Tecnologia di controllo numerico e macchine utensili CNC
La tecnologia del controllo numerico, abbreviata in NC (Numerical Control), è un mezzo per controllare i movimenti meccanici e le procedure di lavorazione con l'ausilio di informazioni digitali. Attualmente, poiché il controllo numerico moderno adotta comunemente il controllo computerizzato, è anche noto come controllo numerico computerizzato (Computerized Numerical Control - CNC).
Per ottenere il controllo digitale delle informazioni sui movimenti meccanici e sui processi di lavorazione, è necessario disporre di hardware e software adeguati. L'insieme dell'hardware e del software utilizzati per implementare il controllo digitale delle informazioni è denominato sistema di controllo numerico (Numerical Control System), il cui cuore è il dispositivo di controllo numerico (Numerical Controller).
Le macchine controllate dalla tecnologia a controllo numerico sono chiamate macchine utensili CNC (macchine utensili NC). Si tratta di un tipico prodotto meccatronico che integra in modo completo tecnologie avanzate come l'informatica, la tecnologia di controllo automatico, la tecnologia di misurazione di precisione e la progettazione di macchine utensili. Rappresenta la pietra angolare della moderna tecnologia di produzione. Il controllo delle macchine utensili è il campo più antico e ampiamente applicato della tecnologia a controllo numerico. Pertanto, il livello delle macchine utensili CNC rappresenta in larga misura le prestazioni, il livello e la tendenza di sviluppo dell'attuale tecnologia a controllo numerico.
Esistono vari tipi di macchine utensili CNC, tra cui foratrici, fresatrici e alesatrici, torni, rettificatrici, macchine utensili per elettroerosione, forgiatrici, macchine utensili per lavorazione laser e altre macchine utensili CNC speciali con utilizzi specifici. Qualsiasi macchina utensile controllata da tecnologia a controllo numerico è classificata come macchina utensile a controllo numerico.
Le macchine utensili CNC dotate di cambio utensile automatico ATC (Automatic Tool Changer – ATC), ad eccezione dei torni CNC con portautensili rotanti, sono definite centri di lavoro (Machine Center – MC). Grazie al cambio automatico degli utensili, i pezzi possono completare più processi di lavorazione in un unico serraggio, ottenendo la concentrazione e la combinazione dei processi. Ciò riduce efficacemente i tempi di lavorazione ausiliari e migliora l'efficienza operativa della macchina utensile. Allo stesso tempo, riduce il numero di installazioni e posizionamenti dei pezzi, migliorando la precisione di lavorazione. I centri di lavoro sono attualmente la tipologia di macchine utensili CNC con la maggiore produttività e la più ampia gamma di applicazioni.
Basata su macchine utensili CNC, aggiungendo dispositivi di cambio automatico multi-tavola (pallet) (Auto Pallet Changer - APC) e altri dispositivi correlati, l'unità di elaborazione risultante è chiamata cella di produzione flessibile (Flexible Manufacturing Cell - FMC). La FMC non solo realizza la concentrazione e la combinazione dei processi, ma, grazie allo scambio automatico delle tavole di lavoro (pallet) e a funzioni di monitoraggio e controllo automatiche relativamente complete, può eseguire lavorazioni non presidiate per un certo periodo, migliorando ulteriormente l'efficienza di lavorazione dell'attrezzatura. La FMC non è solo la base del sistema di produzione flessibile FMS (Flexible Manufacturing System), ma può anche essere utilizzata come apparecchiatura di elaborazione automatizzata indipendente. Pertanto, la sua velocità di sviluppo è piuttosto elevata.
Basato su FMC e centri di lavorazione, aggiungendo sistemi logistici, robot industriali e attrezzature correlate, e controllato e gestito da un sistema di controllo centrale in modo centralizzato e unificato, tale sistema di produzione è chiamato sistema di produzione flessibile FMS (Flexible Manufacturing System). L'FMS non solo può eseguire lavorazioni non presidiate per lunghi periodi, ma anche realizzare la lavorazione completa di vari tipi di parti e l'assemblaggio di componenti, ottenendo l'automazione del processo di produzione in officina. Si tratta di un sistema di produzione avanzato altamente automatizzato.
