POWRÓT

SEMESTR IV

Wprowadzenie do programowania obrabiarek sterowanych numerycznie. Opracowano na podstawie - Grzegorz Nikiel Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Wprowadzenie
Pomiary położenia w osiach sterowanych numerycznie
Punkty chrakterystyczne obrabiarki


 

Wprowadzenie (Opracowano na podstawie Grzegorz Nikiel Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

   

   Historia obrabiarek ze sterowaniem numerycznym (NC, ang. Numerical Control) przekroczyła już 50 lat - pierwsza powstała w MIT w Bostonie w roku 1953. Przez pół wieku znacznie zmieniły się cechy zewnętrzne obrabiarek NC, ich kinematyka i możliwości obróbkowe, jednak idea funkcjonowania pozostała bez zmian. Jedyną istotną zmianą było zastosowanie na początku lat 70-tych komputera jako jednostki wykonawczej (CNC, ang. Computer Numerical Control), co znacznie zwiększyło funkcjonalność układów sterowania i spowodowało ich upowszechnienie, nie tylko w sterowaniu obrabiarek. Dzisiaj coraz częściej używa się pojęcia NC w stosunku do układów CNC, chociaż konstrukcyjnie różnią się one od układów NC starszych generacji, coraz rzadziej pracujących w przemyśle.

   Z punktu widzenia automatyki sterowanie CNC jest układem automatycznej regulacji programowej (stąd używane w języku polskim pojęcie "sterowanie" nie jest w pełni poprawne), pracującym w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.

   Wartość zadana położenia (Zzad) elementów ruchomych obrabiarki (np. suportu) w danej osi sterowanej numerycznie (Z) jest wyznaczana na podstawie programu. Następnie jest ona porównywana z wartością rzeczywistą położenia (Zrz), mierzoną przez przetwornik pomiarowy (C). Na podstawie różnicy pomiędzy wartością zadaną a rzeczywistą położenia w osi SN układ sterowania (CNC) generuje sygnał sterujący (S), kierowany do napędu osi (M), korygując tym samym jej położenie aż do uzyskania zerowej różnicy pomiędzy wartością zadaną a rzeczywistą położenia osi (Zrz - Zzad).

   Istotą funkcjonowania obrabiarek CNC jest zatem przyjęcie założenia o istnieniu pewnego układu współrzędnych, w którym odbywa się sterowanie. Jest to najprostszy sposób na określanie względnych położenia narzędzia i przedmiotu obrabianego, wymaganych dla przeprowadzenia obróbki i uzyskania odpowiednich jej rezultatów. Pojęcie numeryczny należy więc obecnie kojarzy ze współrzędnymi (o wartościach liczbowych, numerycznych). Należy jednak pamiętać, że źródłem nazwy "numeryczny" była postać programu sterującego, opisana w postaci kodów numerycznych (np. ASCII, ISO, EIA). Na podstawie powyższych informacji można podać dwie najważniejsze cechy układów sterowania CNC:

  • są to układy sterowania programowego - program opisuje zarówno parametry technologiczne obróbki (posuwy, prędkości skrawania, chłodzenie, itp.) jak i geometryczne (położenia zespołów ruchomych obrabiarki w trakcie obróbki);
  • są to układy o elastycznej postaci programu sterującego - wymóg sterowania programowego jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Warunkiem tym jest taka postać programu sterującego, aby łatwo i szybko można było ją zmodyfikować (np. w celu usunięcia błędów lub zmiany wymiarów obrabianego przedmiotu). Warunek ten nie jest możliwy do spełnienia w takich układach sterowania programowego, jak np. sterowanie krzywkowe. Elastyczna postać programu sterującego predestynuje zatem obrabiarki CNC do produkcji o charakterze średnio i małoseryjnym (choć nie wyklucza w wielkoseryjnej i masowej), dominującej w dzisiejszym przemyśle. Elastyczność obrabiarek CNC to główna przyczyna ich szerokiego stosowania.

