טכנולוגיית בקרה נומרית וכלי עבודה של מכונות CNC
טכנולוגיית בקרה נומרית, בקיצור NC (בקרה נומרית), היא אמצעי לשליטה בתנועות מכניות ובתהליכי עיבוד בעזרת מידע דיגיטלי. כיום, מכיוון שבקרה נומרית מודרנית מאמצת בדרך כלל בקרת מחשב, היא ידועה גם בשם בקרה נומרית ממוחשבת (בקרה נומרית ממוחשבת – CNC).
כדי להשיג בקרת מידע דיגיטלית של תנועות מכניות ותהליכי עיבוד, יש לצייד חומרה ותוכנה מתאימות. סך החומרה והתוכנה המשמשות ליישום בקרת מידע דיגיטלית נקרא מערכת בקרה נומרית (Numerical Control System), וליבת מערכת הבקרה הנומרית היא התקן הבקרה הנומרית (Numerical Controller).
מכונות הנשלטות על ידי טכנולוגיית בקרה נומרית נקראות כלי עבודה CNC (כלי עבודה NC). זהו מוצר מכטרוני טיפוסי המשלב באופן מקיף טכנולוגיות מתקדמות כגון טכנולוגיית מחשב, טכנולוגיית בקרה אוטומטית, טכנולוגיית מדידה מדויקת ותכנון כלי עבודה. זהו אבן הפינה של טכנולוגיית הייצור המודרנית. בקרת מכונות היא התחום המוקדם והנפוץ ביותר של טכנולוגיית בקרה נומרית. לכן, רמת מכונות ה-CNC מייצגת במידה רבה את הביצועים, הרמה ומגמת הפיתוח של טכנולוגיית הבקרה הנומרית הנוכחית.
ישנם סוגים שונים של מכונות CNC, כולל מכונות קידוח, כרסום וקידוח, מכונות חריטה, מכונות השחזה, מכונות עיבוד שבבי לפריקה חשמלית, מכונות חישול, מכונות עיבוד לייזר, ומכונות CNC אחרות למטרות מיוחדות עם שימושים ספציפיים. כל מכונה הנשלטת על ידי טכנולוגיית בקרה נומרית מסווגת כמכונת CNC.
מכונות CNC המצוידות במחליף כלים אוטומטי ATC (Automatic Tool Changer – ATC), למעט מחרטות CNC עם מחזיקי כלים סיבוביים, מוגדרות כמרכזי עיבוד שבבי (Machine Center – MC). באמצעות החלפה אוטומטית של כלים, חומרי עבודה יכולים להשלים הליכי עיבוד מרובים בהידוק אחד, ובכך להשיג ריכוז תהליכים ושילוב תהליכים. זה מקצר ביעילות את זמן העיבוד הנלווה ומשפר את יעילות העבודה של המכונה. בו זמנית, זה מפחית את מספר התקנות ומיקום חומרי העבודה, ומשפר את דיוק העיבוד. מרכזי עיבוד שבבי הם כיום סוג מכונות ה-CNC בעלות התפוקה הגדולה ביותר והיישום הרחב ביותר.
בהתבסס על מכונות CNC, על ידי הוספת התקני החלפה אוטומטית של שולחנות עבודה מרובי משטחים (Auto Pallet Changer – APC) והתקנים קשורים אחרים, יחידת העיבוד המתקבלת נקראת תא ייצור גמיש (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC לא רק מממש את ריכוז התהליכים ואת שילוב התהליכים, אלא גם, עם החלפה אוטומטית של שולחנות עבודה (משטחים) ופונקציות ניטור ובקרה אוטומטיות מלאות יחסית, יכול לבצע עיבוד ללא מאויש למשך פרק זמן מסוים, ובכך לשפר עוד יותר את יעילות העיבוד של הציוד. FMC אינו רק הבסיס למערכת הייצור הגמישה FMS (Flexible Manufacturing System) אלא יכול לשמש גם כציוד עיבוד אוטומטי עצמאי. לכן, מהירות הפיתוח שלו מהירה למדי.
