I sistemi CNC delle macchine determinano come una macchina legge un programma NC, aziona ciascun asse, ne verifica la posizione effettiva e controlla i cambi utensile, il liquido di raffreddamento e altre funzioni ausiliarie. Quando si preme il pulsante verde "AVVIO CICLO", questi cinque sistemi iniziano a lavorare insieme in pochi millisecondi.
Nei due articoli precedenti abbiamo presentato lo sviluppo storico delle macchine utensili a controllo numerico (CNC) e spiegato i sistemi di coordinate CNC.
In questo articolo faremo un ulteriore passo avanti:
Da quali sistemi è composta una macchina utensile a controllo numerico (CNC)? Come interagiscono tra loro questi sistemi? Cosa succede esattamente all'interno della macchina che utilizzi ogni giorno?
Cosa succede quando i sistemi delle macchine CNC ricevono un comando di AVVIO CICLO?
Quando si preme il pulsante verde CYCLE START sul pannello di controllo, la macchina inizia a muoversi secondo il programma CNC.
L'intero processo può sembrare quasi magico.
Tuttavia, dietro questa azione apparentemente semplice si cela un sistema altamente coordinato e preciso:
Un componente legge il programma di lavorazione.
Un altro converte i comandi in segnali elettrici.
Un altro aziona i motori.
Un altro sistema controlla continuamente la posizione effettiva della macchina.
Un altro sistema controlla il liquido di raffreddamento, il cambio degli utensili e altre operazioni ausiliarie.
Questi componenti costituiscono i cinque sistemi principali di una macchina utensile CNC.
Comprendere questi cinque sistemi non significa solo soddisfare la curiosità.
Quando si verifica un guasto alla macchina, questa conoscenza può aiutarti a determinare quale parte del sistema potrebbe essere la causa del problema. Man mano che approfondirai la conoscenza delle tecnologie CNC più avanzate, questi cinque sistemi ti forniranno anche un quadro chiaro per comprendere nuovi concetti.
Sistema 1: Controllore CNC — Il “cervello” della macchina
Il controllore CNC è il cuore pulsante dell'intera macchina utensile. È ciò che comunemente chiamiamo sistema CNC , unità di controllo numerico o sistema di controllo CNC.
Il suo processo operativo può essere spiegato attraverso cinque fasi principali.
Lettura del programma
Il controllore CNC legge il programma NC dalla memoria interna, da una scheda CF, da un dispositivo USB o da un'interfaccia di rete.
Decodifica
Traduce il codice G, il codice M e altre istruzioni di programma in dati che il sistema di controllo interno può elaborare.
Calcolo dell'interpolazione
In base ai comandi di movimento programmati, il controllore CNC calcola di quanto deve spostarsi ciascun asse durante ogni intervallo di tempo.
Questo è uno dei calcoli più importanti eseguiti dal sistema CNC.
Ad esempio, un comando per spostarsi dal punto A al punto B deve essere suddiviso in innumerevoli piccolissimi passi di movimento. Il controllore calcola e coordina questi passi in tempo reale.
Invio dei comandi di controllo
L'entità del movimento calcolato per ciascun asse viene convertita in segnali di controllo elettrici e inviata al sistema servoassistito.
Coordinamento delle funzioni ausiliarie
Il controllore CNC coordina anche funzioni in codice M quali:
- Controllo della velocità del mandrino
- Cambio utensile automatico
- Controllo del refrigerante
- Bloccaggio e rilascio della macchina
- Altre operazioni delle macchine ausiliarie
Il controllore CNC non si limita a eseguire passivamente il programma.
Inoltre, riceve continuamente feedback sulla posizione da ciascun asse della macchina e corregge gli errori di movimento in tempo reale.
Il pannello di controllo e lo schermo che gli operatori utilizzano quotidianamente costituiscono l'interfaccia uomo-macchina del controllore CNC.
Tramite questa interfaccia, gli operatori possono inserire programmi, modificare parametri, controllare le coordinate, monitorare lo stato di lavorazione e comunicare con il sistema CNC.
Sistema 2: Sistema servoassistito — I “muscoli” della macchina
Il controllore CNC può emettere un comando come il seguente:
Spostare l'asse X di 0.001 mm.
Tuttavia, questo comando digitale deve essere convertito in un movimento meccanico effettivo. Questo è il compito del sistema servoassistito.
Un sistema servoassistito è costituito principalmente da due parti.
Servo Drive
Il servoazionamento riceve i segnali di controllo dal controllore CNC, li amplifica e li converte in energia elettrica in grado di azionare il motore.
