Controlul si comanda CNC

Controlul si comanda CNC

Subcapitolul prezintǎ sintetic caracteristicile sistemelor de control si capacitatea lor de a conduce procesul de prelucrare. Se vor aborda elemente privind functiile programabile ale MUCN precum si componentele sistemului de control CMC. Notiunile prezentate tin mai mult de partea constructivǎ a MUCN si mai putin de cea pur tehnologicǎ dar cunoasterea lor mǎcar in aceastǎ forma sinteticǎ si sumarǎ este o necesitate pentru operator, programator sau tehnolog.

1 FUNCTII PROGRAMABILE ALE MUCN

Masinile unelte cu comanda numerica din ziua de azi sunt aproape in exclusivitate dotate cu sisteme CMC. Oricum, din punct de vedere al cunoasterii problematicii prelucrarilor pe MUCN este bine de precizat si diferentiat clar ce inseamna "sistemul NC" precum si "sistemul CMC".

Elementul esential al sistemului NC (figura 4.34) este acela ca echipamentul de comanda numerica, este incorporat in masina unealta. Programele NC se vor realiza manual, extern masinii cu comanda numerica, dupa care vor fi introduse, codificate si stocate pe purtatori de informatii de tip benzi perforate. Benzile perforate vor fi citite de echipamentul NC existent la nivelul MUCN care va comanda lanturile cinematice ale masinii in vederea prelucrarii.

Programele NC:

pot fi pornite si intrerupte

nu pot fi modificate de operatorul de la MUCN.

Dimensiunile sculelor si echipamentelor precum si reglarea acestora este luata in considerare de catre programator la realizarea programului NC. Rezultatul acestei activitati este fisa de reglaj a sculelor care se va transmite operatorului. Acesta trebuie sa fixeze si regleze sculele in stricta conformitate cu informatiile date in fisa de reglaj.

Sistemul CMC, are incorporat un computer care permite accesul operatorului la MUCN nu numai pentru pornirea si oprirea programul NC ci si pentru :

- scrierea si introducerea programelor

- modificarea programele dupa introducerea sau citirea lor

Datorita posibilitatii de interventie a operatorului in programare, dimensiunile sculelor si echipamentelor precum si reglarea lor vor constitui o fisa de reglaj cu mai putine informatii decat in cazul programelor NC. Aceste dimensiuni sunt luate in considerare in operatiile de programare automate. Operatorul poate, cand este necesar, sa selecteze chiar el sculele si sa procedeze la reglarea acestora.

Deci diferenta esentiala intre cele doua sisteme este aceea ca in cazul NC programul se primeste de la compartimentul programare, codificat si stocat sub forma de banda perforata alaturi de fisa de reglaj riguros intocmita, operatorul neavand acces la continutul acestuia, in timp ce in cazul CMC programul poate fi introdus la computerul sistemului chiar de operator. Accesul acestuia la program este practic nelimitat.

Nu sunt diferente fundamentale intre sistemul NC si CMC in ce priveste, limbajul de programare si tehnologia de prelucrare a reperului in cauza.

1.1. Controlul CMC al pozitiei sculei

Termenii de interpolare liniara si circulara vin frecvent in conjunctie cu sistemul de control al deplasarilor sculei:

In interpolarea liniara (interpolare in linie dreapta), sistemul CMC calculeaza o succesiune de puncte pe directia unei linii drepte care uneste doua pozitii ale sculei iar in interpolarea circulara o succesiune de puncte pe directia unei traiectorii circulare descrisa intre doua pozitii ale sculei.

In timpul miscarii sculei dintr-un punct in altul miscarile axelor sunt corectate continuu, astfel incat scula nu deviaza de la aceste puncte mai mult decat toleranta prescrisa.

In general, termenul "interpolare" se refera la calculul valorilor intermediare pe directia unei traiectorii predeterminate.

Controlul CMC al pozitiei sculei se imparte in trei categorii de baza care difera prin performanta. Acestea sunt :

control CMC punct cu punct (fig.4.36);

controlul CMC al deplasarii liniare dupa directia a doua axe(fig.4.37);

controlul CMC de conturare(fig.4.38).

Controlul CMC punct cu punct permite pozitionarea rapida a sculei aschietoare in punctele programate. Deplasarea se realizeaza in general cu avans rapid, scula aschietoare nefiind angajata in material. Traiectoria sculei in functie de echipamentul CMC poate fi realizata pe drumul cel mai scurt printr-o actionare simultana a celor doua axe sau separat prin actionarea succesiva a axelor. Controlul CMC punct cu punct este folosit in general la masinile de gaurit, sau la cele de sudare prin puncte, etc.