על בסיס מרכזי ייצור FMC ומרכזי עיבוד שבבי, על ידי הוספת מערכות לוגיסטיקה, רובוטים תעשייתיים וציוד נלווה, ושליטה וניהול של מערכת בקרה מרכזית באופן מרוכז ומאוחד, מערכת ייצור כזו נקראת מערכת ייצור גמישה FMS (Flexible Manufacturing System). FMS יכולה לא רק לבצע עיבוד בלתי מאויש למשך תקופות ארוכות, אלא גם להשיג עיבוד מלא של סוגים שונים של חלקים והרכבת רכיבים, ובכך להשיג אוטומציה של תהליך הייצור בסדנה. זוהי מערכת ייצור מתקדמת ואוטומטית ביותר.
עם ההתקדמות המתמשכת של המדע והטכנולוגיה, על מנת להסתגל למצב המשתנה של ביקוש השוק, עבור ייצור מודרני, יש צורך לא רק לקדם אוטומציה של תהליך הייצור בסדנה, אלא גם להשיג אוטומציה מקיפה החל מחיזוי שוק, קבלת החלטות ייצור, עיצוב מוצר, ייצור מוצרים ועד מכירת מוצרים. מערכת הייצור והייצור השלמה שנוצרת על ידי שילוב דרישות אלו נקראת מערכת ייצור משולבת מחשב (מערכת ייצור משולבת מחשב - CIMS). CIMS משלבת באופן אורגני פעילות ייצור ועסקית ארוכה יותר, ומשיגה ייצור חכם יעיל וגמיש יותר, המייצג את השלב הגבוה ביותר בפיתוח טכנולוגיית הייצור האוטומטית של ימינו. ב-CIMS, לא רק שילוב ציוד הייצור, אלא חשוב מכך, שילוב הטכנולוגיה ושילוב הפונקציות מאופיינים על ידי מידע. המחשב הוא כלי האינטגרציה, טכנולוגיית היחידה האוטומטית בעזרת מחשב היא הבסיס לאינטגרציה, וחילופי ושיתוף מידע ונתונים הם גשר האינטגרציה. ניתן לראות את התוצר הסופי כביטוי חומרי של מידע ונתונים.
מערכת הבקרה הנומרית ומרכיביה
הרכיבים הבסיסיים של מערכת הבקרה הנומרית
מערכת הבקרה הנומרית של מכונת CNC היא הליבה של כל ציוד הבקרה הנומרית. מטרת הבקרה העיקרית של מערכת הבקרה הנומרית היא תזוזה של צירי הקואורדינטות (כולל מהירות תנועה, כיוון, מיקום וכו'), ומידע הבקרה שלה מגיע בעיקר מעיבוד בקרה נומרית או מתוכניות בקרת תנועה. לכן, הרכיבים הבסיסיים ביותר של מערכת הבקרה הנומרית צריכים לכלול: התקן קלט/פלט של התוכנית, התקן הבקרה הנומרית והנעת סרוו.
תפקידו של התקן הקלט/פלט הוא להזין ולפלט נתונים כגון עיבוד בקרה מספרי או תוכניות בקרת תנועה, נתוני עיבוד ובקרה, פרמטרים של כלי מכונה, מיקומי צירים קואורדינטיים ומצב מתגי זיהוי. מקלדת וצג הם התקני הקלט/פלט הבסיסיים ביותר הנחוצים לכל ציוד בקרה מספרי. בנוסף, בהתאם למערכת הבקרה הנומרית, ניתן לצייד גם התקנים כגון קוראי פוטואלקטריים, כונני קלטות או כונני תקליטונים. כהתקן היקפי, המחשב הוא כיום אחד מהתקני הקלט/פלט הנפוצים.
התקן הבקרה הנומרית הוא המרכיב המרכזי של מערכת הבקרה הנומרית. הוא מורכב ממעגלי ממשק קלט/פלט, בקרים, יחידות אריתמטיות וזיכרון. תפקידו של התקן הבקרה הנומרית הוא לאסוף, לחשב ולעבד את הנתונים המוקלטים על ידי התקן הקלט דרך מעגל לוגי פנימי או תוכנת בקרה, ולפלט סוגים שונים של מידע והוראות כדי לשלוט בחלקים השונים של המכונה ולבצע פעולות מוגדרות.
