Es gibt verschiedene Arten von CNC (numerische Computersteuerung) Maschinen und Präzisions-CNC-Bearbeitungsgeräte verfügbar, wie z. B. CNC-Stanzmaschinen, CNC-Plasmaschneidemaschinen und CNC-Erodiermaschinen; Dieser Artikel konzentriert sich speziell auf CNC-Fräsmaschinen und CNC-Drehmaschinen. Der Betrieb einer CNC-Maschine für jeden anderen Herstellungsprozess folgt einem ähnlichen Prinzip.
CNC-Maschinen sind für ihre außergewöhnliche Präzision bekannt, die auf zwei Schlüsselfaktoren zurückzuführen ist. Erstens nutzt CNC ein halbgeschlossenes Steuerungssystem, und zweitens sind die Komponenten einer CNC-Maschine sorgfältig auf hohe Präzision ausgelegt.
Halbgeschlossenes Steuerungssystem
Ein Schlüsselfaktor für die Präzision der CNC-Maschine ist das halbgeschlossene Steuerungssystem der Maschine. Es wird halbgeschlossen genannt, weil das System eine Kombination aus a ist Regelkreis geschlossen und ein Steuerungssystem mit offenem Regelkreis. Dieses System ermöglicht eine kontinuierliche Rückmeldung und Anpassung während des Präzisionsbearbeitungsprozesses.
Was ist ein geschlossenes System?
In einem geschlossenen System wird eine präzise Steuerung durch kontinuierliche Überwachung und Rückmeldung erreicht. Hier ist eine vereinfachte Erklärung, wie es funktioniert:
Das System erhält Eingaben von Sensoren, die relevante Parameter messen.
Diese Sensoren liefern Echtzeitdaten über den aktuellen Zustand des Systems.
Die Daten werden mit einem vordefinierten Soll- oder Zielwert verglichen.
Bei einer Abweichung passt das System seine Leistung automatisch an.
Diese Anpassung wird zur weiteren Auswertung kontinuierlich in das System zurückgeführt.
Der Vorgang wiederholt sich unter ständiger Überwachung und Anpassung, bis die gewünschte Leistung erreicht ist.
Durch die Nutzung dieses Closed-Loop-Ansatzes können Systeme ihre Genauigkeit und Stabilität aufrechterhalten, indem sie sich ständig an sich ändernde Bedingungen anpassen. Dies gewährleistet eine zuverlässige und präzise Steuerung verschiedener Herstellungsprozesse und Anwendungen.
Stellen Sie sich einen Zusteller vor, der Sie kontinuierlich über seinen Fortschritt informiert und es Ihnen ermöglicht, seine Route und Geschwindigkeit in Echtzeit zu ändern. Dies ist ein Beispiel für ein geschlossenes System.
Was ist ein Open-Loop-System?
In einem Open-Loop-System gibt es keine Rückmeldung zum Ausführungsergebnis. Betrachten Sie das folgende Beispiel eines Zustellers: Wenn Sie ihm den Befehl geben, zu kommen, gibt es keine Rückmeldung über seinen Weg oder seine Position; Dies ist ein System mit offenem Regelkreis.
Steuerungssystem für CNC-Maschinen
Steuerungssysteme für CNC-Dreh- und Fräsmaschinen umfassen eine Steuerung, einen Motorantrieb, einen Encoder, einen Servomotor, eine Kugelumlaufspindel und eine Last. Zwischen der Steuerung und dem Servomotor besteht ein Regelungssystem mit geschlossenem Regelkreis, zwischen dem Servomotor und der Last hingegen ein Regelungssystem mit offenem Regelkreis. Die Präzision der CNC-Bearbeitung wird durch die schnelle Reaktion des Systems mit geschlossenem Regelkreis auf die mechanische Steifigkeit des Systems mit offenem Regelkreis und den nahezu Nullspalt zwischen mechanischen Teilen gewährleistet.
Komponenten des CNC-Maschinensteuerungssystems
1. HMI (Human Machine Interface):
Das HMI ist im Grunde ein Bedienbildschirm mit einigen Tasten und Lichtern. Es wandelt die Eingaben von Mensch oder Software in eine Sprache um, die die CNC-Maschine verstehen kann, und sendet die Informationen an die Steuerung.