Con il continuo progresso della scienza e della tecnologia, per adattarsi alle mutevoli esigenze del mercato, per la produzione moderna non è solo necessario promuovere l'automazione del processo produttivo in officina, ma anche raggiungere un'automazione completa, dalle previsioni di mercato, alle decisioni di produzione, alla progettazione e alla fabbricazione del prodotto, fino alla vendita. Il sistema completo di produzione e fabbricazione, formato integrando questi requisiti, è chiamato sistema di produzione computerizzato (Computer Integrated Manufacturing System - CIMS). Il CIMS integra organicamente un'attività produttiva e commerciale a lungo termine, ottenendo una produzione intelligente più efficiente e flessibile, rappresentando il livello più alto di sviluppo dell'attuale tecnologia di produzione automatizzata. Nel CIMS, non solo l'integrazione delle apparecchiature di produzione, ma soprattutto l'integrazione tecnologica e funzionale è caratterizzata dalle informazioni. Il computer è lo strumento di integrazione, la tecnologia delle unità automatizzate assistite da computer è la base dell'integrazione e lo scambio e la condivisione di informazioni e dati sono il ponte di integrazione. Il prodotto finale può essere considerato la manifestazione materiale di informazioni e dati.
Il sistema di controllo numerico e i suoi componenti
I componenti di base del sistema di controllo numerico
Il sistema di controllo numerico di una macchina utensile CNC è il cuore di tutte le apparecchiature a controllo numerico. L'oggetto di controllo principale del sistema di controllo numerico è lo spostamento degli assi coordinati (inclusi velocità di movimento, direzione, posizione, ecc.) e le sue informazioni di controllo provengono principalmente dall'elaborazione del controllo numerico o dai programmi di controllo del movimento. Pertanto, i componenti più basilari del sistema di controllo numerico dovrebbero includere: il dispositivo di input/output del programma, il dispositivo di controllo numerico e il servoazionamento.
Il ruolo del dispositivo di input/output è quello di immettere e emettere dati come programmi di elaborazione del controllo numerico o di controllo del movimento, dati di elaborazione e controllo, parametri della macchina utensile, posizioni degli assi coordinati e stato degli interruttori di rilevamento. Tastiera e display sono i dispositivi di input/output più basilari necessari per qualsiasi apparecchiatura di controllo numerico. Inoltre, a seconda del sistema di controllo numerico, possono essere installati anche dispositivi come lettori fotoelettrici, unità nastro o unità floppy disk. Come periferica, il computer è attualmente uno dei dispositivi di input/output più comunemente utilizzati.
Il dispositivo di controllo numerico è il componente principale del sistema di controllo numerico. È costituito da circuiti di interfaccia di input/output, controller, unità aritmetiche e memoria. Il ruolo del dispositivo di controllo numerico è quello di compilare, calcolare ed elaborare i dati in ingresso dal dispositivo di input tramite il circuito logico interno o il software di controllo, e di fornire in uscita vari tipi di informazioni e istruzioni per controllare le varie parti della macchina utensile e consentire loro di eseguire azioni specifiche.
Tra queste informazioni e istruzioni di controllo, le più basilari sono le istruzioni di velocità, direzione e spostamento di avanzamento degli assi coordinati. Vengono generate dopo calcoli di interpolazione, fornite al servoazionamento, amplificate dal driver e, in ultima analisi, controllano lo spostamento degli assi coordinati. Questo determina direttamente la traiettoria di movimento dell'utensile o degli assi coordinati.