מבין מידע והוראות הבקרה הללו, הבסיסיות ביותר הן הוראות מהירות ההזנה, כיוון ההזנה ותזוזת ההזנה של צירי הקואורדינטות. הן נוצרות לאחר חישובי אינטרפולציה, מסופקות להנעת הסרוו, מוגברות על ידי ההנעה, ובסופו של דבר שולטות בתזוזת צירי הקואורדינטות. זה קובע ישירות את מסלול התנועה של הכלי או צירי הקואורדינטות.
בנוסף, בהתאם למערכת ולציוד, למשל, במכונת CNC, ייתכנו גם הוראות כגון מהירות סיבוב, כיוון, התחלה/עצירה של הציר; הוראות בחירת והחלפת כלים; הוראות התחלה/עצירה של התקני קירור ושימון; הוראות שחרור והידוק של חומר העבודה; אינדוקסציה של שולחן העבודה והוראות עזר אחרות. במערכת הבקרה המספרית, הן מסופקות להתקן בקרת העזר החיצוני בצורה של אותות דרך הממשק. התקן בקרת העזר מבצע את פעולות הקומפילציה והלוגיקה הנדרשות על האותות הנ"ל, מגביר אותם ומניע את המפעילים המתאימים כדי להניע את הרכיבים המכניים, התקני העזר ההידראוליים והפנאומטיים של המכונה כדי להשלים את הפעולות שצוינו בהוראות.
מנוע הסרוו מורכב בדרך כלל ממגברי סרוו (הידועים גם כמפעילים, יחידות סרוו) ומפעילים. במכונות CNC, מנועי סרוו AC משמשים בדרך כלל כמפעילים כיום; במכונות עיבוד שבבי מתקדמות במהירות גבוהה, החלו להשתמש במנועים ליניאריים. בנוסף, במכונות CNC שיוצרו לפני שנות ה-80, היו מקרים של שימוש במנועי סרוו DC; עבור מכונות CNC פשוטות, מנועי צעד שימשו גם כמפעילים. צורת מגבר הסרוו תלויה במפעיל ויש להשתמש בו בשילוב עם מנוע ההנעה.
האמור לעיל הם הרכיבים הבסיסיים ביותר של מערכת הבקרה הנומרית. עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית הבקרה הנומרית ושיפור רמות הביצועים של כלי מכונה, גם הדרישות הפונקציונליות של המערכת עולות. כדי לעמוד בדרישות הבקרה של כלי מכונה שונים, להבטיח את שלמות ואחידות מערכת הבקרה הנומרית, ולהקל על השימוש על ידי המשתמש, מערכות בקרה נומריות מתקדמות נפוצות כוללות בדרך כלל בקר פנימי הניתן לתכנות כמכשיר בקרה עזר של כלי המכונה. בנוסף, במכונות חיתוך מתכת, התקן הנעת הציר יכול גם הוא להפוך לרכיב של מערכת הבקרה הנומרית; במכונות CNC בלולאה סגורה, התקני מדידה וגילוי הם גם הכרחיים למערכת הבקרה הנומרית. עבור מערכות בקרה נומריות מתקדמות, לפעמים אפילו מחשב משמש כממשק אדם-מכונה של המערכת ולניהול נתונים והתקני קלט/פלט, ובכך הופך את פונקציות מערכת הבקרה הנומרית לעוצמתיות יותר ואת הביצועים למושלמים יותר.
לסיכום, הרכב מערכת הבקרה הנומרית תלוי בביצועי מערכת הבקרה ובדרישות הבקרה הספציפיות של הציוד. ישנם הבדלים משמעותיים בתצורתה ובהרכבה. בנוסף לשלושת הרכיבים הבסיסיים ביותר של התקן הקלט/פלט של תוכנית העיבוד, התקן הבקרה הנומרית ומניע הסרוו, ייתכנו התקני בקרה נוספים. החלק המקווקו בתיבה באיור 1-1 מייצג את מערכת הבקרה הנומרית הממוחשבת.
המושגים של NC, CNC, SV ו-PLC
NC (CNC), SV ו-PLC (PC, PMC) הם קיצורים נפוצים באנגלית בציוד בקרה מספרית ויש להם משמעויות שונות ביישומים מעשיים במקרים שונים.