Funziona come un amplificatore di potenza ad alta precisione.
servomotore
Il servomotore converte l'energia elettrica in movimento rotatorio meccanico.
La principale differenza tra un servomotore e un motore convenzionale è che il servomotore è dotato di un encoder di posizione.
Ciò consente di controllare con precisione l'angolo di rotazione e di reagire in modo estremamente rapido. Un servomotore può avviarsi, arrestarsi, accelerare, decelerare o cambiare direzione in pochi millisecondi.
Una macchina utensile a controllo numerico (CNC) contiene normalmente diversi sistemi servoassistiti.
Sistemi servoassistiti per assi di alimentazione
Gli assi X, Y e Z dispongono normalmente ciascuno di un sistema servoassistito di avanzamento indipendente.
Questi servosistemi controllano il movimento dell'utensile da taglio, della testa del mandrino e del piano di lavoro.
Sistema servo del mandrino
Il servomotore del mandrino controlla la velocità di rotazione del mandrino e dell'utensile da taglio.
La messa a fuoco del servomotore del mandrino è leggermente diversa da quella del servomotore dell'asse di avanzamento.
I sistemi servoassistiti per assi di avanzamento si concentrano principalmente sulla precisione di posizionamento . La distanza di movimento comandata deve essere raggiunta con precisione.
Il servomotore del mandrino si concentra principalmente sulla stabilità della velocità . Durante il taglio, la velocità del mandrino deve rimanere stabile e non deve fluttuare in modo significativo a causa delle variazioni delle forze di taglio.
Per una macchina CNC a cinque assi, sono normalmente necessari due sistemi servo aggiuntivi per controllare gli assi rotanti, come l'asse A, l'asse B o l'asse C.
Di conseguenza, durante la lavorazione a cinque assi possono operare simultaneamente cinque o sei sistemi servoassistiti.
Sistema 3: Struttura meccanica — Scheletro e articolazioni
Il servomotore genera un movimento rotatorio.
Tuttavia, la lavorazione CNC richiede movimenti lineari precisi, posizionamento rotazionale e movimento controllato dell'utensile di taglio e del pezzo in lavorazione.
La struttura meccanica della macchina converte la rotazione del motore in un movimento preciso dei componenti della macchina.
Le parti principali della struttura meccanica includono le seguenti.
Basamento e telaio della macchina
Il basamento della macchina è la struttura di supporto di base della macchina utensile a controllo numerico (CNC).
Di solito è realizzato in ghisa o in lamiere di acciaio saldate.
Un basamento per macchina di alta qualità deve garantire:
- Elevata rigidità strutturale
- Buona resistenza alle vibrazioni
- Prestazioni dimensionali stabili
- Supporto affidabile per componenti mobili
La rigidità e la resistenza alle vibrazioni del basamento della macchina sono essenziali per mantenere la precisione di lavorazione.
Guide lineari
Le guide lineari guidano il piano di lavoro e la testa del mandrino lungo specifiche direzioni di movimento.
I moderni centri di lavoro utilizzano comunemente guide lineari a rulli perché offrono:
- Bassa frizione
- Elevata precisione di movimento
- Risposta veloce
- Elevate velocità di avanzamento
- Buona ripetibilità del posizionamento
Le macchine CNC ad alta precisione possono utilizzare guide idrostatiche. Queste guide operano con un livello di attrito estremamente basso e offrono un'eccellente fluidità e precisione.
Vite a sfere
La vite a ricircolo di sfere è un componente fondamentale che converte il movimento rotatorio del servomotore nel movimento lineare del piano di lavoro o della testa del mandrino.
All'interno del gruppo vite a ricircolo di sfere, delle sfere d'acciaio rotolano tra l'albero della vite e il dado per trasmettere la forza.
Poiché l'attrito di rotolamento è molto inferiore all'attrito di scorrimento, le viti a ricircolo di sfere possono fornire una trasmissione altamente efficiente e una precisione di posizionamento a livello micrometrico.
Mandrino
Il mandrino sostiene l'utensile da taglio e lo fa ruotare ad alta velocità.
La precisione del mandrino, in particolare l'eccentricità, influisce direttamente sulla precisione finale della lavorazione e sulla qualità della superficie.
La velocità massima del mandrino determina anche le velocità di taglio che la macchina può supportare.
I mandrini CNC ad alta velocità possono raggiungere i 40,000 giri al minuto o anche di più.
Sistema 4: Sistema di misurazione e feedback — Gli "occhi" del controllo a circuito chiuso
Il sistema di feedback è estremamente importante, sebbene molti principianti nel campo delle macchine a controllo numerico (CNC) potrebbero non comprenderne appieno la funzione.