Inoltre, a seconda del sistema e dell'attrezzatura, ad esempio su una macchina utensile CNC, potrebbero essere presenti anche istruzioni quali velocità di rotazione, direzione, avvio/arresto del mandrino; istruzioni di selezione e sostituzione utensile; istruzioni di avvio/arresto dei dispositivi di raffreddamento e lubrificazione; istruzioni di allentamento e serraggio del pezzo; indicizzazione del tavolo di lavoro e altre istruzioni ausiliarie. Nel sistema di controllo numerico, queste istruzioni vengono fornite al dispositivo di controllo ausiliario esterno sotto forma di segnali tramite l'interfaccia. Il dispositivo di controllo ausiliario esegue le necessarie operazioni di compilazione e logiche sui segnali di cui sopra, li amplifica e aziona gli attuatori corrispondenti per azionare i componenti meccanici e i dispositivi ausiliari idraulici e pneumatici della macchina utensile, al fine di completare le azioni specificate dalle istruzioni.
Il servoazionamento è solitamente costituito da servoamplificatori (noti anche come driver, servo unità) e attuatori. Sulle macchine utensili CNC, attualmente vengono generalmente utilizzati come attuatori i servomotori a corrente alternata; sulle macchine utensili ad alta velocità avanzate, si è iniziato a utilizzare i motori lineari. Inoltre, sulle macchine utensili CNC prodotte prima degli anni '80, si sono verificati casi in cui venivano utilizzati servomotori a corrente continua; per le macchine utensili CNC più semplici, venivano utilizzati anche motori passo-passo come attuatori. La forma del servoamplificatore dipende dall'attuatore e deve essere utilizzata insieme al motore di azionamento.
Quelli sopra indicati sono i componenti più basilari del sistema di controllo numerico. Con il continuo sviluppo della tecnologia di controllo numerico e il miglioramento delle prestazioni delle macchine utensili, anche i requisiti funzionali del sistema sono in aumento. Per soddisfare i requisiti di controllo delle diverse macchine utensili, garantire l'integrità e l'uniformità del sistema di controllo numerico e facilitarne l'uso da parte dell'utente, i sistemi di controllo numerico avanzati comunemente utilizzati solitamente dispongono di un controllore programmabile interno come dispositivo di controllo ausiliario della macchina utensile. Inoltre, sulle macchine utensili per il taglio dei metalli, anche il dispositivo di azionamento del mandrino può diventare un componente del sistema di controllo numerico; sulle macchine utensili CNC a ciclo chiuso, anche i dispositivi di misurazione e rilevamento sono indispensabili per il sistema di controllo numerico. Per i sistemi di controllo numerico avanzati, a volte viene utilizzato anche un computer come interfaccia uomo-macchina del sistema e per la gestione dei dati e i dispositivi di input/output, rendendo così le funzioni del sistema di controllo numerico più potenti e le prestazioni più perfette.
In conclusione, la composizione del sistema di controllo numerico dipende dalle prestazioni del sistema di controllo e dai requisiti di controllo specifici dell'apparecchiatura. Esistono differenze significative nella sua configurazione e composizione. Oltre ai tre componenti più basilari: il dispositivo di input/output del programma di elaborazione, il dispositivo di controllo numerico e il servoazionamento, potrebbero essere presenti altri dispositivi di controllo. La parte tratteggiata nella Figura 1-1 rappresenta il sistema di controllo numerico computerizzato.
I concetti di NC, CNC, SV e PLC
NC (CNC), SV e PLC (PC, PMC) sono abbreviazioni inglesi molto comunemente utilizzate nelle apparecchiature a controllo numerico e hanno significati diversi a seconda delle applicazioni pratiche.
