Erforschung der Vielseitigkeit von CNC-Maschinen: Typen und Anwendungen | MachineMFG

Erkundung der Vielseitigkeit von CNC-Maschinen: Typen und Anwendungen

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Es gibt heute viele Arten von CNC-Werkzeugmaschinen, die sich in Aufbau und Funktion unterscheiden. Sie können im Allgemeinen nach den folgenden Methoden klassifiziert werden:

1. Klassifizierung auf der Grundlage der Bewegungsbahn der Werkzeugmaschine

 Je nach den verschiedenen Bewegungsbahnen der Werkzeugmaschine kann sie in Punkt-zu-Punkt-Steuerung unterteilt werden CNC-Maschine Werkzeugmaschinen, CNC-Werkzeugmaschinen mit Linearsteuerung und CNC-Werkzeugmaschinen mit Kontursteuerung.

(1) Punkt-zu-Punkt-Kontrolle CNC-Werkzeugmaschinen

Bei der Punkt-zu-Punkt-Steuerung (auch Positioniersteuerung oder Punktsteuerung genannt) wird das Werkzeug von einer Position zu einer anderen bewegt, ohne dass strenge Anforderungen an die dazwischen liegende Bahn gestellt werden, solange das Werkzeug die Zielposition genau erreicht.

Werkzeugmaschinen mit Punkt-zu-Punkt-Steuerung zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur die genaue Positionierung der beweglichen Teile von einer Position zur anderen steuern, ohne während der Bewegung und Positionierung irgendeine Bearbeitung durchzuführen.

Um die Bewegungs- und Positionierungszeit der beweglichen Teile zu minimieren, wird die Bewegung zwischen zwei zusammenhängenden Punkten zunächst mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt, bis sie sich der neuen Position nähert, und dann kontinuierlich oder allmählich verlangsamt, um sich dem Positionierungspunkt langsam zu nähern, wodurch die Positionierungsgenauigkeit gewährleistet wird.

Die schematische Darstellung der Punkt-zu-Punkt-Kontrollverarbeitung ist in Abbildung 1-3 zu sehen.

Zu dieser Art von Werkzeugmaschinen gehören hauptsächlich CNC-Koordinatenbohrmaschinen, CNC-Bohrmaschinen, CNC-Punktschweißmaschinen und CNC-Biegen Maschinen. Das entsprechende CNC-Gerät wird als Punkt-zu-Punkt-Steuerung bezeichnet.

(2) CNC-Werkzeugmaschinen mit Linearsteuerung

Die lineare Steuerung (auch Parallelschnittsteuerung genannt) steuert nicht nur die genaue Position (Abstand) zweier zusammenhängender Punkte, sondern stellt auch sicher, dass die Bahn zwischen ihnen eine gerade Linie ist, und steuert die Geschwindigkeit der Bewegung, da diese Art von Werkzeugmaschine die Schnittbearbeitung während der Bewegung zwischen zwei Punkten durchführt.

CNC-Werkzeugmaschinen mit Linearsteuerung zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht nur die genaue Position des Werkzeugs im Verhältnis zum Werkstück, sondern auch die Geschwindigkeit und die Bahn der Bewegung zwischen zwei zusammenhängenden Punkten steuern, wobei die Bahn im Allgemeinen aus geraden Segmenten parallel zu jeder Achse besteht.

Der Unterschied zwischen CNC-Werkzeugmaschinen mit Linearsteuerung und solchen mit Punkt-zu-Punkt-Steuerung besteht darin, dass sie bei der Bewegung der beweglichen Maschinenteile die Zerspanungsbearbeitung in Richtung einer Koordinatenachse durchführen können und über mehr Hilfsfunktionen verfügen als CNC-Werkzeugmaschinen mit Punkt-zu-Punkt-Steuerung.

Die schematische Darstellung der linearen Steuerungsverarbeitung ist in Abbildung 1-4 dargestellt.

Abbildung 1-3: Schematische Darstellung der Punkt-zu-Punkt-Kontrollverarbeitung.
Abbildung 1-4: Schematische Darstellung der linearen Steuerungsverarbeitung.