Controlul CMC al deplasarii liniare dupa directia a doua axe permite deplasarea rapida cu scula neangajata sau deplasarea cu avans de lucru cu scula angajata in material. In ambele situatii deplasarea se poate realiza dupa doua axe, succesiv, cu un avans ce se poate programa. Controlul este folosit la masini de frezat si strunguri CMC mai simple.

Controlul CMC al conturarii permite:

pozitionarea cu avans rapid cu scula neangajata in prelucrare;

deplasarea dupa directii paralele cu axele de avans ale masinii;

deplasarea dupa directii oblice relativ la cele doua axe, respectiv circulare;

In ultimele doua cazuri avansul de deplasare este controlabil prin programul CMC.

Oricum, in cazul conturarii exista mai multe nivele de performanta. Privind controlul conturarii acesta se poate realiza dupa doua sau mai multe axe ce pot fi controlate simultan pentru a genera traiectoriile necesare ale sculei. In acest context distingem urmatoarele tipuri de control al conturarii: 2-D, 2 ½ -D, 3-D.

Controlul de conturare 2-D (figura 4.39) permite deplasarea sculei liniar si circular pe directia si in planul a doua axe fixe. Conturarea circulara sau oblica se poate realiza doar in planul determinat de cele doua axe. Daca o masina CNC are 3 axe si control de conturare 2-D, a treia axa va fi controlata independent de celelalte doua axe, doar primele doua putand sa isi compuna miscarile rezultand traiectorii oblice sau circulare. Acest tip de control se regaseste atat la masinile de frezat cat si de strunjit CNC de complexitate medie.

Controlul de conturare 2 ½ D (figura 4.40) permite deplasarea sculei liniar si circular in plane de lucru individuale. Doar miscarile dupa cate 2 axe pot fi compuse rezultand deplasari oblice sau circulare in planul determinat de cele doua axe. La o masina CNC cu 3 axe X,Y si Z, pot fi controlate simultan axele X si Y, X si Z sau Y si Z.

Un control de conturare 3-D (figura 4.41) permite deplasarea sculei liniar si circular in configuratie "3-D". Aceasta inseamna ca miscarile dupa cele 3 axe pot fi compuse in orice mod posibil.

Controlul CMC de conturare poate fi folosit si in cazul celui de deplasare liniara dupa doua axe, iar acesta in vederea controlului CMC punct cu punct, dar nu si invers.

1.1. Controlul CMC al al functiilor masinii

Suplimentar fata de controlul pur geometric al miscarilor de deplasare ale sculei , sistemul CMC are posibilitatea de a controla prin program si alte functii ale masinii.

Numarul acestor functii ale masinii si modul in care ele sunt controlate nu depinde doar de masina unealta ci si de sistemul de control.

Urmatoarele functii ale masinii sunt exemple tipice in acest sens si sunt programate ca functii suplimentare sau auxiliare:

pornirea arborelui de lucru si variatia vitezei

pozitionarea arborelui de lucru

alimentarea cu lichid de racire si introducerea presiunii cerute

pastrarea vitezei de avans constanta

pastrarea vitezei de aschiere constanta

executarea schimbarii sculelor

pornirea sau controlul echipamentului auxiliar existent cum ar fi echipamentul de schimbare a piesei de lucru, papusa mobila, lineta, etc.

Cu cat pot fi introduse mai multe functii ale masinii de catre sistemul de control, cu atat sistemul se preteaza mai bine la secventele de fabricatie automata.

2 COMPONENTELE SISTEMULUI DE CONTROL CMC

Pornind de la functiile pe care sistemele CMC trebuie sǎ le indeplineasca, rezulta diagrama din figura 4.43:

	SISTEMUL CMC

INTERFATA MASINA

INTERFATA OPERATOR

Fig. 4.43 Componentele sistemului de control

Principala componenta a sistemului de control este computerul care proceseaza toate calculele si realizeaza conexiunile logice.

Deoarece sistemul CNC-ul este un element de legatura intre operator si masina unealta, functional sunt necesare doua interfete:

Interfata pentru operator - consta intr-un panou de comanda si diferite conexiuni pentru citirea sau perforarea benzii perforate, unitate de banda magnetica, unitate de discheta si imprimanta;

Interfata pentru masina unealta - consta in principal dintr-o interfata de control, controlul axelor si partea de alimentare cu curent;

In continuare se vor detailia functiile si modul de operare al computerului si a celor doua interfete.

