento, a dirección, a posición, etc.), e a súa información de control provén principalmente do procesamento de control numérico ou dos programas de control de movemento. Polo tanto, os compoñentes máis básicos do sistema de control numérico deben incluír: o dispositivo de entrada/saída do programa, o dispositivo de control numérico e o servomotor.
A función do dispositivo de entrada/saída é introducir e emitir datos como o procesamento de control numérico ou os programas de control de movemento, os datos de procesamento e control, os parámetros da máquina-ferramenta, as posicións dos eixes de coordenadas e o estado dos interruptores de detección. O teclado e a pantalla son os dispositivos de entrada/saída máis básicos necesarios para calquera equipo de control numérico. Ademais, dependendo do sistema de control numérico, tamén se poden equipar dispositivos como lectores fotoeléctricos, unidades de cinta ou unidades de disquete. Como dispositivo periférico, o ordenador é actualmente un dos dispositivos de entrada/saída máis utilizados.
O dispositivo de control numérico é o compoñente central do sistema de control numérico. Consta de circuítos de interface de entrada/saída, controladores, unidades aritméticas e memoria. A función do dispositivo de control numérico é compilar, calcular e procesar os datos introducidos polo dispositivo de entrada a través do circuíto lóxico interno ou software de control, e emitir varios tipos de información e instrucións para controlar as distintas partes da máquina ferramenta para realizar accións específicas.
Entre esta información e instrucións de control, as máis básicas son as instrucións de velocidade de alimentación, dirección de alimentación e desprazamento de alimentación dos eixes de coordenadas. Xéranse despois de cálculos de interpolación, envíanse ao servoaccionamento, amplificanse polo controlador e, en última instancia, controlan o desprazamento dos eixes de coordenadas. Isto determina directamente a traxectoria de movemento da ferramenta ou dos eixes de coordenadas.
Ademais, dependendo do sistema e do equipo, por exemplo, nunha máquina ferramenta CNC, tamén pode haber instrucións como a velocidade de rotación, a dirección, o arranque/parada do fuso; instrucións de selección e cambio de ferramentas; instrucións de arranque/parada dos dispositivos de refrixeración e lubricación; instrucións de afrouxamento e fixación da peza; indexación da mesa de traballo e outras instrucións auxiliares. No sistema de control numérico, estas instrucións envíanse ao dispositivo de control auxiliar externo en forma de sinais a través da interface. O dispositivo de control auxiliar realiza as operacións de compilación e lóxicas necesarias sobre os sinais anteriores, amplifícaos e acciona os actuadores correspondentes para acciona-los compoñentes mecánicos, os dispositivos auxiliares hidráulicos e pneumáticos da máquina ferramenta para completar as accións especificadas polas instrucións.
O servoaccionamento adoita consistir en servoamplificadores (tamén coñecidos como controladores, unidades servo) e actuadores. Nas máquinas ferramenta CNC, os servomotores de CA úsanse xeralmente como actuadores na actualidade; nas máquinas ferramenta de mecanizado de alta velocidade avanzadas, comezaron a usarse motores lineais. Ademais, nas máquinas ferramenta CNC producidas antes da década de 1980, houbo casos de uso de servomotores de CC; para máquinas ferramenta CNC sinxelas, tamén se usaron motores paso a paso como actuadores. A forma do servoamplificador depende do actuador e debe usarse xunto co motor de accionamento.
Os anteriores son os compoñentes máis básicos do sistema de control numérico. Co desenvolvemento continuo da tecnoloxía de control numérico e a mellora dos niveis de rendemento das máquinas-ferramenta, os requisitos funcionais do sistema tamén están a aumentar. Para cumprir cos requisitos de control das diferentes máquinas-ferramenta, garantir a integridade e uniformidade do sistema de control numérico e facilitar o uso por parte do usuario, os sistemas de control numérico avanzados de uso común adoitan ter un controlador programable interno como dispositivo de control auxiliar da máquina-ferramenta. Ademais, nas máquinas-ferramenta de corte de metal, o dispositivo de accionamento do fuso tamén pode converterse nun compoñente do sistema de control numérico; nas máquinas-ferramenta CNC de bucle pechado, os dispositivos de medición e detección tamén son indispensables para o sistema de control numérico. Para os sistemas de control numérico avanzados, ás veces incluso se usa un ordenador como interface home-máquina do sistema e para a xestión de datos e os dispositivos de entrada/saída, facendo así que as funcións do sistema de control numérico sexan máis potentes e o rendemento máis perfecto.