   Przez program sterujący w układach CNC rozumie się zatem plan zamierzonej pracy obrabiarki, mającej na celu wykonanie przedmiotu o żądanych kształtach, wymiarach i chropowatości powierzchni. Składa się z następujących informacji, zapisanych w postaci alfanumerycznej:

  • Geometrycznych, dotyczących kształtów i wymiarów, obejmujących opis toru ruchu narzędzi;
  • Technologicznych, dotyczących warunków obróbki: narzędzia, prędkość skrawania i posuw, pomocnicze.

   Informacje technologiczne na ogół sa konsekwencją planu procesu, ustalającego wykaz zabiegów, narzędzia w nich uczestniczące, warunki ich pracy itp. W przypadku prostej obróbki (np. toczenie) zapis programu sterującego może w całości odbyć się metodą ręczną lub w tylko niewielkim stopniu wspomaganą komputerowo, czesto ograniczając się do symulacji programu. Dla obróbki powierzchni swobodnych stosuje tylko automatyczne generowanie programu sterującego przy pomocy systemów CAM (bardzo obszerne programy wymagające dużego nakładu obliczeniowego).
   Programowanie polega więc przede wszystkim na zapisie ruchów wykonywanych przez obrabiarke w trakcie obróbki. Ruchy te mogą mieć dwojaki charakter:

  • sterowane w sposób ciągły (ciągły pomiar położenia, ciągłe sterowanie napędem), są one ogólnie nazywane osiami sterowanymi numerycznie (SN). Są to ruchy zarówno liniowe (oznaczane symbolami X, Y, Z,....) jak i obrotowe (oznaczane symbolami A, B, C,...). Stanowią one zasadniczą czść programu sterującego a funkcje je obsługujące stanowią standard języka układu sterowania, zaprojektowany przez producenta układu sterowania.
  • sterowane w sposób dyskretny (typu włącz - wyłącz, obroty w lewo - obroty w prawo itp.). Ich realizacja ma w programie sterującym charakter pomocniczy (np. obsługa silnika pompki chłodziwa, zamykanie - otwieranie podtrzymki, uruchamianie podajnika pręta, wymiana palet itp.) dlatego są obsługiwane przez specjalną grupę funkcji, zwanych pomocniczymi. Część funkcji pomocniczych stanowi standard języka układu sterowania (opis w dokumentacji języka), większości jednak jest implementowane przez producenta obrabiarki w zależności od fizycznych urządzeń na niej zainstalowanych (opis w dokumentacji techniczno-ruchowej obrabiarki).

   Z osią sterowana numerycznie związany jest zawsze oddzielny napęd (silnik, siłownik) jak i układ pomiarowy. Te cechy odróżniają obrabiarki CNC od innych rodzajów obrabiarek, gdzie napęd najczęściej jest scentralizowany. Na poniżych rysunkach pokazano typowe obrabiarki CNC wraz z układem i typowymi oznaczeniami osi sterowanych numerycznie.



Układ i oznaczenia osi sterowanych numerycznie dla frezarki pionowej



Układ i oznaczenia osi sterowanych numerycznie dla frezarki poziomej



Układ i oznaczenia osi sterowanych numerycznie dla tokarki

Do góry


 

Pomiary położenia w osiach sterowanych numerycznie

   

Jak wspomniano w poprzednim rozdziale, pomiar położenia to warunek konieczny poprawnego funkcjonowania osi sterowanej numerycznie. Układy pomiaru położenia można podzielić na dwie grupy:

  • z bezpośrednim pomiarem położenia - czujnik pomiarowy mierzy wprost położenie danego elementu obrabiarki (np. suportu) - na rysunku pokazano pomiar położenia suportu liniowego za pomocą liniału i przetwornika optoelektronicznego.
  • z pośrednim pomiarem położenia - czujnik pomiarowy mierzy pewną wielkość pośrednio związaną z położeniem danego elementu obrabiarki, na podstawie której to położenie jest wewnętrznie obliczane przez układ pomiarowy. Dla przykładu na kolejnym rysunku pokazano pomiar pośredni położenia suportu liniowego za pomocą kątowego przetwornika pomiarowego, gdzie na podstawie położenia kątowego śruby przemieszczającej suport i znajomości jej skoku jest obliczane jego położenie.