Zu dieser Art von Werkzeugmaschinen gehören hauptsächlich CNC-Koordinatendrehmaschinen, CNC-Schleifmaschinen und CNC-Bohr- und Fräsmaschinen. Das entsprechende CNC-Gerät wird als CNC-Gerät mit Linearsteuerung bezeichnet.

(3) Konturgesteuerte CNC-Werkzeugmaschinen

Die Kontursteuerung, auch als Bahnsteuerung bekannt, ist eine Funktion, über die die meisten CNC-Werkzeugmaschinen verfügen. CNC-Werkzeugmaschinen mit Kontursteuerung zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwei oder mehr Achsen gleichzeitig mit Interpolationsmöglichkeiten steuern können.

Sie steuern nicht nur die Position und die Geschwindigkeit der Werkzeugbewegung an jedem Punkt der Bearbeitung, sondern können auch jede beliebige Form von Kurven oder Oberflächen bearbeiten.

Das schematische Schema der Konturenkontrollverarbeitung ist in Abbildung 1-5 dargestellt.

CNC-Koordinatendrehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren usw. gehören zu den bahngesteuerten Werkzeugmaschinen. Das entsprechende CNC-Gerät wird als Bahnsteuerungsgerät bezeichnet. Bahnsteuerungsgeräte sind wesentlich komplexer aufgebaut und funktionell umfangreicher als Punkt-zu-Punkt- und Linearsteuerungsgeräte.

2. Klassifizierung nach dem Typ des Servosystems

Nach den verschiedenen Arten von Servosystemen können CNC-Werkzeugmaschinen in CNC-Werkzeugmaschinen mit offenem Regelkreis, CNC-Werkzeugmaschinen mit geschlossenem Regelkreis und CNC-Werkzeugmaschinen mit halbgeschlossenem Regelkreis unterteilt werden.

Abbildung 1-5: Schematische Darstellung der Konturenkontrollverarbeitung.

(1) CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen mit offenem Regelkreis

CNC-Werkzeugmaschinen mit offenem Regelkreis haben in der Regel keine Positionserfassungselemente, und die Servoantriebskomponenten sind in der Regel Schrittmotoren.

Nachdem das CNC-Gerät einen Vorschubimpuls ausgesendet hat, wird dieser Impuls verstärkt und treibt den Schrittmotor an, um einen festen Winkel zu drehen, und dann wird der Arbeitstisch durch mechanische Übertragung bewegt.

Das Open-Loop-Servosystem ist in Abbildung 1-6 dargestellt. Diese Art von System hat keine Rückkopplungswerte vom gesteuerten Objekt, und seine Genauigkeit hängt vollständig von der Schrittgrößengenauigkeit des Schrittmotors und der Genauigkeit der mechanischen Übertragung ab.

Der Steuerkreis ist einfach, leicht einzustellen und hat eine geringe Genauigkeit (im Allgemeinen bis zu 0,02 mm), die in der Regel für kleine oder kostengünstige CNC-Werkzeugmaschinen verwendet wird.

Abbildung 1-6: Open-Loop-Servosystem.

(2) CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen mit geschlossenem Regelkreis

CNC-Werkzeugmaschinen mit geschlossenem Regelkreis sind in der Regel mit Positionserfassungselementen ausgestattet, die die tatsächliche Verschiebung des Arbeitstisches zu jedem Zeitpunkt erfassen und an die CNC-Einheit zurückmelden können. Nach dem Vergleich mit dem eingestellten Befehlswert wird der Servomotor anhand der Differenz gesteuert, bis die Differenz Null ist.

Diese Art von Werkzeugmaschinen verwendet im Allgemeinen Gleichstrom- oder Wechselstrom-Servomotoren für den Antrieb. Als Positionserfassungselemente werden in der Regel lineare Gitter, magnetische Gitter, Synchronsensoren usw. verwendet. Das Servosystem mit geschlossenem Regelkreis ist in Abbildung 1-7 dargestellt.