Panoul de comanda

Panoul de comanda al unui sistem CMC poate varia considerabil de la o masina la alta, dar in principal la toate se vor regasi functiile prezentate mai jos :

Selector

Programare

Operatii de  prelucrare

Afisaj

Monitorul - ecran CRT sau digital precum si diferite leduri indicatoare (de disfunctiuni de exemplu). Pe monitor pot aparea pozitiile momentane ale sculelor, programul CMC de realizare a operatiei curente, modul in care secventele programului sunt parcurse in prelucrare;

Controlul functiilor masinii - acesta asigura controlul manual al acelor functii ale procesului care la prelucrari conventionale sunt asigurate de manete, intrerupatoare, etc. In plus acestea asigura de asemenea schimbul intre diferite unitati (de exemplu comutarea deplasarii pe directia Z cu deplasare pe X) astfel incat acestea sa poata fi "accesate" de sistemul de control. De asemenea butoanele acestui bloc de control al functiilor masinii pot fi utilizate la transferul sculelor in punctul de START;

Controlul programarii. Este format dintr-un bloc de butoane cu ajutorul caruia se realizeaza introducerea datelor si corectarea programului. Butoanele sunt in general numere si respectiv simboluri care semnifica functiile necesare.

Monitorul si/sau indicatorii unui sistem CMC pot satisface urmatoarele functii:

Programare - afisarea programului NC; listarea si stocarea de programe NC;

Scule - afisarea sculelor din memorie, afisarea dimensiunilor sculelor si a datelor de corectie si uneori/posibil afisarea durabilitatii acestora;

Date de proces/prelucrare - afisarea parametrilor de proces ca: viteza maxima de avans, turatia maxima a arborelui principal, etc;

Prelucrare - afisarea coordonatelor curente ale sculei, secventa curenta de program NC, viteza de avans, turatia arborelui, etc.

Functii auxiliare - afisarea grafica a secventei de program pentru reper si scule;

In ce priveste posibilitatile de actionare si control a functiilor masinii de la nivelul de comanda si control al masinii unelte se initiaza comanda si controlul direct asupra masinii unelte

Cel mai simplu caz de actionare este cu ajutorul butoanelor pornit/oprit pentru fiecare functie in parte, de exemplu, lichid de racire pornit/oprit sau arbore pornit/oprit (figura 4.45).

Pentru realizarea deplasarii sculelor de-a lungul axelor de avans a masinii exista: butoanele de avans care indica axa de deplasare si sensul, joystick de avans care actioneaza lantul impus orientandu-l in directia dorita si roata de mana electronica (figura 4.46).

Exista cate un buton de avans pentru fiecare axa si directie de miscare (+ sau -) Aceste butoane initiaza avansul .

Joystickul de avans lucreaza in acelasi mod cu butoanele de avans, dar in loc sa fie necesara apasarea unui buton, Joystickul va fi orientat in directia dorita.

Daca o roata de mana electronica este utilizata pentru axe particulare, rotatii in sensul acului de ceasornic sau contrar acelor de ceasornic, vor deplasa axele in directia + sau - . Roata de mana are avantajul controlului usor al lungimii avansului care este direct proportional cu marimea rotatiei rotii.

Pentru a permite corectia vitezei de avans programate si a turatiei arborelui de catre operator, cele mai multe sisteme de control au incorporate intrerupatoare de suprareglare (figura 4.47). Cu ajutorul acestora este posibila schimbarea marimii procentului valorii setate de programator pentru viteza de avans sau turatia arborelui in timpul procesului (100 % inseamna: se retine valoarea programata; 50 % inseamna: se injumatateste valoarea programata).

Operatorii mai folosesc de asemenea butoanele de suprareglare in scopul reducerii vitezei de prelucrare in timpul realizarii primului reper al unei serii pentru a obtine un mai bun control la operatiile mai dificile.

In ceea ce priveste butoanele de comanda si control a programarii se disting doua grupe de baza : butoane de intrare si respectiv butoane care initiaza diferite functii ale computerului.

Butoanele de intrare sunt de obicei taste alfanumerice (figura 4.48) cu ajutorul carora programul CMC poate fi introdus caracter cu caracter.

