Kern CNC Concept #1: De Fundamenten van Computer Numerical Control Beheersen

Dit is het eerste artikel in een 10-delige serie over de Kern Concepten van Computer Numerical Control. Voor een inleiding tot de aanpak van deze serie lees dit artikel.

Wat zijn de voordelen van computer numerical control?

Het eerste voordeel dat alle vormen van CNC-werktuigmachines bieden is verbeterde automatisering. De operator-interventie gerelateerd aan het produceren van werkstukken kan worden verminderd of geëlimineerd. Veel CNC-machines kunnen onbezocht draaien tijdens hun volledige bewerkingscyclus, wat de operator vrijmaakt voor andere taken. Dit geeft de CNC-gebruiker diverse bijvoordelen, waaronder verminderde operatorvermoeidheid, minder fouten door menselijke fouten, en consistente en voorspelbare bewerkingstijd per werkstuk. Aangezien de machine onder programmacontrole draait, is het vaardigheidsniveau dat van de CNC-operator wordt vereist (gerelateerd aan basis bewerkingspraktijk) ook verminderd vergeleken met een werktuigmaker die werkstukken produceert met conventionele werktuigmachines.

Het tweede grote voordeel van CNC-technologie is consistente en nauwkeurige werkstukken. Hedendaagse CNC-machines bekroonen bijna ongelooflijke nauwkeurigheids- en herhaalbaarheidsspecificaties. Dit betekent dat eenmaal een programma geverifieerd is, twee, tien, of duizend identieke werkstukken eenvoudig met precisie en consistentie geproduceerd kunnen worden.

Een derde voordeel dat de meeste vormen van CNC-werktuigmachines bieden is flexibiliteit. Omdat deze machines vanuit programma's draaien, is het draaien van een ander werkstuk bijna zo eenvoudig als een ander programma laden. Eenmaal een programma geverifieerd en uitgevoerd voor één productielop, kan het eenvoudig worden herhaald de volgende keer dat het werkstuk moet worden gedraaid. Dit leidt tot nog een voordeel: snelle change-overs.

Omdat deze machines heel makkelijk op te zetten en te draaien zijn, en programma's eenvoudig geladen kunnen worden, laten ze heel korte opsteltijden toe. Dit is imperatief met de hedendaagse just-in-time productievereisten.

Bewegingscontrole – Het Hart van CNC

De meest basisfunctie van elke CNC-machine is automatische, nauwkeurige en consistente bewegingscontrole. Alle vormen van CNC-apparatuur hebben twee of meer bewegingsrichtingen, genaamd assen. Deze assen kunnen nauwkeurig en automatisch worden gepositioneerd langs hun reislengte. De twee meest voorkomende astypen zijn lineair (aangedreven langs een recht pad) en rotatief (aangedreven langs een circulair pad).

In plaats van beweging te veroorzaken door handmatig kranen en handwielen te draaien zoals vereist op conventionele werktuigmachines, laten CNC-machines bewegingen toe die worden geaktiveerd door servomotoren onder controle van de CNC, en geleid door het deelprogramma. In het algemeen zijn het bewegingstype (rapide, lineair, circulair), de assen die moeten bewegen, de hoeveelheid beweging en de bewegingssnelheid (voedsnelheid) programmeerbaar met bijna alle CNC-werktuigmachines.

Een CNC-commando dat binnen de besturing wordt uitgevoerd (vaak via een programma) vertelt de aandrijfmotor om een nauwkeurig aantal keren te draaien. De rotatie van de aandrijfmotor draait op zijn beurt de spindel. En de spindel drijft de lineaire as. Een terugkoppelapparaat aan het uiteinde van de spindel stelt de besturing in staat te bevestigen dat het gecommandeerde aantal rotaties heeft plaatsgevonden.

Hoewel een rather ruwe analogie, kan dezelfde basis lineaire beweging worden gevonden op een gewone tafelschroef. Als u de schroef van de schroefbank draait, draait u een moerspindel die op zijn beurt de bewegende bek op de schroefbank drijft. In vergelijking, is een lineaire as op een CNC-werktuigmachine extrem nauwkeurig. Het aantal omwentelingen van de as-aandrijfmotor controleert nauwkeurig de hoeveelheid lineaire beweging langs de as.