NC (CNC): NC ו-CNC הם קיצורים נפוצים באנגלית של Numerical Control ו-Computerized Numerical Control, בהתאמה. בהתחשב בכך שבקרה נומרית מודרנית מאמצת כולה בקרת מחשב, ניתן להסיק כי המשמעויות של NC ו-CNC זהות לחלוטין. ביישומים הנדסיים, בהתאם לשימוש, ל-NC (CNC) יש בדרך כלל שלוש משמעויות שונות: במובן הרחב, הוא מייצג טכנולוגיית בקרה - טכנולוגיית בקרה נומרית; במובן הצר, הוא מייצג ישות של מערכת בקרה - מערכת הבקרה הנומרית; בנוסף, הוא יכול לייצג גם התקן בקרה ספציפי - התקן הבקרה הנומרית.
SV: SV הוא הקיצור האנגלי הנפוץ של סרוו דרייב (Servo Drive, בקיצור servo). על פי המונחים שנקבעו בתקן JIS היפני, זהו "מנגנון בקרה שלוקח את המיקום, הכיוון והמצב של אובייקט ככמויות בקרה ועוקב אחר שינויים שרירותיים בערך היעד". בקיצור, זהו מכשיר בקרה שיכול לעקוב באופן אוטומטי אחר כמויות פיזיות כמו מיקום היעד.
במכונות CNC, תפקידו של מנוע הסרוו בא לידי ביטוי בעיקר בשני היבטים: ראשית, הוא מאפשר לצירי הקואורדינטות לפעול במהירות הניתנת על ידי התקן הבקרה המספרי; שנית, הוא מאפשר לצירי הקואורדינטות להיות ממוקמים בהתאם למיקום הניתן על ידי התקן הבקרה המספרי.
מושאי הבקרה של מנוע סרוו הם בדרך כלל התזוזה והמהירות של צירי הקואורדינטות של כלי המכונה; המפעיל הוא מנוע סרוו; החלק ששולט ומגביר את אות פקודת הקלט נקרא לעתים קרובות מגבר סרוו (הידוע גם כמנהל, מגבר, יחידת סרוו וכו'), שהוא הליבה של מנוע הסרוו.
ניתן להשתמש בהנעת סרוו לא רק בשילוב עם התקן הבקרה הנומרית, אלא גם לבדה כמערכת נלווית למיקום (מהירות). לכן, היא נקראת לעתים קרובות מערכת סרוו. במערכות בקרה נומריות מוקדמות, חלק בקרת המיקום היה משולב בדרך כלל עם CNC, והנעת סרוו ביצעה רק בקרת מהירות. לכן, הנעת סרוו כונתה לעתים קרובות יחידת בקרת מהירות.
PLC: PC הוא קיצור באנגלית של Programmable Controller. עם הפופולריות הגוברת של מחשבים אישיים, כדי למנוע בלבול עם מחשבים אישיים (הנקראים גם PCs), בקרים מתכנתים נקראים כיום בדרך כלל בקרי לוגיקה מתכנתים (Programmalbe Logic Controller – PLC) או בקרי מכונה מתכנתים (Programmable Machine Controller – PMC). לכן, במכונות CNC, ל-PC, PLC ו-PMC יש בדיוק את אותה המשמעות.
לבקר PLC יתרונות של תגובה מהירה, ביצועים אמינים, שימוש נוח, תכנות וניפוי שגיאות קלים, והוא יכול להניע ישירות כמה מכשירי מכונה חשמליים. לכן הוא נמצא בשימוש נרחב כמכשיר בקרה עזר לציוד בקרה מספרי. כיום, לרוב מערכות הבקרה המספריות יש בקר PLC פנימי לעיבוד הוראות העזר של מכונות CNC, ובכך מפשט מאוד את התקן הבקרה העזר של המכונה. בנוסף, במקרים רבים, באמצעות מודולים פונקציונליים מיוחדים כגון מודול בקרת צירים ומודול מיקום של הבקר PLC, ניתן להשתמש בבקר PLC ישירות גם כדי להשיג בקרת מיקום נקודה, בקרה ליניארית ובקרת קווי מתאר פשוטים, וליצור מכונות CNC מיוחדות או קווי ייצור CNC.