In plus, unele sisteme de control au o serie de taste functionale care permit abrevierea intrarii celor mai importante instructiuni cerute de un program NC (figura 4.49).

Tastele functionale pot fi identificate cu numele instructiunii respective sau printr-un simbol.

Tastele pentru initierea functiilor computerului (figura 4.50) sunt in legatura cu activitatile de intrare, stocare, corectie, listare si procesare a programelor precum si ca iesire pentru echipamentul extern.

Aceste taste constau in cuvinte, abrevieri si simboluri.

Principalele simboluri ce se regasesc pe tastele utilizate la controlul programului sunt: memorie, intrare manuala, punct de referinta, setarea corectiei sculei, introducere parametrii (informatie), iesire parametrii (informatie), purtator de informatie, eliminare

Echipament auxiliar extern. Purtatori de informatie

Pentru a ne asigura ca programul NC odata realizat nu trebuie introdus de la tastatura de cate ori se realizeaza prelucrarea respectiva, exista posibilitatea arhivarii programelor NC pe diferiti purtatori de informatii (figura 4.51) cum ar fi: banda perforata, banda magnetica si dischetele. In plus exista si facilitatea ca programele NC sa poata fi tiparite pentru corectura si completare. Pentru a putea beneficia de toate aceste facilitati, sistemul CMC trebuie sa aiba conectori potriviti (figura 4.52) si legaturi cu echipamentul extern auxiliar (imprimante, tastaturi, etc.).

In privinta conexiunilor de date, exista standarde care ne asigura ca schimbul de date are loc intre sistemul de control si echipamentul extern auxiliar. Aceste standarde se refera pe de o parte la modul de codificare a informatiei (de exemplu standardele ISO si EIA pentru benzi perforate), si pe de alta parte, la numarul de date, la nivelul conexiunii, si la viteza de transfer.

Tipul conexiunilor de date asigurate de sistemul CMC trebuie avut in vedere atunci cand se ia in discutie echiparea cu echipament auxiliar.

In ce priveste proprietatile purtatorilor de date banda perforata este fiabila si reprezinta un mediu practic de stocare (in mod frecvent folosita pentru programele NC). Banda magnetica este o solutie ceva mai costisitoare, utilizata pentru stocare externa de date. Dezavantajele ar fi lipsa de robustete si faptul ca trebuie pastrata curata. Dischetele se preteaza foarte bine la stocarea unui volum mai mare de date cu un acces rapid si facil la acestea.

Cum lucreaza computerul ?

Cele mai importante elemente ale computerului sistemului CMC sunt memoria care are rol de stocare si microprocesoarele.

Stocarea este asigurata in scopul adaptarii datelor, asa cum au fost introduse de operator sau prin alte metode (ex. banda perforata), ca intrari pentru computer.

Microprocesoarele compileaza aceste date (prin evaluare/calcul) rezultand noi date care pot fi de asemenea stocate pentru calcule ulterioare, sau pot fi folosite ca semnal de iesire spre masina. Microprocesoarele sunt programabile si pot fi usor adaptate in scopul indeplinirii diferitelor sarcini.

Deci sistemul CMC include un computer care are ca elemente de baza unul sau mai multe microprocesoare si facilitati de stocare.

Microprocesorul este utilizat la procesarea datelor de program introduse de catre operator, date care sunt convertite in impulsuri de control pentru masina-unealta.

Datele ce trebuie introduse sunt:

programul NC;

setarile initiale (de exemplu: dimensiunile sculei);

Procesarea datelor cu ajutorul microprocesorului poate fi modificata in orice moment de catre operatorul masinii cu ajutorul panoului de comanda (de exemplu: actionarea unor anumite functii ale masinii).

Secventele programului asa cum au fost preluate de computer sunt codificate si transformate in impulsuri de control pentru masina-unealta. Impulsurile de control sunt transmise sistemelor cinematice ale masinii unelte unde sunt supuse unei verificarii continue la intervale extrem de scurte.

De exemplu daca programul NC include o instructiune care are ca efect deplasarea frezei pe o anumita axa cu 100 mm, cand microprocesorul citeste aceasta instructiune, calculeaza initial pozitia punctului vizat iar dupa aceasta comanda mecanismul de avans corespunzator. Sistemul de masurare al deplasarii realizeaza un feed-back continuu relativ la pozitia la care freza este la un anumit moment. Microprocesorul compara permanent, pentru a vedea daca pozitia respectiva coincide cu cea calculata initial.