Aus dem Funktionsprinzip des Servosystems mit geschlossenem Regelkreis geht hervor, dass die Genauigkeit des Systems hauptsächlich von der Präzision der Positionserfassungsvorrichtung abhängt. Theoretisch kann es die Auswirkungen von Fehlern in den Übertragungskomponenten auf die Werkstückbearbeitung vollständig eliminieren.

Daher kann dieses System eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erreichen. Das Design und die Einstellung des Closed-Loop-Servo-System haben große Schwierigkeiten, und der Preis der linearen Verschiebung Erfassungselemente ist relativ teuer, vor allem in einigen hochpräzisen Bohr- und Fräsmaschinen, Ultra-Präzisions-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren verwendet.

(3) CNC-Werkzeugmaschinen mit halbgeschlossenem Regelkreis

Bei CNC-Werkzeugmaschinen mit halbgeschlossenem Regelkreis sind die Positionserfassungselemente in der Regel an der Welle des Servomotors oder am Ende der Kugelumlaufspindel angebracht, geben aber keine direkte Rückmeldung über die Verschiebung der Werkzeugmaschine.

Stattdessen erfassen sie den Drehwinkel des Servosystems und leiten dieses Signal zum Befehlsvergleich an die CNC-Einheit zurück, wobei die Differenz zur Steuerung des Servomotors verwendet wird. Das Servosystem mit halbgeschlossenem Regelkreis ist in Abbildung 1-8 dargestellt.

Abbildung 1-7: Geschlossener Regelkreis Servo-System.
Abbildung 1-8 Semi-closed loop servo system

Da das Rückkopplungssignal des Semi-Closed-Loop-Servosystems von der Drehung der Motorwelle stammt, befindet sich die mechanische Übertragungsvorrichtung außerhalb des Rückkopplungskreises, und ihre Steifigkeit, Unterbrechung und andere nichtlineare Faktoren haben keinen Einfluss auf die Stabilität des Systems, was die Fehlersuche erleichtert.

Ebenso hängt die Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine hauptsächlich von der Genauigkeit der mechanischen Übertragungseinrichtung ab.

Moderne CNC-Geräte verfügen jedoch über Funktionen zur Kompensation von Bleifehlern und zur intermittierenden Kompensation, so dass es nicht notwendig ist, die Präzision der verschiedenen Komponenten des Übertragungsgeräts sehr hoch anzusetzen.

Die Genauigkeit kann durch Kompensation auf ein für die meisten Benutzer akzeptables Niveau verbessert werden. Außerdem sind Geräte zur Erfassung linearer Verschiebungen viel teurer als Geräte zur Erfassung von Winkelverschiebungen.

Mit Ausnahme von großen Werkzeugmaschinen, die eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erfordern oder besondere Anforderungen an lange Verfahrwege haben und keine Kugelumlaufspindeln verwenden können, verwendet die überwiegende Mehrheit der CNC-Werkzeugmaschinen daher Servosysteme mit halbgeschlossenem Regelkreis.

3. Klassifizierung nach Prozesszweck

CNC-Werkzeugmaschinen können je nach Verwendungszweck unterteilt werden in Zerspanung CNC-Werkzeugmaschinen, CNC-Werkzeugmaschinen für die Metallumformung, CNC-Werkzeugmaschinen für die Sonderbearbeitung und andere Arten von CNC-Werkzeugmaschinen.

(1) CNC-Werkzeugmaschinen für die Metallbearbeitung CNC-Werkzeugmaschinen für die Metallbearbeitung umfassen CNC-Drehmaschinen, CNC-Bohrmaschinen, CNC-Fräsmaschinen, CNC-Schleifmaschinen, CNC-Bohrmaschinen und Bearbeitungszentren.

Spanabhebende Werkzeugmaschinen wurden am frühesten entwickelt, und heute gibt es viele Typen mit erheblichen Funktionsunterschieden. Bearbeitungszentren können einen automatischen Werkzeugwechsel durchführen.

Diese Werkzeugmaschinen verfügen alle über eine Werkzeugbibliothek, die 10-100 Werkzeuge aufnehmen kann. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie mehrere Prozesse durchlaufen können Spannen das Werkstück einmal.