En conclusión, a composición do sistema de control numérico depende do rendemento do sistema de control e dos requisitos de control específicos do equipo. Existen diferenzas significativas na súa configuración e composición. Ademais dos tres compoñentes máis básicos do dispositivo de entrada/saída do programa de procesamento, o dispositivo de control numérico e o servomotor, pode haber máis dispositivos de control. A parte da caixa discontinua na Figura 1-1 representa o sistema de control numérico por computadora.
Os conceptos de NC, CNC, SV e PLC
NC (CNC), SV e PLC (PC, PMC) son abreviaturas inglesas moi empregadas nos equipos de control numérico e teñen significados diferentes en diferentes ocasións en aplicacións prácticas.
NC (CNC): NC e CNC son as abreviaturas habituais en inglés de Numerical Control e Computerized Numerical Control, respectivamente. Dado que o control numérico moderno adopta o control por computadora, pódese considerar que os significados de NC e CNC son completamente os mesmos. Nas aplicacións de enxeñaría, dependendo da ocasión de uso, NC (CNC) adoita ter tres significados diferentes: nun sentido amplo, representa unha tecnoloxía de control (tecnoloxía de control numérico); nun sentido restrinxido, representa unha entidade dun sistema de control (sistema de control numérico); ademais, tamén pode representar un dispositivo de control específico (dispositivo de control numérico).
SV: SV é a abreviatura común en inglés de servo drive (Servo Drive, abreviado como servo). Segundo os termos prescritos da norma xaponesa JIS, é "un mecanismo de control que toma a posición, a dirección e o estado dun obxecto como cantidades de control e rastrexa cambios arbitrarios no valor obxectivo". En resumo, é un dispositivo de control que pode seguir automaticamente cantidades físicas como a posición obxectivo.
Nas máquinas ferramenta CNC, o papel do servoaccionamento reflíctese principalmente en dous aspectos: primeiro, permite que os eixes de coordenadas funcionen á velocidade dada polo dispositivo de control numérico; segundo, permite que os eixes de coordenadas se posicionen segundo a posición dada polo dispositivo de control numérico.
Os obxectos de control do servoaccionamento adoitan ser o desprazamento e a velocidade dos eixes de coordenadas da máquina ferramenta; o actuador é un servomotor; a parte que controla e amplifica o sinal de comando de entrada adoita chamarse servoamplificador (tamén coñecido como controlador, amplificador, unidade servo, etc.), que é o núcleo do servoaccionamento.
O servoaccionamento non só se pode usar xunto co dispositivo de control numérico, senón que tamén se pode usar só como un sistema de acompañamento da posición (velocidade). Polo tanto, tamén se lle chama a miúdo servosistema. Nos primeiros sistemas de control numérico, a parte de control de posición xeralmente estaba integrada co CNC e o servoaccionamento só realizaba o control de velocidade. Polo tanto, o servoaccionamento adoitaba chamarse unidade de control de velocidade.
PLC: PC é a abreviatura inglesa de Controlador Programable. Coa crecente popularidade dos ordenadores persoais, para evitar confusións cos ordenadores persoais (tamén chamados PC), os controladores programables agora denomínanse xeralmente controladores lóxicos programables (Programmalbe Logic Controller – PLC) ou controladores de máquinas programables (Programmable Machine Controller – PMC). Polo tanto, nas máquinas ferramenta CNC, PC, PLC e PMC teñen exactamente o mesmo significado.
O PLC ten as vantaxes dunha resposta rápida, un rendemento fiable, un uso cómodo, unha programación e depuración sinxelas e pode controlar directamente algúns aparellos eléctricos de máquinas-ferramenta. Polo tanto, úsase amplamente como dispositivo de control auxiliar para equipos de control numérico. Actualmente, a maioría dos sistemas de control numérico teñen un PLC interno para procesar as instrucións auxiliares das máquinas-ferramenta CNC, o que simplifica enormemente o dispositivo de control auxiliar da máquina-ferramenta. Ademais, en moitas ocasións, a través de módulos funcionais especiais como o módulo de control de eixes e o módulo de posicionamento do PLC, o PLC tamén se pode utilizar directamente para lograr o control de posición de puntos, o control lineal e o control de contornos simple, formando máquinas-ferramenta CNC especiais ou liñas de produción CNC.
