Skomputeryzowane sterowanie numeryczne - Czym właściwie jest CNC?

Sterowanie numeryczne, znane również jako sterowanie NC, to urządzenia do ukierunkowanego sterowania maszynami. Przekształcają zakodowane dane dostarczone do sterownika NC na nośniku danych w odpowiednie polecenia sterujące i wynikające z nich sekwencje pracy i ruchu. Wprowadzenie komputera otworzyło nowe możliwości ulepszania sterowania NC i rozwijania ich poprzez integrację komputera ze sterowaniem CNC. Oba te systemy zostały szczegółowo omówione w tym artykule. Ponadto obejmuje sterowanie PLC, które jest również podejściem do sterowania maszynami i urządzeniami przemysłowymi i jest często używane w połączeniu ze sterowaniem (C)NC.

Jak działa sterowanie NC?

Pierwsze elementy sterujące NC były zrealizowane w latach 1970-tych jako instalacje przewodowe. Dla każdego zastosowania tworzono indywidualne rozwiązanie. Układ sterowania NC odczytuje polecenia sterujące, które są wcześniej wprowadzane jako kod za pośrednictwem nośnika danych, a następnie układ sterowania przekształca te polecenia sterujące w sekwencje pracy lub ruchu. Dostosowanie do różnych produktów jest stosunkowo łatwe w zakresie możliwości maszyny i dostępnych parametrów, dlatego sterowanie NC jest stosowane przede wszystkim w obrabiarkach.

Wadą elementów sterujących NC jest to, że są one ograniczone pod względem pojemności pamięci i użytecznych poleceń sterujących. W związku z tym, czystego sterowania NC prawie się już nie stosuje. Jest ono raczej stosowane razem z komputerami w układach sterowania CNC.

Struktura programu

Norma DIN 66025 definiuje następującą strukturę programu dla sterowania NC:

• Pierwsza linia zaczyna się od znaku %, po którym następuje nazwa programu.
• Dodatkowe linie rozpoczynają się od N i numeru kolejnego, najlepiej w krokach po dziesięć.
• Drugim parametrem jest polecenie zainicjowane przez literę G.
• Informacje o ścieżce są następnie dostarczane przez określenie wartości X, Y, Z, U, V i W. Jeśli ma nastąpić ruch okrężny, dodaje się wartości I, J i K.
• Inne opcje to: Funkcje T dla wyboru narzędzia, funkcje S dla prędkości wrzeciona i funkcje F lub M dla posuwu.
• Na końcu programu zawsze jest funkcja M. Spowoduje to zresetowanie programu.

Przykład:

%MSM

N10 G00 T32

N20 G01 X-10 Y0 Z-10

N30 M20

Ważne jest, aby pamiętać, że polecenia pozostają aktywne, dopóki nie zostaną zastąpione nowymi poleceniami:

Na przykład, jeśli wprowadzisz współrzędne dla osi X, Y i Z w linii 2 i jeśli taki układ pozostanie również w przyszłości, nie trzeba go powtarzać w kolejnych wierszach. Nowa współrzędna jest wprowadzana tylko wtedy, gdy ma zostać zmieniona zapisana orientacja.

Postęp w kierunku sterowania CNC

Dzięki integracji komputerów można ich używać do bezpośredniego sterowania maszynami. Elementy sterujące CNC zapewniają znacznie większą elastyczność niż same elementy sterujące NC. Oprogramowanie CAD lub CAM można łatwo dostosować do parametrów przetwarzania bez konieczności zmiany sprzętu samej jednostki sterującej.

Zasady sterowania CNC

Program jest wykonywany za pomocą komputera lub mikrokontrolera do sterowania CNC. Pożądane sygnały są następnie przesyłane przez obwód elektryczny do układu sterowania maszyną i tam realizowane. Zazwyczaj sterowanie CNC składa się z następujących elementów:

• Układ napędowy: Składa się z silników elektrycznych i elektroniki sterującej. Układ napędowy ruchu osi CNC. Silniki krokowe, serwonapędy itp. Używane są napędy.
• Pamięć: Pamięć zawiera kod G (program sterujący) i inne informacje dotyczące obsługi maszyny CNC.
• Procesor: Centralna jednostka przetwarza polecenia i kontroluje ruchy i funkcje.
• Interfejs wejścia i wyjścia: Interfejsy umożliwiają komunikację między sterowaniem CNC a czujnikami i innymi urządzeniami lub systemami.
• Panel sterowania: Panel sterowania to interfejs człowiek-maszyna. Umożliwia to użytkownikowi ustawienie parametrów, monitorowanie procesu lub wykonywanie programów.