2. Verantwortlicher:
Der Controller dient als Gehirn der CNC-Maschine, verarbeitet Anweisungen des Bedieners und führt logische Berechnungen aus. Es kommuniziert mit den anderen Komponenten und sendet Befehle an den Antrieb.
3. Fahren:
Der Antrieb wandelt die Anweisungen der Steuerung in spezifische Spannungs- oder Stromsignale um, die dann an den Servomotor gesendet werden.
4. Servomotor:
Das Servomotor empfängt die Signale vom Antrieb und wandelt sie in Drehbewegungen um. Es ist mit einem optischen Encoder ausgestattet, der die Position und Geschwindigkeit des Motors erkennt.
5. Optischer Encoder:
Der optische Encoder dreht sich zusammen mit dem Servomotor und sendet die Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldung des Motors an die Steuerung.
4. Kugelumlaufspindel:
Die Kugelumlaufspindel wandelt die Drehbewegung des Servomotors in eine lineare Bewegung um und treibt die Last mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in die gewünschte Position.
Bei der Entwicklung jeder Komponente wurde auf Präzision geachtet, wobei hochwertige Materialien, fortschrittliche Fertigungstechniken und strenge Qualitätskontrollen zum Einsatz kommen. Diese Liebe zum Detail stellt sicher, dass die Maschine reibungslos und präzise arbeitet.
Optischer Encoder: Verbesserung der Präzision
Der optische Encoder, eine kritische Komponente innerhalb des Steuerungssystems, spielt eine wichtige Rolle bei der präzisen CNC-Bearbeitung. Dabei wird eine Disc mit Abschnitten verwendet, die entweder abgedeckt oder nicht abgedeckt sind. Ein Laserstrahl durchdringt die Scheibe und ein lichtempfindliches Element erkennt, ob der Laser durchdringt oder nicht. Anhand dieser Informationen kann die Steuerung die Position und Geschwindigkeit des Servomotors genau bestimmen.
Moderne optische Encoder steigern die Präzision weiter, indem sie die Scheibe in zahlreiche Segmente unterteilen und so eine noch präzisere Rückmeldung ermöglichen. Beispielsweise kann ein 20-Bit-Encoder eine Motorpositionsrückmeldung mit einer bemerkenswerten Auflösung von 1/2,097,152 eines Kreises liefern. Diese kontinuierliche Rückkopplungsschleife ermöglicht es der CNC-Maschine, winzige Anpassungen vorzunehmen, was zu einer beispiellosen Präzisionsbearbeitung führt.
Die Rolle mechanischer Strukturen im Open-Loop-System
Während das geschlossene Regelsystem die Präzision der Motordrehung gewährleistet, bestimmt das offene Regelsystem, ob die Last nach der Motordrehung die vorgegebene Position erreichen kann. Die Präzision dieses Systems beruht auf mechanischen Strukturen wie Kugelumlaufspindeln, Maschinenbetten und Führungsschienen.
Kugelumlaufspindeln minimieren das Spiel während der Systembewegung und sorgen so für eine genaue Positionierung der Last. Maschinenbetten bestehen typischerweise aus Gusseisen, um den bei Bearbeitungsvorgängen auftretenden Kräften ohne nennenswerte Verformung standzuhalten. Die Bearbeitungsgenauigkeit der Führungsschiene selbst liegt im Mikrometerbereich. Und die Materialien bestehen alle aus gehärtetem Spezialstahl. Stellen Sie sicher, dass während des Einsatzes der Werkzeugmaschinen möglichst keine Verformungen auftreten und stellen Sie sicher, dass das Passungsspiel zwischen beweglichen Teilen 0 beträgt.
Das sorgfältige Design und die Konstruktion dieser mechanischen Strukturen tragen zur Gesamtpräzision von CNC-Maschinen bei und ermöglichen es ihnen, Teile mit engen Toleranzen zu liefern.
Ein weiteres Element beeinflusst die CNC-Bearbeitungsgenauigkeit
Neben der Maschine selbst gibt es noch andere Elemente, die die CNC-Präzisionsbearbeitung beeinflussen. Dazu gehören die Vibrationen der Anlage, Änderungen der Umgebungstemperatur, die Festigkeit der Schneidwerkzeuge, der Verschleiß der Schneidwerkzeuge, die Festigkeit der bearbeiteten Komponenten usw. Statistische Daten deuten beispielsweise darauf hin, dass CNC-Maschinen, die sich auf einer höheren Ebene eines Gebäudes befinden, etwas weniger genau sind als CNC-Maschinen, die sich im Erdgeschoss befinden. Wir sehen auch größere Schwankungen in der Toleranz der bearbeiteten Komponenten, während sich CNC-Maschinen gerade aufwärmen, als wenn sie schon eine Weile laufen. Diese Elemente befinden sich jedoch auf der Betriebsebene. Sie können gesteuert oder eingestellt werden, wenn eine CNC-Maschinenwerkstatt CNC-Präzisionsbearbeitung betreibt.