NC (CNC): NC e CNC sono le abbreviazioni inglesi più diffuse, rispettivamente, per Controllo Numerico e Controllo Numerico Computerizzato. Dato che il controllo numerico moderno adotta sempre il controllo computerizzato, si può ritenere che i significati di NC e CNC siano del tutto identici. Nelle applicazioni ingegneristiche, a seconda dell'ambito di utilizzo, NC (CNC) ha solitamente tre significati diversi: in senso lato, rappresenta una tecnologia di controllo – la tecnologia di controllo numerico; in senso stretto, rappresenta un'entità di un sistema di controllo – il sistema di controllo numerico; inoltre, può anche rappresentare uno specifico dispositivo di controllo – il dispositivo di controllo numerico.
SV: SV è l'abbreviazione inglese di servo drive (Servo Drive, abbreviato in servo). Secondo i termini prescritti dallo standard giapponese JIS, si tratta di "un meccanismo di controllo che considera la posizione, la direzione e lo stato di un oggetto come grandezze di controllo e ne traccia le variazioni arbitrarie nel valore target". In breve, si tratta di un dispositivo di controllo in grado di seguire automaticamente grandezze fisiche come la posizione target.
Nelle macchine utensili CNC, il ruolo del servoazionamento si riflette principalmente in due aspetti: in primo luogo, consente agli assi coordinati di funzionare alla velocità indicata dal dispositivo di controllo numerico; in secondo luogo, consente agli assi coordinati di essere posizionati in base alla posizione indicata dal dispositivo di controllo numerico.
Gli oggetti di controllo del servoazionamento sono solitamente lo spostamento e la velocità degli assi coordinati della macchina utensile; l'attuatore è un servomotore; la parte che controlla e amplifica il segnale di comando in ingresso è spesso chiamata servoamplificatore (noto anche come driver, amplificatore, unità servo, ecc.), che è il cuore del servoazionamento.
Il servoazionamento può essere utilizzato non solo in combinazione con il controllo numerico, ma anche da solo come sistema di accompagnamento della posizione (velocità). Per questo motivo, viene spesso definito anche servosistema. Nei primi sistemi di controllo numerico, la parte di controllo della posizione era generalmente integrata nel CNC e il servoazionamento si occupava solo del controllo della velocità. Per questo motivo, il servoazionamento veniva spesso definito unità di controllo della velocità.
PLC: PC è l'abbreviazione inglese di Programmable Controller (Controllore Programmabile). Con la crescente popolarità dei personal computer, per evitare confusione con i personal computer (chiamati anche PC), i controllori programmabili sono ora generalmente chiamati controllori logici programmabili (Programmable Logic Controller - PLC) o controllori di macchine programmabili (Programmable Machine Controller - PMC). Pertanto, sulle macchine utensili CNC, PC, PLC e PMC hanno esattamente lo stesso significato.
Il PLC offre i vantaggi di una risposta rapida, prestazioni affidabili, praticità d'uso, facilità di programmazione e debug e può pilotare direttamente alcune apparecchiature elettriche delle macchine utensili. Pertanto, è ampiamente utilizzato come dispositivo di controllo ausiliario per le apparecchiature a controllo numerico. Attualmente, la maggior parte dei sistemi a controllo numerico dispone di un PLC interno per l'elaborazione delle istruzioni ausiliarie delle macchine utensili CNC, semplificando notevolmente il dispositivo di controllo ausiliario della macchina utensile. Inoltre, in molte occasioni, tramite moduli funzionali speciali come il modulo di controllo assi e il modulo di posizionamento del PLC, il PLC può anche essere utilizzato direttamente per ottenere il controllo della posizione di un punto, il controllo lineare e il controllo semplice del contorno, realizzando macchine utensili CNC speciali o linee di produzione CNC.
Il principio di composizione e lavorazione delle macchine utensili CNC
La composizione di base delle macchine utensili CNC
Le macchine utensili CNC sono le apparecchiature a controllo numerico più diffuse. Per chiarire la composizione di base delle macchine utensili CNC, è innanzitutto necessario analizzare il processo di lavorazione dei pezzi. Sulle macchine utensili CNC, per la lavorazione dei pezzi, è possibile implementare le seguenti fasi:
In base ai disegni e ai piani di lavorazione dei pezzi da lavorare, utilizzando i codici e i formati di programma prescritti, scrivere la traiettoria di movimento degli utensili, il processo di lavorazione, i parametri di processo, i parametri di taglio, ecc. nel modulo di istruzioni riconoscibile dal sistema di controllo numerico, ovvero scrivere il programma di lavorazione.