O principio de composición e procesamento das máquinas-ferramenta CNC
A composición básica das máquinas-ferramenta CNC
As máquinas-ferramenta CNC son os equipos de control numérico máis típicos. Para aclarar a composición básica das máquinas-ferramenta CNC, primeiro é necesario analizar o proceso de traballo das máquinas-ferramenta CNC para o procesamento de pezas. Nas máquinas-ferramenta CNC, para procesar pezas, pódense implementar os seguintes pasos:
Segundo os debuxos e os planos de proceso das pezas a procesar, empregando os códigos e os formatos de programa prescritos, escriba a traxectoria de movemento das ferramentas, o proceso de procesamento, os parámetros do proceso, os parámetros de corte, etc. no formulario de instrucións recoñecible polo sistema de control numérico, é dicir, escriba o programa de procesamento.
Introduza o programa de procesamento escrito no dispositivo de control numérico.
O dispositivo de control numérico descodifica e procesa o programa de entrada (código) e envía os sinais de control correspondentes aos dispositivos de servoaccionamento e aos dispositivos de control de funcións auxiliares de cada eixe de coordenadas para controlar o movemento de cada compoñente da máquina ferramenta.
Durante o movemento, o sistema de control numérico necesita detectar a posición dos eixes de coordenadas da máquina ferramenta, o estado dos interruptores de desprazamento, etc. en calquera momento e comparalos cos requisitos do programa para determinar a seguinte acción ata que se procesen as pezas cualificadas.
O operador pode observar e inspeccionar as condicións de procesamento e o estado de funcionamento da máquina ferramenta en calquera momento. Se é necesario, tamén se requiren axustes nas accións da máquina ferramenta e nos programas de procesamento para garantir o funcionamento seguro e fiable da máquina ferramenta.
Pódese observar que, como composición básica dunha máquina ferramenta CNC, debe incluír: dispositivos de entrada/saída, dispositivos de control numérico, servomotores e dispositivos de retroalimentación, dispositivos de control auxiliares e o corpo da máquina ferramenta.
A composición das máquinas-ferramenta CNC
O sistema de control numérico utilízase para lograr o control de procesamento do servidor da máquina-ferramenta. Actualmente, a maioría dos sistemas de control numérico adoptan o control numérico por computadora (é dicir, CNC). O dispositivo de entrada/saída, o dispositivo de control numérico, o servomotor e o dispositivo de retroalimentación da figura constitúen xuntos o sistema de control numérico da máquina-ferramenta, e a súa función foi descrita anteriormente. A continuación preséntanse brevemente outros compoñentes.
Dispositivo de retroalimentación de medición: é a conexión de detección dunha máquina ferramenta CNC de bucle pechado (bucle semipechado). A súa función é detectar a velocidade e o desprazamento do desprazamento real do actuador (como o portaferramentas) ou da mesa de traballo mediante elementos de medición modernos como codificadores de pulsos, resolvedores, sincronizadores de indución, reixas, básculas magnéticas e instrumentos de medición láser, e retroalimentalos ao dispositivo de servoaccionamento ou ao dispositivo de control numérico, e compensar a velocidade de alimentación ou o erro de movemento do actuador para lograr o propósito de mellorar a precisión do mecanismo de movemento. A posición de instalación do dispositivo de detección e a posición onde se retroalimenta o sinal de detección dependen da estrutura do sistema de control numérico. Os codificadores de pulsos integrados con servomotores, os tacómetros e as reixas lineais son compoñentes de detección de uso común.
Debido a que todos os servos avanzados adoptan a tecnoloxía de servoaccionamento dixital (denominada servo dixital), adoita empregarse un bus para a conexión entre o servoaccionamento e o dispositivo de control numérico; na maioría dos casos, o sinal de retroalimentación conéctase ao servoaccionamento e transmítese ao dispositivo de control numérico a través do bus. Só nalgunhas ocasións ou cando se usan servoaccionamentos analóxicos (coñecidos comunmente como servo analóxicos), o dispositivo de retroalimentación precisa conectarse directamente ao dispositivo de control numérico.