Supponiamo che il controllore CNC comandi al servomotore di ruotare di dieci giri.
Come fa il sistema di controllo a sapere se il motore ha effettivamente completato esattamente dieci giri?
Come fa a sapere se l'utensile da taglio si è spostato della distanza richiesta?
La risposta è il sistema di misurazione e feedback.
La sua funzione è quella di misurare la posizione effettiva della macchina in tempo reale e di inviare le informazioni al controllore CNC.
Il controller confronta la posizione effettiva con la posizione impostata e corregge automaticamente qualsiasi scostamento.
Questo processo continuo può essere descritto come:
Comando → Esecuzione → Misurazione della posizione effettiva → Confronto degli errori → Correzione del comando
Questo ciclo è chiamato controllo ad anello chiuso ed è uno dei meccanismi fondamentali che permette alle macchine CNC di raggiungere un'elevata precisione di posizionamento.
Nelle macchine CNC si utilizzano due tipi comuni di dispositivi di misurazione della posizione.
Encoder rotativo
Un encoder rotativo viene normalmente installato sull'albero del servomotore.
Misura l'angolo di rotazione e la velocità del motore.
Tuttavia, poiché l'encoder rotativo misura la posizione sul lato del motore anziché direttamente sul piano di lavoro, potrebbero comunque sussistere errori causati dalla vite a ricircolo di sfere, dall'accoppiamento, dalla dilatazione termica o dalla deformazione elastica.
Questa configurazione è nota come sistema di controllo a circuito semi-chiuso.
La maggior parte dei centri di lavoro utilizza questo tipo di sistema di feedback.
Secondo l'articolo originale, la precisione di posizionamento tipica è approssimativamente:
±0.005 a ±0.01 mm
Scala lineare
Una scala lineare è installata direttamente accanto alla guida della macchina e misura lo spostamento lineare effettivo del piano di lavoro.
Poiché misura direttamente la posizione del piano di lavoro, è in grado di compensare gli errori generati dalla vite a ricircolo di sfere e da altri componenti della trasmissione.
Questa configurazione è nota come sistema di controllo a circuito chiuso completo.
Offre una maggiore precisione di posizionamento e può raggiungere approssimativamente:
± 0.001 mm
Le macchine CNC ad alta precisione e i centri di lavoro di precisione a cinque assi sono comunemente dotati di righe ottiche.
Sistema 5: Sistema di funzioni ausiliarie — Aiuta la macchina a completare il lavoro
I primi quattro sistemi assicurano che l'utensile da taglio possa muoversi con precisione.
Tuttavia, un movimento preciso da solo non è sufficiente per completare un intero processo di lavorazione.
Una macchina CNC richiede anche diversi sistemi ausiliari.
Cambio utensile automatico
Il cambio utensile automatico , comunemente abbreviato in ATC , è una delle caratteristiche più importanti di un centro di lavoro.
Il magazzino utensili contiene diversi utensili da taglio. Quando è necessario cambiare utensile, il meccanismo di cambio utensile o il braccio robotico completano automaticamente l'operazione.
Un cambio utensile completo richiede in genere solo pochi secondi.
La capacità del magazzino utensili può variare da circa otto utensili a oltre cento utensili, a seconda della configurazione della macchina.
Sistema di raffreddamento
Durante la lavorazione, si genera una grande quantità di calore tra l'utensile da taglio e il pezzo in lavorazione.
Il fluido da taglio o refrigerante svolge diverse funzioni:
- Riduzione della temperatura di taglio
- Lubrificazione della zona di taglio
- Eliminare le scaglie
- Protezione dell'utensile da taglio
- Miglioramento della qualità della superficie
Tra i metodi di raffreddamento più comuni figurano la nebulizzazione esterna del refrigerante e il raffreddamento attraverso il mandrino.
Il liquido di raffreddamento passante attraverso il mandrino scorre nei condotti interni del mandrino e dell'utensile da taglio e viene convogliato direttamente nell'area di taglio.
Sistemi Pneumatici e Idraulici
I sistemi pneumatici e idraulici vengono utilizzati per le operazioni delle macchine che richiedono una forza relativamente elevata.
Le applicazioni tipiche includono:
- Bloccaggio del pezzo
- Movimenti di cambio utensile
- Sblocco dell'utensile
- Sblocco utensile mandrino
- Funzionamento del dispositivo
- meccanismi di posizionamento idraulico
PLC — Controllore logico programmabile
Il controller CNC gestisce principalmente il controllo del movimento.