Hoe As-Beweging Wordt Gecommendeerd – Coördinatensystemen Begrijpen

Het zou onpraktisch zijn voor de CNC-gebruiker om as-beweging te veroorzaken door te proberen elke as-aandrijfmotor te vertellen hoe vaak moet draaien om een gegeven lineaire bewegingshoeveelheid te commenderen. (Dit zou zijn alsof u moet uitrekenen hoeveel draaiingen van de handvat op een tafelschroef de bewegende bek precies één inch zal laten bewegen!) In plaats daarvan laten alle CNC-besturingen as-beweging toe op een veel simpeler en logischer manier door gebruik te maken van een vorm van coördinatensysteem. De twee meest populaire systemen die met CNC-machines worden gebruikt, zijn het rechthoekige – of "cartesische" – coördinatensysteem en het polaire coördinatensysteem. Verreweg het meest voorkomende is het rechthoekige coördinatensysteem.

Eén heel veelvoorkomende toepassing voor het rechthoekige coördinatensysteem is grafieken maken.

Laten we wat we nu weten over grafieken relateren aan CNC-as-beweging. In plaats van theoretische punten te plotten om conceptuele ideeën weer te geven, gaat de CNC-programmeerder fysieke eindpunten voor as-bewegingen plotten. Assen worden verdeeld in incrementen. Maar in plaats van verdeeld te worden in incrementen van conceptuele ideeën zoals tijd en productiviteit, wordt elke lineaire as van het rechthoekige coördinatensysteem van een CNC-machine verdeeld in incrementen van meting. In de inch-modus kan het kleinste increment 0,0001 inch zijn. In de metrische modus kan het kleinste increment 0,001 millimeter zijn. (Au passage, voor rotatie-as is het increment 0,001 graden.)

Elke as binnen het coördinatensysteem van de CNC-machine moet ergens beginnen. Voor CNC-doeleinden wordt deze oorsprongspunt doorgaans het programma-nul punt genoemd (ook wel werk-nul, deel-nul, of programma-oorsprong). Doorgaans wordt het programma-nul punt gekozen als het punt waar alle afmetingen beginnen.

Met deze techniek, als de programmeerder wenst dat het gereedschap naar een positie één inch rechts van het programma-nul punt wordt gestuurd, wordt X1.0 gecommendeerd. Als de programmeerder wenst dat het gereedschap naar een positie één inch boven het programma-nul punt beweegt, wordt Y1.0 gecommendeerd. De besturing zal automatisch bepalen hoe vaak elke as-aandrijfmotor en spindel moet draaien om de as het gecommandeerde bestemmingspunt te laten bereiken. Dit laat de programmeerder as-beweging op een heel logische manier commenderen.

Met de tot nu toe gegeven voorbeelden, bleken alle punten boven en rechts van het programma-nul punt te liggen. Dit gebied boven en rechts van het programma-nul punt heet een kwadrant (in dit geval kwadrant nummer een). Het is niet ongebruikelijk op CNC-machines dat eindpunten die in het programma nodig zijn, in andere kwadranten vallen. Wanneer dit gebeurt, moet ten minste één van de coördinaten als min worden gespecificeerd. Figuur 1 toont een veelvoorkomende toepassing van wanneer eindpunten in alle vier kwadranten vallen en negatieve coördinaten gespecificeerd moeten worden.

Absoluut Versus Incrementieel Bewegen

Alle discussies tot nu toe gaan ervan uit dat de absolute programmeermodus wordt gebruikt. In de absolute modus worden de eindpunten voor alle bewegingen gespecificeerd vanuit het programma-nul punt. Voor beginners is dit meestal de beste en makkelijkste methode om eindpunten voor bewegingscommando's te specificeren. Er is echter nog een andere manier om eindpunten voor as-beweging te specificeren.

In de incrementele modus worden eindpunten voor bewegingen gespecificeerd vanuit de huidige positie van het gereedschap, niet vanuit programma-nul. Met deze methode van het commenderen van beweging moet de programmeerder altijd vragen: "Hoe ver moet ik het gereedschap bewegen?" Hoewel er tijden zijn waarop de incrementele modus heel nuttig kan zijn, is dit over het algemeen de meer omslachtige en moeilijke methode.