2.4 Interfata masina-unealta. Controlul axelor si alimentarea cu curent

Computerul unui sistem CMC nu poate furniza in mod direct functia necesara pentru actionarea masinii-unelte in vederea prelucrarii. Este necesar un element intermediar unde se realizeaza un schimb de impulsuri intre computer si masina-unealta (figura 4.54).

Acest element este o interfata de legatura computer-masina unealta unde are loc controlul deplasarilor pe axe, alimentarea suplimentara cu curent a masinii si controlul celorlalte functii ale acesteia.

Rolul interfetei de control este de a face conversia impulsului primit de la computer intr-un impuls corespunzator actionarii masinii-unelte astfel incat toate functiile masinii exprimate prin impulsul primit de la computer sa fie luate in considerare.

Exemplu:

Impulsul de control "pune axa X pe pozitia pornit" ajunge de la computer.

Interfata de control verifica daca un numar de conditii esentiale sunt satisfacute, cum ar fi:

Este pornit sistemul hidraulic?

Este panoul care asigura protectia din jurul perimetrului de lucru inchis?

Dupa ce astfel de conditii esentiale sunt satisfacute, mecanismul de actionare poate fi pornit, dar un numar de alte functii ale masinii trebuie sa mai fie pornite in acelasi timp ( de exemplu trebuie sa se aprinda respectiva lampa de semnalizare ). Trebuie sa ne asiguram si de faptul ca anumite functii particulare ale masinii nu sunt in executie simultan (de exemplu nu trebuie schimbata presiunea de strangere).

Controlul axelor au functia de simplificare a interactiunii sistemului de masurare si a mecanismului de avans cu computerul sistemului CMC.

feed-back

In situatia in care impulsul de control al sistemului CMC are o putere electrica mica si este inadecvat pentru comutarea motoarelor, masinile CMC au la nivel de interfata un sistem in care impulsul de iesire care are o mica putere este convertit intr-un impuls de iesire de mare putere.

In vederea unei pozitionari riguroase a axelor in plus fata de elementele continute de sistemul CMC si de functiile pe care acestea le executa exista elemente electronice ce contin circuite digitale de baza cum ar fi cele SI, SAU, conexiuni de comparatie precum si diferite aplicatii de circuite de control. 

In continuare este prezentata o descriere a unui circuit de control in vederea pozitionarii precise a axelor (figura 4.55).

Controlul si comanda sistemului de pozitionare a axelor din figura 4.55 se realizeaza in urmatorii pasi:

Computerul de control calculeaza distanta de deplasare si trimite aceasta in-formatie unui comparator in forma binara.

Comparatorul porneste motorul de actionare. O transmisie cu surub conducator produce deplasarea necesara a saniei.

Orice schimbare in pozitia saniei este preluata de sistemul de masurare a de-plasarii, aceasta fiind o informatie de raspuns/feed-back pentru comparator.

Comparatorul compara pozitia de raspuns (pozitia actuala) cu pozitia comandata data ca intrare de catre computer. Daca sania nu este pozitionata corect (nu ocupa pozitia comandata), motorul de actionare continua sa se roteasca. In momentul in care comparatorul gaseste ca pozitia comandata a fost atinsa, motorul se opreste.

Urmatoarea secventa de control se va actiona in momentul in care se va primi o noua informatie de intrare de la computer.

In cazul utilizarilor motoarelor pas cu pas, pozitionarea axelor se realizeaza diferit deoarece au proprietatea de a converti impulsul curent intr-o rotatie precis determinata. Exista motoare pas cu pas la care o miscare de rotatie completa implica, de exemplu, 48 impulsuri curente.

Un motor pas cu pas angajat in pozitionarea axelor nu utilizeaza un circuit de control dar implica un lant de control (figura 4.56).

Sanie

Motor pas cu pas

Computer

In conditiile in care, la motoarele pas cu pas, exista o relatie bine definita intre numarul de impulsuri primite si numarul de rotatii efectuate, controlul si comanda sistemului de pozitionare a axelor in acest caz (figura 4.56) se realizeaza astfel:

Distanta de translatat de catre sanie reprezinta o data de intrare pentru computerul de control, ca valoare de comanda.

Dupa efectuarea calculului corespunzator, computerul transmite motorului pas cu pas numarul de impulsuri necesare miscarii saniei pe distanta dorita;

Translatia efectiva executata de catre sanie nu este un feed back pentru computerul de control;