Mecanismo de control auxiliar e mecanismo de transmisión de alimentación: Está situado entre o dispositivo de control numérico e os compoñentes mecánicos e hidráulicos da máquina ferramenta. A súa función principal é recibir a velocidade do fuso, a dirección e as instrucións de arranque/parada emitidas polo dispositivo de control numérico; instrucións de selección e intercambio de ferramentas; instrucións de arranque/parada dos dispositivos de refrixeración e lubricación; sinais de instrucións auxiliares como afrouxamento e fixación de pezas e compoñentes da máquina ferramenta, indexación da mesa de traballo e os sinais de estado dos interruptores de detección da máquina ferramenta. Despois da compilación necesaria, o xuízo lóxico e a amplificación de potencia, os actuadores correspondentes son accionados directamente para accionar os compoñentes mecánicos, os dispositivos auxiliares hidráulicos e neumáticos da máquina ferramenta para completar as accións especificadas polas instrucións. Normalmente está composto por un PLC e un circuíto de control de corrente forte. O PLC pode estar integrado co CNC en estrutura (PLC incorporado) ou relativamente independente (PLC externo).
O corpo da máquina ferramenta, é dicir, a estrutura mecánica da máquina ferramenta CNC, tamén está composto por sistemas de accionamento principais, sistemas de accionamento de alimentación, bancadas, mesas de traballo, dispositivos de movemento auxiliares, sistemas hidráulicos e pneumáticos, sistemas de lubricación, dispositivos de refrixeración, eliminación de virutas, sistemas de protección e outras pezas. Non obstante, para cumprir os requisitos do control numérico e dar pleno rendemento á máquina ferramenta, esta sufriu cambios significativos en termos de deseño xeral, deseño de aparencia, estrutura do sistema de transmisión, sistema de ferramentas e rendemento operativo. Os compoñentes mecánicos da máquina ferramenta inclúen a bancada, a caixa, a columna, o carril guía, a mesa de traballo, o eixo, o mecanismo de alimentación, o mecanismo de intercambio de ferramentas, etc.
O principio do mecanizado CNC
Nas máquinas-ferramenta tradicionais de corte de metal, ao procesar pezas, o operador necesita cambiar continuamente parámetros como a traxectoria de movemento e a velocidade de movemento da ferramenta segundo os requisitos do debuxo, de xeito que a ferramenta realice o procesamento de corte na peza e finalmente procese pezas cualificadas.
O procesamento de máquinas-ferramenta CNC aplica esencialmente o principio "diferencial". O seu principio de funcionamento e proceso pódense describir brevemente do seguinte xeito:
Segundo a traxectoria da ferramenta requirida polo programa de procesamento, o dispositivo de control numérico diferencia a traxectoria ao longo dos eixes de coordenadas correspondentes da máquina ferramenta coa cantidade mínima de movemento (equivalente de pulsos) (△X, △Y na Figura 1-2) e calcula o número de pulsos que cada eixe de coordenadas necesita moverse.
Mediante o software de "interpolación" ou a calculadora de "interpolación" do dispositivo de control numérico, axústase á traxectoria requirida unha polilínea equivalente en unidades de "unidade de movemento mínimo" e atópase a polilínea axustada máis próxima á traxectoria teórica.
Segundo a traxectoria da poliliña axustada, o dispositivo de control numérico asigna continuamente pulsos de alimentación aos eixes de coordenadas correspondentes e permite que os eixes de coordenadas da máquina-ferramenta se movan segundo os pulsos asignados a través do servoaccionamento.
Pódese observar que: en primeiro lugar, sempre que a cantidade mínima de movemento (equivalente de pulso) da máquina ferramenta CNC sexa o suficientemente pequena, a poliliña axustada utilizada pode substituír de forma equivalente a curva teórica. en segundo lugar, sempre que se cambie o método de asignación de pulsos dos eixes de coordenadas, pódese cambiar a forma da poliliña axustada, conseguindo así o propósito de cambiar a traxectoria de procesamento. en terceiro lugar, sempre que a frecuencia de...