Wees voorzichtig bij het maken van bewegingscommando's. Beginners hebben de neiging om incrementieel te denken. Als u in de absolute modus werkt (zoals beginners zouden moeten), moet de programmeerder altijd vragen: "Naar welke positie moet het gereedschap worden bewogen?" Deze positie is relatief tot programma-nul, niet vanaf de huidige positie van het gereedschap. Figuur 2 toont twee identieke reeksen bewegingen, één in de incrementele modus en de andere in de absolute modus.

Naast het maken het heel makkelijk om de huidige positie voor elk commando te bepalen, heeft een ander voordeel van werken in de absolute modus te maken met fouten die tijdens bewegingscommando's worden gemaakt. In de absolute modus, als een bewegingsfout wordt gemaakt in één commando van het programma, zal slechts één beweging onjuist zijn. Aan de andere kant, als een fout wordt gemaakt tijdens incrementele bewegingen, zullen alle bewegingen vanaf het punt van de fout ook onjuist zijn.

Programma-Nul Toewijzen

Houd er rekening mee dat de CNC-besturing de locatie van het programma-nul punt op de een of andere manier moet worden verteld. Hoe dit wordt gedaan, varieert dramatisch van de ene CNC-machine en besturing tot de andere. Een oudere methode is om programma-nul in het programma toe te wijzen. Met deze methode vertelt de programmeerder de besturing hoe ver het is van het programma-nul punt naar de startpositie van de machine. Dit wordt doorgaans gedaan met een G92 (of G50) commando ten minste aan het begin van het programma en mogelijk aan het begin van elk gereedschap.

Een over het algemeen betere manier om programma-nul toe te wijzen is via een vorm van offset. Machinecentrum-besturingsfabrikanten noemen offsets die gebruikt worden om programma-nul toe te wijzen doorgaans vastzet-offsets. Draaicentrum-fabrikanten noemen offsets die gebruikt worden om programma-nul voor elk gereedschap toe te wijzen doorgaans geometrie-offsets. Meer over hoe programma-nul kan worden toegewezen zal worden gepresenteerd tijdens kernconcept nummer vier.

Overige Punten Over As-Beweging

Tot nu toe was onze primaire zorgen om u te laten zien hoe u het eindpunt van elk bewegingscommando kunt bepalen. Zoals u gezien hebt, vereist dit begrip van het rechthoekige coördinatensysteem. Er zijn echter andere zorgen over hoe een beweging zal plaatsvinden. Bijvoorbeeld, het type beweging (rapide, rechte lijn, circulair, etc.), en bewegingssnelheid (voedsnelheid) zullen ook van belang zijn voor de programmeerder. We zullen deze overwegingen bespreken tijdens kernconcept nummer drie.

Het CNC-Programma

Bijna alle huidige CNC-besturingen gebruiken een woord-adres formaat voor programmeren. (De enige uitzonderingen zijn bepaalde conversationele besturingen.) Met woord-adres formaat bedoelen we dat het CNC-programma bestaat uit zin-achtige commando's. Elk commando bestaat uit CNC-woorden, elk met een letteradres en een numerieke waarde. Het letteradres (X, Y, Z, etc.) vertelt de besturing het soort woord en de numerieke waarde vertelt de besturing de waarde van het woord. Net als woorden en zinnen in de Engelse taal, vertellen woorden in een CNC-commando de CNC-machine wat we op het huidige moment willen doen.

Elk woord heeft een letteradres en een numerieke waarde. Het letteradres vertelt de besturing het woordtype. CNC-besturingsfabrikanten variëren met betrekking tot hoe ze woordnamen (letteradressen) en hun betekenissen bepalen. De beginnende CNC-programmeerder moet de programmeerhandleiding van de besturingsfabrikant raadplegen om de woordnamen en betekenissen te bepalen. Hier is een korte lijst van enkele woordtypen en hun veelvoorkomende letteradres-specificaties.

Zoals u ziet, zijn veel van de letteradressen op een logische manier gekozen (T voor gereedschap, S voor spindel, F voor voedsnelheid, etc.). Een paar vereisen memoriseren.