Um die Produktionseffizienz weiter zu verbessern, verwenden einige Bearbeitungszentren doppelte Arbeitstische, einen für die Bearbeitung und einen für das Be- und Entladen, wobei der Arbeitstisch automatisch ausgetauscht werden kann.

(2) Metallumformung CNC-Werkzeugmaschinen Zu den CNC-Werkzeugmaschinen für die Metallumformung gehören CNC-Biegemaschinen, CNC-Kombistanzmaschinen und CNC-Rotationspressen. Diese Art von Werkzeugmaschinen wurde erst später eingeführt, hat sich aber schnell entwickelt.

(3) CNC-Sonderbearbeitungsmaschinen Zu den CNC-Sonderbearbeitungsmaschinen gehören Drahtschneidemaschinen und CNC-Elektroerosionsmaschinen, Brennschneiden Maschinen und CNC-Laserschneidmaschinen, usw.

(4) Andere Arten von CNC-Werkzeugmaschinen Andere Arten von CNC-Werkzeugmaschinen umfassen CNC-Dreikoordinaten-Messmaschinen usw.

4. Klassifizierung nach CNC-System Funktionsebene

CNC-Werkzeugmaschinen können in drei Klassen eingeteilt werden: niedrig, mittel und hoch, je nach den verschiedenen technischen Parametern, Funktionsindikatoren und Funktionsstufen der Schlüsselkomponenten des CNC-Systems.

In China werden sie auch als voll ausgestattete CNC-Werkzeugmaschinen, beliebte CNC-Werkzeugmaschinen und wirtschaftliche CNC-Werkzeugmaschinen klassifiziert.

Diese Klassifizierungsmethoden haben relative Grenzen, und die Standards für die Einteilung unterscheiden sich in den verschiedenen Zeiträumen vor allem in den folgenden Aspekten.

(1) CPU-Qualität des Steuerungssystems

Einfache CNC-Systeme verwenden im Allgemeinen 8-Bit-CPUs, während mittlere und hochwertige CNC-Systeme 16-Bit- oder 64-Bit-CPUs verwenden. Einige CNC-Geräte verwenden jetzt 64-Bit-CPUs.

(2) Auflösung und Vorschubgeschwindigkeit

Die Auflösung ist die kleinste Verschiebungseinheit, die das Verschiebungserkennungsgerät erkennen kann. Je kleiner die Auflösung ist, desto höher ist die Erfassungsgenauigkeit. Sie hängt von der Art und der Fertigungsgenauigkeit des Erfassungsgeräts ab.

Im Allgemeinen werden CNC-Werkzeugmaschinen mit einer Auflösung von 10 μm und einer Vorschubgeschwindigkeit von 8 bis 10 m/min als minderwertig angesehen; eine Auflösung von 1 μm und eine Vorschubgeschwindigkeit von 10 bis 20 m/min gelten als mittelwertige CNC-Werkzeugmaschinen; und eine Auflösung von 0,1 μm und eine Vorschubgeschwindigkeit von 15 bis 20 m/min gelten als hochwertige CNC-Werkzeugmaschinen.

Normalerweise sollte die Auflösung um eine Größenordnung höher sein als die von der Werkzeugmaschine geforderte Bearbeitungsgenauigkeit.

(3) Typ des Servosystems

CNC-Werkzeugmaschinen mit Vorschubsystemen mit offenem Regelkreis oder Schrittmotoren sind im Allgemeinen von geringer Qualität, während CNC-Werkzeugmaschinen mittlerer und hoher Qualität halbgeschlossene oder geschlossene DC- oder AC-Servosysteme verwenden.

(4) Nummer der Koordinatenverbindungsachse

Die Anzahl der Koordinatenachsen von CNC-Werkzeugmaschinen ist ebenfalls ein häufig verwendeter Indikator zur Unterscheidung des Niveaus von Werkzeugmaschinen.

Je nach Anzahl der koordinierten Achsen, die gleichzeitig gesteuert werden, können sie in 2-Achsen-Kopplung, 3-Achsen-Kopplung, 2.5-Achsen Verknüpfung (von den drei Achsen können immer nur zwei Achsen verknüpft werden, und die andere Achse ist eine Punkt- oder Liniensteuerung), 4-Achsen-Verknüpfung, 5-Achsen-Verknüpfung usw.