Pomiar bezpośredni położenia



Pomiar pośredni położenia

   Ze wzgledu na charakter pracy układy pomiaru położenia mozna podzielić na dwa rodzaje:

  • absolutne układy pomiaru położenia (rysunek) - sygnał wyjściowy przetwornika pomiarowego wprost zawiera informację (najczęściej w postaci zakodowanej, np. w kodzie binarnym, Graya, Wattsa) o mierzonym położeniu. Działanie takie pozwala na stałe ustalenie punktu zerowego osi sterowanej numerycznie, działanie układu pomiarowego nie wymaga dodatkowych czynności po włączeniu zasilania obrabiarki. Wada układów absolutnego pomiaru położenia jest bardziej skomplikowana budowa niż układów przyrostowych (a wiec i wyższy koszt) dlatego są one rzadko stosowane.
  • przyrostowe (inkrementalne) układy pomiaru położenia (rysunek) - sygnał wyjściowy przetwornika jest ciągiem impulsów (umownie można je nazwać jako 0 i 1), które wprost nie niosą informacji o absolutnym położeniu, ale o przyrostowej zmianie położenia w osi sterowanej numerycznie. Zasadniczo układ pomiarowy działa jako licznik impulsów (rysunek).

    Do góry


 

Punkty chrakterystyczne obrabiarki

   

Każda obrabiarka posiada charakterystyczne punkty, odnoszące sie do zdefiniowanych układów współrzędnych. Najważniejsze z nich to [PN-ISO 3002]
M - punkt maszynowy (niem. Maschinen-Nullpunkt); punkt początku maszynowego układu współrzędnych MKS (równocześnie również układu bazowego BKS). Jego położenie jest ustalane przez producenta obrabiarki, na ogół ściśle związane z jej konstrukcją. Do niego odnoszone są pozostałe punkty charakterystyczne.

W - punkt zerowy przedmiotu (niem. Werkstück-Nullpunkt). Punkt początku układu współrzędnych przedmiotu WKS, ustalany w sposób dowolny przez programistę. Warunkiem poprawnej pracy obrabiarki jest wprowadzenie do układu sterowania informacji o położeniu tego punktu.

R - punkt referencyjny (niem. Referenzpunkt). Punkt o znanej odległości od punktu maszynowego M, służący do ustalenia położenia punktu początku osi układu maszynowego MKS (bazowego BKS). Jego położenie ustala producent obrabiarki.

F - punkt odniesienia zespołu narzędziowego. Punkt kodowy, którego współrzędne są podawane w układzie współrzędnych MKS (BKS). Położenie tego punktu związane jest z konstrukcją obrabiarki. Dla celów programowania obróbki znajomość położenia tego punktu nie ma istotnego znaczenia.

P - punkt kodowy narzędzia. Punkt, którego współrzędne są zadawane w programie sterującym. położenie tego punktu przyjmuje programista obrabiarki w zależności od rodzaju narzędzia i jego przeznaczenia. Warunkiem poprawnej pracy obrabiarki jest wprowadzenie do układu sterowania informacji o położeniu tego punktu.

Ww - punkt wymiany narzędzia (niem. WerkzeugWechselpunkt). W tym punkcie musi znaleźć się punkt kodowy F aby w sposób prawidłowy i bezpieczny dokona wymiany narzędzia (nie jest to wymagane dla wszystkich obrabiarek).



Punkty charakterystyczne frezarki pionowej CNC

Do góry


   

 

 (C) 2021 Wydział Nauk Medycznych i Technicznych KPSW. All Rights Reserved