עקרון ההרכב והעיבוד של כלי עבודה מכניים CNC
ההרכב הבסיסי של כלי עבודה CNC
מכונות CNC הן ציוד הבקרה הנומרית האופייני ביותר. כדי להבהיר את ההרכב הבסיסי של מכונות CNC, יש צורך תחילה לנתח את תהליך העבודה של מכונות CNC לעיבוד חלקים. במכונות CNC, כדי לעבד חלקים, ניתן ליישם את השלבים הבאים:
בהתאם לשרטוטים ותוכניות התהליך של החלקים המיועדים לעיבוד, תוך שימוש בקודים ובפורמטים של התוכנית שנקבעו, יש לכתוב את מסלול התנועה של הכלים, תהליך העיבוד, פרמטרי התהליך, פרמטרי החיתוך וכו' לתוך טופס ההוראות המזוהה על ידי מערכת הבקרה המספרית, כלומר, לכתוב את תוכנית העיבוד.
הזן את תוכנית העיבוד הכתובה לתוך התקן הבקרה הנומרית.
התקן הבקרה המספרי מפענח ומעבד את תוכנית הקלט (קוד) ושולח אותות בקרה מתאימים להתקני הנעת הסרוו ולהתקני בקרת פונקציות עזר של כל ציר קואורדינטות כדי לשלוט בתנועה של כל רכיב של כלי המכונה.
במהלך התנועה, מערכת הבקרה המספרית צריכה לזהות את מיקום צירי הקואורדינטות של כלי המכונה, את מצב מתגי התנועה וכו' בכל עת, ולהשוות אותם לדרישות התוכנית כדי לקבוע את הפעולה הבאה עד לעיבוד החלקים המתאימים.
המפעיל יכול לצפות ולבדוק את תנאי העיבוד ומצב העבודה של המכונה בכל עת. במידת הצורך, נדרשות גם התאמות לפעולות המכונה ובתוכניות העיבוד כדי להבטיח את הפעולה הבטוחה והאמינה של המכונה.
ניתן לראות שכהרכב הבסיסי של מכונת CNC, היא צריכה לכלול: התקני קלט/פלט, התקני בקרה מספריים, הנעות סרוו והתקני משוב, התקני בקרה עזר וגוף המכונה.
הרכב כלי מכונות CNC
מערכת הבקרה הנומרית משמשת להשגת בקרת עיבוד של מארח כלי המכונה. כיום, רוב מערכות הבקרה הנומרית מאמצות בקרת נומרית ממוחשבת (כלומר, CNC). התקן הקלט/פלט, התקן הבקרה הנומרית, מנוע הסרוו והתקן המשוב באיור מהווים יחד את מערכת הבקרה הנומרית של כלי המכונה, ותפקידה תואר לעיל. להלן תציג בקצרה רכיבים נוספים.
התקן משוב מדידה: זהו קישור הגילוי של כלי מכונת CNC בלולאה סגורה (לולאה סגורה למחצה). תפקידו לזהות את המהירות והתזוזה בפועל של המפעיל (כגון מחזיק הכלי) או שולחן העבודה באמצעות רכיבי מדידה מודרניים כגון מקודדי דופק, רזולוורים, סנכרוני אינדוקציה, סריג, סולמות מגנטיים ומכשירי מדידה בלייזר, ולהזין אותם בחזרה להתקן הנעת הסרוו או להתקן הבקרה המספרי, ולפצות על מהירות ההזנה או שגיאת התנועה של המפעיל כדי להשיג את המטרה של שיפור דיוק מנגנון התנועה. מיקום ההתקנה של התקן הגילוי והמיקום שבו אות הגילוי מוזן בחזרה תלויים במבנה מערכת הבקרה המספרי. מקודדי דופק מובנים של סרוו, טכומטרים וסריגים ליניאריים הם רכיבי גילוי נפוצים.
בשל העובדה שכל סרוו מתקדמים מאמצים טכנולוגיית הנעת סרוו דיגיטלית (המכונה סרוו דיגיטלי), בדרך כלל משתמשים באפיק לחיבור בין הנעת הסרוו להתקן הבקרה המספרי; ברוב המקרים, אות המשוב מחובר להנעת הסרוו ומועבר להתקן הבקרה המספרי דרך האפיק. רק במקרים בודדים או בעת שימוש בהנעות סרוו אנלוגיות (הידועות בדרך כלל כסרוו אנלוגי), יש לחבר את התקן המשוב ישירות להתקן הבקרה המספרי.