Er zijn twee letteradressen (G en M) die speciale functies toestaan om te worden aangewezen. De voorbereidende functie (G) specificeren wordt doorgaans gebruikt om modi in te stellen. We hebben al de absolute modus geïntroduceerd, die wordt gespecificeerd door G90 en incrementele modus, gespecificeerd door G91. Dit zijn slechts twee van de voorbereidende functies die worden gebruikt. U moet de handleiding van uw besturingsfabrikant raadplegen om de lijst met functies voor uw machine te vinden.

Als voorbereidende functies, laten diverse functies (M-woorden) een verscheidenheid aan speciale functies toe. Diverse functies worden doorgaans gebruikt als programmeerbare schakelaars (zoals spindel aan/uit, koelmiddel aan/uit, enz.). Ze worden ook gebruikt om programmeren van veel andere programmeerbare functies van de CNC-werktuigmachine toe te staan.

Voor een beginner kan al dit lijken alsof CNC-programmeren een grote hoeveelheid memorisatie vereist. Maar rust gerust dat er slechts ongeveer 30-40 verschillende woorden worden gebruikt met CNC-programmeren. Als u kunt denken aan het leren van CNC-handmatig programmeren als het leren van een vreemde taal die slechts 40 woorden heeft, zou het niet te moeilijk hoeven te zijn.

Decimaal punt programmeren

Bepaalde letteradressen (CNC-woorden) staan de specificatie van reële getallen (getallen die breuken van een heel getal vereisen) toe. Voorbeelden zijn X-as-aanduiding (X), Y-as-aanduiding (Y), en straal-aanduiding (R). Bijna alle huidige model CNC-besturingen staan een decimaal punt toe binnen de specificatie van elk letteradres. Bijvoorbeeld, X3.0625 kan worden gebruikt om een positie langs de X-as te specificeren.

Aan de andere kant, worden sommige letteradressen gebruikt om gehele getallen te specificeren. Voorbeelden zijn de spindelsnelheid-aanduiding (S), het gereedschapstation-aanduiding (T), volgnummers (N), voorbereidende functies (G), en diverse functies (M). Voor deze woordtypen staan de meeste besturingen niet toe dat een decimaal punt wordt gebruikt. De beginnende programmeerder moet de programmeerhandleiding van de CNC-besturingsfabrikant raadplegen om te achterhalen welke woorden het gebruik van een decimaal punt toestaan.

Overige programmeerbare functies

Alle behalve de aller eenvoudigste CNC-machines hebben programmeerbare functies anders dan alleen as-beweging. Met de hedendaagse full-blown CNC-apparatuur is bijna alles aan de machine programmeerbaar. CNC-machinecentra, bijvoorbeeld, staan spindelsnelheid en -richting, koelmiddel, gereedschapswisseling, en veel andere functies van de machine toe om te programmeren. Op gelijke wijze staan CNC-draaicentra spindelsnelheid en -richting, koelmiddel, torretindexeren, en contraspindel toe om te programmeren. En alle vormen van CNC-apparatuur zullen hun eigen set van programmeerbare functies hebben. Daarnaast kunnen bepaalde accessoires zoals tastsystemen, gereedschapslengtemetsystemen, palletwisselaars, en adaptieve besturingssystemen ook beschikbaar zijn en zullen programmeeroverwegingen vereisen.

De lijst met programmeerbare functies zal dramatisch variëren van de ene machine tot de andere, en de gebruiker moet deze programmeerbare functies leren voor elke CNC-machine die gebruikt zal worden. In kernconcept nummer twee zullen we nader kijken naar wat typisch programmeerbaar is op verschillende vormen van CNC-werktuigmachines.

Meer leren over kernconcepten van computer numerical control:

Kern CNC Concept #2 – Ken Uw Machine
Kern CNC Concept #3 – CNC-BewegingsTypen Begrijpen
Kern CNC Concept #4 – De Vormen Van Compensatie
Kern CNC Concept #5 – Het Belang Van Programmaformattering
Kern CNC Concept #6 – Methodes Voor CNC-Programmeren
Kern CNC Concept #7 – Ken De Machine Vanuit Een Operator's Perspectief
Kern CNC Concept #8 – De Modi Van Machinebedrijf
Kern CNC Concept #9 – De Sleutelvolgordes Van Operatie
Kern CNC Concept #10 – CNC-Programma's Veilig Verifiëren