Podczas fizycznego wdrażania poleceń do maszyn wykorzystywane są różne komponenty, takie jak napędy ze śrubami kulowymi, siłowniki itp. prowadnice liniowe, silniki, enkodery i uchwyty narzędziowe. Można je również znaleźć w różnych wersjach w MISUMI.

Rodzaje elementów sterujących CNC

Koncepcje sterowania można podzielić na sterowanie punktowe, sterowanie torem i sterowane ścieżką.

Sterowanie punktowe odnosi się do sterowania określonym punktem lub indywidualnym położeniem maszyny, np. w celu wiercenia lub wykrawania. Narzędzie jest przesuwane dokładnie w położenie przedmiotu obrabianego, gdzie zaczyna obróbkę. Pozycjonowanie odbywa się od punktu do punktu. Nie można elastycznie wpływać na np. prędkość jazdy do nowego położenia.

W przeciwieństwie do sterowania punktowego, elementy sterujące torem umożliwiają sterowanie jedną osią na raz pod względem prędkości i położenia. Oznacza to, że można również pokonać odległości osiowe lub parosiowe. Ruchy są ograniczone do lewej, prawej, przedniej lub tylnej strony.

Sterowanie ścieżką oznacza, że maszyna porusza się w kilku osiach jednocześnie, aby narzędzie podążało po ścieżce. Sterowanie podawaniem jest zwykle używane do sterowania ścieżką. W zależności od systemu ścieżkami mogą być dowolne linie proste biegnące w dowolnym miejscu w przestrzeni lub krzywe i okręgi.

Inną opcją różnicowania jest liczba sterowanych osi. Możliwe warianty to sterowanie 3-, 4- lub 5-osiowe. Im bardziej złożony jest obrabiany przedmiot, tym więcej osi jest używanych. Zasadniczo oś X, oś Y i oś Z są zawsze sterowane. Nadal można dodawać osie obrotowe jako oś czwartą i piątą. Pięć osi umożliwia obróbkę złożonych kształtów przestrzennych.

Zalety i wady sterowania CNC

Sterowanie CNC jest bardzo precyzyjne i umożliwia realizację złożonych procesów produkcyjnych. Umożliwia to masową produkcję i zmniejsza pracę ludzką. Jednocześnie potrzebny jest jednak bardziej wykwalifikowany personel. Wysokie koszty akwizycji powodują również wysokie koszty początkowe. Należy je jednak szybko zrównoważyć długofalową optymalizacją procesów i zwiększeniem wielkości produkcji.

PLC – programowalny sterownik logiczny

Sterownik PLC to kolejne podejście do sterowania maszynami i systemami przemysłowymi. Sterowniki PLC są jednak nie tylko używane do sterowania ruchem, ale przede wszystkim do monitorowania i kontrolowania procesów przemysłowych. Wykonują złożone operacje logiczne i kontrolują wejścia i wyjścia cyfrowe i analogowe.

Minimalna konstrukcja sterownika PLC zawsze składa się z jednostki wejściowej, jednostki przetwarzającej i jednostki wyjściowej, tzw. zasady EVA. Ponadto dostępne są wskaźniki stanu, nośnik danych i zasilacz. Dlatego komponenty są podobne do elementów sterowania CNC. Wejścia, takie jak czujniki i skanery, komunikują się z wyjściami, takimi jak silniki i światła, za pośrednictwem procesora. Funkcje mogą być realizowane za pomocą różnych modułów. W tym celu stosuje się tzw. moduły logiczne.

Tryb pracy i funkcje logiczne sterownika PLC

Sterownik PLC pełni zasadniczo następujące funkcje: gromadzenie danych, przetwarzanie danych, podejmowanie decyzji i sterowanie siłownikiem. Na przykład dane są uzyskiwane z czujników monitorujących stan systemu podczas gromadzenia danych.

Parametry mogą być następujące: temperatura, informacje o położeniu, ciśnienie itp. Te dane stanowią podstawę do kolejnych kroków: Czy temperatura otoczenia jest zbyt wysoka? Czy doszło do spadku ciśnienia?