מנגנון בקרה עזר ומנגנון העברת הזנה: ממוקם בין התקן הבקרה המספרי לבין הרכיבים המכניים וההידראוליים של המכונה. תפקידו העיקרי הוא לקבל את מהירות הציר, כיוון הציר והוראות התחלה/עצירה המופקות מהתקן הבקרה המספרי; הוראות בחירת והחלפת כלים; הוראות התחלה/עצירה של התקני קירור ושימון; אותות הוראות עזר כגון שחרור והידוק של חלקי עבודה ורכיבי מכונה, אינדוקס של שולחן העבודה ואותות המצב של מתגי הגילוי במכונה. לאחר הקומפילציה הנדרשת, שיפוט לוגי והגברת הספק, המפעילים המתאימים מונעים ישירות כדי להניע את הרכיבים המכניים, התקני העזר ההידראוליים והפנאומטיים של המכונה כדי להשלים את הפעולות שצוינו בהוראות. הוא מורכב בדרך כלל מבקר בקרה (PLC) וממעגל בקרת זרם חזק. הבקר הבקר יכול להיות משולב עם ה-CNC במבנה (PLC מובנה) או באופן עצמאי יחסית (PLC חיצוני).
גוף המכונה, כלומר, המבנה המכני של מכונת ה-CNC, מורכב גם ממערכות הנעה עיקריות, מערכות הזנה, משטחים, שולחנות עבודה, התקני תנועה עזר, מערכות הידראוליות ופנאומטיות, מערכות סיכה, התקני קירור, מערכות הסרת שבבים, מערכות הגנה וחלקים אחרים. עם זאת, כדי לעמוד בדרישות הבקרה הנומרית ולתת משחק מלא לביצועי המכונה, היא עברה שינויים משמעותיים מבחינת הפריסה הכללית, עיצוב המראה, מבנה מערכת ההילוכים, מערכת הכלים וביצועי התפעול. הרכיבים המכניים של המכונה כוללים את המשטח, התיבה, העמודה, מסילת ההובלה, שולחן העבודה, הציר, מנגנון ההזנה, מנגנון החלפת הכלים וכו'.
עקרון עיבוד שבבי CNC
במכונות חיתוך מתכת מסורתיות, בעת עיבוד חלקים, המפעיל צריך לשנות באופן רציף פרמטרים כגון מסלול התנועה ומהירות התנועה של הכלי בהתאם לדרישות השרטוט, כך שהכלי יבצע עיבוד חיתוך על חומר העבודה ולבסוף יעבד חלקים מתאימים.
עיבוד מכונות CNC מיישם בעיקרו את עקרון ה"דיפרנציאל". ניתן לתאר בקצרה את עקרון הפעולה והתהליך שלה כדלקמן:
בהתאם למסלול הכלי הנדרש על ידי תוכנית העיבוד, התקן הבקרה המספרי מבדיל את המסלול לאורך צירי הקואורדינטות המתאימים של כלי המכונה עם כמות התנועה המינימלית (שווה ערך לפולסים) (△X, △Y באיור 1-2) ומחשב את מספר הפולסים שכל ציר קואורדינטות צריך כדי לנוע.
באמצעות תוכנת ה"אינטרפולציה" או מחשבון ה"אינטרפולציה" של התקן הבקרה המספרי, המסלול הנדרש מותאם עם פולי-קו שווה ערך ביחידות של "יחידת תנועה מינימלית" ונמצא הפולי-קו המותאם הקרוב ביותר למסלול התאורטי.
בהתאם למסלול הפולי-ליין המותאם, התקן הבקרה המספרי מקצה באופן רציף פולסי הזנה לצירי הקואורדינטות המתאימים ומאפשר לצירי הקואורדינטות של כלי העבודה לנוע בהתאם לפולסים שהוקצו באמצעות הנעת סרוו.
ניתן לראות כי: ראשית, כל עוד כמות התנועה המינימלית (שווה ערך לפולס) של מכונת ה-CNC קטנה מספיק, ניתן להחליף את הפולי-ליין המותאם באופן שווה את העקומה התיאורטית. שנית, כל עוד שיטת הקצאת הפולסים של צירי הקואורדינטות משתנה, ניתן לשנות את צורת הפולי-ליין המותאם, ובכך להשיג את המטרה של שינוי מסלול העיבוד. שלישית, כל עוד תדירות ה...