Inserire il programma di elaborazione scritto nel dispositivo di controllo numerico.
Il dispositivo di controllo numerico decodifica ed elabora il programma di input (codice) e invia i segnali di controllo corrispondenti ai dispositivi di azionamento servo e ai dispositivi di controllo delle funzioni ausiliarie di ciascun asse coordinato per controllare il movimento di ciascun componente della macchina utensile.
Durante il movimento, il sistema di controllo numerico deve rilevare in ogni momento la posizione degli assi coordinati della macchina utensile, lo stato degli interruttori di corsa, ecc. e confrontarli con i requisiti del programma per determinare l'azione successiva fino all'elaborazione dei pezzi qualificati.
L'operatore può osservare e ispezionare le condizioni di lavorazione e lo stato di funzionamento della macchina utensile in qualsiasi momento. Se necessario, sono necessarie anche modifiche alle azioni e ai programmi di lavorazione della macchina utensile per garantirne il funzionamento sicuro e affidabile.
Si può notare che la composizione di base di una macchina utensile CNC dovrebbe comprendere: dispositivi di input/output, dispositivi di controllo numerico, servoazionamenti e dispositivi di feedback, dispositivi di controllo ausiliari e il corpo della macchina utensile.
La composizione delle macchine utensili CNC
Il sistema di controllo numerico viene utilizzato per ottenere il controllo di elaborazione della macchina utensile host. Attualmente, la maggior parte dei sistemi di controllo numerico adotta il controllo numerico computerizzato (CNC). Il dispositivo di input/output, il dispositivo di controllo numerico, il servoazionamento e il dispositivo di feedback nella figura costituiscono insieme il sistema di controllo numerico della macchina utensile, il cui ruolo è stato descritto in precedenza. Di seguito vengono brevemente introdotti altri componenti.
Dispositivo di feedback di misura: è il collegamento di rilevamento di una macchina utensile CNC a circuito chiuso (semi-chiuso). Il suo ruolo è quello di rilevare la velocità e lo spostamento effettivo dell'attuatore (come il portautensile) o del tavolo di lavoro attraverso moderni elementi di misura come encoder a impulsi, resolver, sincronizzatori a induzione, reticoli, scale magnetiche e strumenti di misura laser, e di trasmetterli al dispositivo di azionamento servo o al dispositivo di controllo numerico, compensando la velocità di avanzamento o l'errore di movimento dell'attuatore per raggiungere l'obiettivo di migliorare la precisione del meccanismo di movimento. La posizione di installazione del dispositivo di rilevamento e la posizione in cui il segnale di rilevamento viene retroazionato dipendono dalla struttura del sistema di controllo numerico. Encoder a impulsi servo integrati, tachimetri e reticoli lineari sono componenti di rilevamento comunemente utilizzati.
Poiché tutti i servocomandi avanzati adottano la tecnologia di azionamento digitale (definita "servo digitale"), solitamente viene utilizzato un bus per la connessione tra il servocomando e il dispositivo di controllo numerico; nella maggior parte dei casi, il segnale di feedback viene collegato al servocomando e trasmesso al dispositivo di controllo numerico tramite il bus. Solo in alcuni casi, o quando si utilizzano servocomandi analogici (comunemente noti come servo analogici), il dispositivo di feedback deve essere collegato direttamente al dispositivo di controllo numerico.