Przetwarzanie danych następnie porównuje wartości lub wykonuje operacje logiczne, aby ostatecznie zdecydować, jakie działania należy wykonać. Podjęta decyzja, np. zmiana parametrów maszyny, jest teraz wdrażana poprzez uruchomienie siłowników. Sterownik PLC wysyła sygnały sterujące do siłowników (np. silników, zaworów itp.), które następnie realizują żądane działanie.

Funkcje logiczne, które są używane i łączą ze sobą wejścia, mogą być:

• ORAZ operacja: Jeśli obie wartości wejściowe są prawdziwe, sygnalizowane jest „prawda” i wykonywana jest funkcja. Przykład: po zamknięciu drzwi należy je automatycznie zabezpieczyć aktywnym alarmem bezpieczeństwa. Funkcję alarmu można włączyć tylko wtedy, gdy drzwi są zablokowane i włączony jest alarm bezpieczeństwa.
• Działanie OR: Sygnalizuje „prawda”, jeśli co najmniej jedna wartość wejściowa jest prawdziwa. Przykład: Drzwi można otworzyć za pomocą karty lub kodu PIN. Obie opcje otwierają drzwi.
• Działanie XOR: oznacza „Exclusive OR” (tylko LUB). Sygnalizuje „prawda”, gdy dokładnie jedna wartość wejściowa jest prawdziwa. Nadaje się do porównywania wielu wejść. Przykład: Przełączanie wciągarki kablowej z dwoma przyciskami przed uruchomieniem/powrót. Jeśli żaden przycisk nie zostanie naciśnięty, nie ma sygnału (silnik wyłączony). Jeśli zostanie naciśnięty przycisk pracy wstępnej lub powrotu, sygnał wstępnego uruchomienia lub powrotu zostanie przekazany do przodu. Naciśnięcie obu przycisków oznacza brak sygnału (silnik wyłączony).
• działanie NON: Odwraca wartość wejściową. Przykład: System alarmowy drzwi powinien być aktywny tylko wtedy, gdy drzwi są zamknięte.

Logiczne powiązanie zmiennych wejściowych i wyjściowych jest pokazane w tak zwanym planie funkcji: Tutaj wszystkie wejścia i wyjścia, bloki funkcyjne, a także połączenia i kierunki są wizualizowane w swego rodzaju schemat obwodu. Plan funkcji wspiera projektowanie, wdrażanie i analizę systemów sterowania PLC.

Zalety i możliwe zastosowania sterowania PLC

Wiele zastosowań przemysłowych może skorzystać z zastosowania sterowania PLC. W automatyce jest ono wykorzystywane do sterowania maszynami, automatyzacji linii produkcyjnych i zwiększania wydajności. Jest również idealne do sterowania procesem ze względu na funkcje logiczne, które można łączyć zgodnie z potrzebami.

Zalety sterowania PLC obejmują:

• zmiany i poprawki są łatwe do wprowadzenia bez modyfikacji
• błędy można szybko naprawić, ponieważ obwód można przetestować bezpośrednio na urządzeniu programującym
• krzywe sygnału można obserwować

współdziałanie różnych trybów sterowania

W przypadku bardziej złożonych przykładów zastosowań układy sterowania PLC i (C)NC mogą być używane razem, np. do wykonywania następujących zadań:

• wymiana danych i komunikacja
• Sterowanie nadrzędne
• Bezpieczeństwo i monitorowanie

Sterowanie PLC jest, na przykład, bardzo elastyczne i można je łatwo dostosować. Z kolei sterowanie CNC zapewnia wysoki stopień precyzji i jest zoptymalizowane pod kątem konkretnych zadań przetwarzania. Razem tworzą precyzyjny i jednocześnie elastyczny system do różnych zastosowań przemysłowych. Łączenie procesów (PLC) i sterowania maszynowego (CNC) tworzy bezproblemową koordynację dla wydajnej produkcji.

Przykład zastosowania

Do regulacji temperatury można na przykład użyć elementów sterujących NC i PLC. Na przykład pasek bimetalowy można podłączyć do sterownika PLC i kotła. Po osiągnięciu prawidłowej temperatury obwód zamyka się, a sterownik PLC odbiera sygnał, że można teraz wyłączyć kocioł. Jeśli temperatura spadnie, kocioł zostanie ponownie włączony w ten sam sposób.