Tuttavia, una macchina utensile contiene anche un gran numero di operazioni di commutazione e di controllo di sequenza, quali:
- Cambio utensile automatico
- Commutazione del refrigerante
- Interblocco della porta di protezione
- Bloccaggio idraulico
- Controllo della lubrificazione
- Rilevazione di allarme
- Funzioni di sicurezza della macchina
Queste operazioni sono normalmente gestite da un controllore logico programmabile integrato , o PLC.
Il PLC e il controllore CNC lavorano insieme per formare il sistema completo di controllo della macchina.
Flusso del segnale tra i cinque sistemi principali
L'intero processo di lavorazione CNC può essere compreso attraverso la seguente catena di segnali:
Ecco cosa succede dopo che l'operatore preme il pulsante AVVIO CICLO.
Si tratta di un processo di controllo a circuito chiuso estremamente preciso, che può ripetersi migliaia di volte al secondo.
Introduzione ai principali marchi di sistemi di controllo CNC
Dopo aver compreso il ruolo del controllore CNC, possiamo dare una breve occhiata ad alcuni dei principali marchi di sistemi di controllo CNC.
FANUC
FANUC è un marchio giapponese e uno dei produttori di sistemi di controllo CNC più diffusi al mondo.
I suoi sistemi sono noti per la stabilità, l'affidabilità e un ecosistema tecnico ben consolidato.
I sistemi FANUC sono ampiamente utilizzati negli impianti di produzione e sono spesso considerati un punto di partenza ideale per operatori e programmatori CNC.
Siemens SINUMERIK
Siemens è un marchio tedesco e i suoi sistemi CNC SINUMERIK sono ampiamente utilizzati nelle macchine utensili europee.
SINUMERIK ONE è comunemente installato su macchine utensili di fascia alta e offre potenti funzionalità e un supporto completo per la lavorazione a cinque assi.
Tuttavia, rispetto ad altri sistemi, la sua curva di apprendimento potrebbe essere relativamente ripida.
I sistemi CNC Siemens sono ampiamente utilizzati nei settori automobilistico, aerospaziale e della produzione avanzata.
Centro di controllo Heidenhain
Heidenhain è anch'esso un marchio tedesco.
I suoi sistemi di controllo TNC sono principalmente focalizzati su fresatrici e centri di lavoro.
I sistemi Heidenhain sono noti per le loro avanzate funzioni a cinque assi e sono molto apprezzati nella lavorazione aerospaziale, nella produzione di stampi di precisione e in altre applicazioni che richiedono elevata accuratezza.
Marchi cinesi rappresentativi di sistemi di controllo CNC
I marchi cinesi di sistemi di controllo CNC si sono sviluppati rapidamente negli ultimi anni.
| Brand | Azienda | Vantaggi principali | Posizionamento di mercato | Supporto a cinque assi |
|---|---|---|---|---|
| Serie Huazhong 9 | Huazhong CNC | CPU sviluppata in Cina e tecnologia controllata in modo indipendente | Sistemi di livello base e intermedio e sostituzione nazionale | Moderato |
| GSK | Guangzhou CNC | Prezzi competitivi e una gamma completa di prodotti di supporto. | Macchine CNC economiche | Moderato |
| Kede GNC62 | Kede CNC | Lavorazione simultanea a cinque assi e funzioni di tornitura-fresatura | Mercato di fascia medio-alta | Relativamente forte |
| SYNTEC | Tecnologia Syntec | Elevata compatibilità CAM, interfaccia intuitiva e ampio utilizzo su macchine a cinque assi cinesi. | Mercato di fascia media con rapida crescita su cinque assi | Relativamente forte |
Riepilogo: Comprensione dei sistemi di macchine CNC
Una macchina utensile CNC è composta da cinque sistemi principali.
Controller CNC:
Il cervello della macchina. Legge il programma, esegue i calcoli di interpolazione e invia i comandi di movimento.
Sistema servoassistito:
I muscoli della macchina. Azionano i motori e controllano il movimento preciso di ciascun asse.
Struttura meccanica:
Lo scheletro e le giunzioni della macchina, compresi il basamento, le guide, le viti a ricircolo di sfere, il piano di lavoro e il mandrino.
Sistema di misurazione e feedback:
Gli occhi della macchina. Misurano la posizione effettiva e consentono il controllo a circuito chiuso.
Sistema di funzioni ausiliarie:
Le mani della macchina. Controllano il cambio utensili, il liquido di raffreddamento, i sistemi idraulici, i sistemi pneumatici e altre funzioni di supporto.
Quando questi cinque sistemi lavorano insieme, una macchina CNC può convertire un programma di lavorazione digitale in operazioni di produzione accurate, ripetibili e automatizzate.
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