Meccanismo di controllo ausiliario e meccanismo di trasmissione dell'avanzamento: si trova tra il dispositivo di controllo numerico e i componenti meccanici e idraulici della macchina utensile. Il suo ruolo principale è ricevere le istruzioni di velocità, direzione e avvio/arresto del mandrino in uscita dal dispositivo di controllo numerico; le istruzioni di selezione e cambio utensile; le istruzioni di avvio/arresto dei dispositivi di raffreddamento e lubrificazione; i segnali di istruzioni ausiliari come l'allentamento e il serraggio di pezzi e componenti della macchina utensile, l'indicizzazione del tavolo di lavoro e i segnali di stato degli interruttori di rilevamento sulla macchina utensile. Dopo la necessaria compilazione, valutazione logica e amplificazione di potenza, gli attuatori corrispondenti vengono azionati direttamente per azionare i componenti meccanici, i dispositivi ausiliari idraulici e pneumatici della macchina utensile per completare le azioni specificate dalle istruzioni. È solitamente composto da un PLC e da un circuito di controllo a corrente elevata. Il PLC può essere integrato con il CNC nella struttura (PLC integrato) o relativamente indipendente (PLC esterno).
Il corpo macchina, ovvero la struttura meccanica della macchina utensile CNC, è composto anche da sistemi di azionamento principali, sistemi di azionamento degli avanzamenti, basamenti, tavole di lavoro, dispositivi di movimento ausiliari, sistemi idraulici e pneumatici, sistemi di lubrificazione, dispositivi di raffreddamento, sistemi di asportazione trucioli, sistemi di protezione e altre parti. Tuttavia, per soddisfare i requisiti del controllo numerico e sfruttare appieno le prestazioni della macchina utensile, quest'ultima ha subito modifiche significative in termini di layout generale, design estetico, struttura del sistema di trasmissione, sistema utensile e prestazioni operative. I componenti meccanici della macchina utensile includono il basamento, la scatola, la colonna, la guida, la tavola di lavoro, il mandrino, il meccanismo di avanzamento, il meccanismo di cambio utensile, ecc.
Il principio della lavorazione CNC
Nelle tradizionali macchine utensili per il taglio dei metalli, durante la lavorazione dei pezzi, l'operatore deve modificare continuamente parametri quali la traiettoria di movimento e la velocità di movimento dell'utensile in base ai requisiti del disegno, in modo che l'utensile esegua la lavorazione di taglio sul pezzo e infine lavori pezzi qualificati.
La lavorazione delle macchine utensili CNC applica essenzialmente il principio "differenziale". Il suo principio di funzionamento e il suo processo possono essere brevemente descritti come segue:
In base alla traiettoria dell'utensile richiesta dal programma di elaborazione, il dispositivo di controllo numerico differenzia la traiettoria lungo gli assi coordinati corrispondenti della macchina utensile con la quantità minima di movimento (equivalente di impulsi) (△X, △Y nella Figura 1-2) e calcola il numero di impulsi di cui ogni asse coordinato ha bisogno per muoversi.
Tramite il software di “interpolazione” o il calcolatore di “interpolazione” del dispositivo di controllo numerico, alla traiettoria richiesta viene applicata una polilinea equivalente in unità di “unità di movimento minimo” e viene trovata la polilinea applicata più vicina alla traiettoria teorica.
In base alla traiettoria della polilinea adattata, il dispositivo di controllo numerico assegna continuamente impulsi di avanzamento agli assi coordinati corrispondenti e consente agli assi coordinati della macchina utensile di muoversi in base agli impulsi assegnati tramite servoazionamento.
Si può osservare che: in primo luogo, finché la quantità minima di movimento (equivalente di impulso) della macchina utensile CNC è sufficientemente piccola, la polilinea adattata utilizzata può essere sostituita in modo equivalente alla curva teorica. In secondo luogo, finché il metodo di allocazione degli impulsi degli assi coordinati viene modificato, la forma della polilinea adattata può essere modificata, raggiungendo così l'obiettivo di modificare la traiettoria di elaborazione. In terzo luogo, finché la frequenza di...