Die Anzahl der koordinierten Achsen bei einfachen CNC-Werkzeugmaschinen beträgt in der Regel nicht mehr als 2 Achsen, während mittlere und hochwertige CNC-Werkzeugmaschinen 3-5 koordinierte Achsen haben.

(5) Kommunikationsfunktion

Niedrige CNC-Systeme haben in der Regel keine Kommunikationsmöglichkeiten, während mittlere CNC-Systeme RS-232C- oder Direct Numerical Control (DNC)-Schnittstellen haben können.

Hochwertige CNC-Systeme können auch über MAP-Kommunikationsschnittstellen (Manufacturing Automation Protocol) mit Netzwerkfunktionen verfügen.

(6) Anzeigefunktion

Niedrigwertige CNC-Systeme haben in der Regel nur einfache digitale Röhrenanzeigen oder einfarbige CRT-Zeichenanzeigen.

Mittelklassige CNC-Systeme verfügen über umfangreichere CRT-Displays, die nicht nur Zeichen anzeigen, sondern auch zweidimensionale Grafiken, Mensch-Maschine-Dialoge, Status- und Selbstdiagnosefunktionen bieten.

Hochwertige CNC-Systeme können auch über dreidimensionale Grafikdarstellung, Grafikbearbeitung und andere Funktionen verfügen.

5. Klassifizierung nach der Zusammensetzung des CNC-Geräts

CNC-Werkzeugmaschinen lassen sich in zwei Typen einteilen: festverdrahtete CNC-Systeme und weichverdrahtete CNC-Systeme, je nach der Zusammensetzung der verwendeten CNC-Vorrichtung.

(1) Fest verdrahtetes CNC-System

Fest verdrahtete CNC-Systeme verwenden fest verdrahtete CNC-Geräte. Die Eingabeverarbeitung, die Interpolationsberechnung und die Steuerfunktionen werden alle durch dedizierte Logikschaltungen mit fester Kombination realisiert.

Anders Arten von Werkzeugmaschinen haben unterschiedliche Kombinationslogikschaltungen. Bei der Änderung oder Hinzufügung von Steuer- und Betriebsfunktionen ist es notwendig, die Hardware-Schaltung des CNC-Geräts zu ändern.

Daher hat dieses System eine geringe Universalität und Flexibilität, einen langen Fertigungszyklus und hohe Kosten. Vor den frühen 1970er Jahren gehörten die meisten CNC-Werkzeugmaschinen zu diesem Typ.

(2) Weich verdrahtetes CNC-System

Soft-Wired-CNC-Systeme, auch bekannt als Computer Numerical Control (CNC), verwenden Soft-Wired-CNC-Geräte. Der Hardware-Schaltkreis dieser Art von CNC-Geräten besteht aus kleinen oder Mikrocomputern und allgemeinen oder speziellen großen integrierten Schaltkreisen.

Fast alle Hauptfunktionen der CNC-Werkzeugmaschine werden durch die Systemsoftware implementiert, so dass die Systemsoftware für verschiedene Arten von CNC-Werkzeugmaschinen unterschiedlich ist.

Das Ändern oder Hinzufügen von Systemfunktionen erfordert keine Änderung der Hardware-Schaltung, sondern nur eine Änderung der Systemsoftware.

Daher bietet dieses System eine höhere Flexibilität. Da die Hardware-Schaltung im Grunde universell ist, eignet sie sich für die Massenproduktion, verbessert die Qualität und Zuverlässigkeit, verkürzt die Fertigungszyklen und reduziert die Kosten.

Seit Mitte der 1970er Jahre wurden mit der Entwicklung der Mikroelektronik und dem Aufkommen von Mikrocomputern sowie der kontinuierlichen Verbesserung der Integration integrierter Schaltkreise die numerischen Computersysteme kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert.

Gegenwärtig arbeiten fast alle CNC-Werkzeugmaschinen mit weich verdrahteten CNC-Systemen.

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