Vollkommene CNC-Maschinenpräzision mit geschlossenem Regelkreis
Ein vollständig geschlossenes System hätte offensichtlich eine höhere Präzision als ein halbgeschlossenes System. Tatsächlich gibt es CNC-Maschinen für die hochpräzise CNC-Bearbeitung, die mit geschlossenen Regelkreisen arbeiten. Diese CNC-Maschinen verwenden lineare Servomotoren anstelle rotierender Servomotoren. Rotationsmotoren liefern eine Rückmeldung über die Motordrehposition und -geschwindigkeit, und Linearmotoren geben eine direkte Rückmeldung über die Lastposition und ihre lineare Geschwindigkeit an die Steuerung und bilden so ein vollständig geschlossenes System.
Ein Rotationsmotor besteht aus einem Stator und einem Anker (Rotor). Permanentmagnete im Stator sorgen für ein festes Magnetfeld. Elektrischer Strom fließt durch die Wicklungen der Rotoren und sorgt für ein veränderliches Magnetfeld. Das Magnetfeld von Rotoren kann durch Variieren des Stroms in den Rotoren angepasst und abgestimmt werden. So funktioniert ein normaler rotierender Servomotor.
Der Stator eines Linearmotors ist eine flache und gerade Magnetplatte. Der Anker ist das bewegliche Element eines Linearmotors. Es bewegt sich über die Magnetplatte. Der optische Encoder eines Rotationsservomotors dreht sich im Tandem mit dem Motor. An die gerade Magnetplatte ist ein Linearmotor-Encoder gekoppelt. Die Positionsrückmeldung ist also die direkte Rückmeldung der Ankerposition.
In einigen hochpräzisen CNC-Maschinen sind bereits Linearmotoren verbaut. Linearmotoren werden auch in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt. Aufgrund ihrer Genauigkeit und Geschwindigkeit eignen sich Linearmotoren hervorragend für präzise Schneid- und Positionierungsanwendungen. Sie erfordern weniger Wartung, was ein entscheidender Faktor bei der Auswahl von Bewegungskomponenten ist. Darüber hinaus sorgt sein effizientes Design für einen geringen Stromverbrauch. Im Vergleich zu typischen Servomotoren sorgen Linearmotoren für einen reibungslosen Betrieb bei reduzierter Geräuschemission.
Der größte Nachteil von Linearmotoren ist ihre begrenzte Drehmomentkapazität. Bei der klassischen rotierenden Servomotoranordnung ist eine Kugelumlaufspindel erforderlich. Die Kugelumlaufspindel wandelt die Drehung in eine lineare Bewegung um und fungiert auch als Untersetzungsgetriebe, wodurch das Drehmoment erhöht wird. Das Drehmoment des Motors wird unter Umgehung der Untersetzungsgetriebefunktion direkt auf die Last im Linearmotorsystem übertragen. Wenn ein hohes Drehmoment erforderlich ist, weisen Linearmotorsysteme daher eine schlechte Leistung auf.
Wenn ein Linearmotorsystem für die vertikale Achse einer CNC-Fräsmaschine verwendet wird, reicht das niedrige Drehmoment möglicherweise nicht aus, um das Gewicht der Spindel zu tragen. Zur Behebung des Problems muss ein Bremssystem installiert werden. CNC-Langdrehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen oder andere CNC-Geräte mit vertikaler Achse hätten ähnliche Probleme. Abgesehen von den hohen Kosten dieses Systems mit geschlossenem Regelkreis ist das Problem des niedrigen Drehmoments höchstwahrscheinlich der Hauptgrund dafür, dass es nicht so beliebt ist wie der typische rotierende Servomotor mit Kugelumlaufspindel.
Zusammenfassung
CNC-Dreh- und Fräsmaschinen sind präzise, da sie ein halbgeschlossenes Steuerungssystem verwenden. Die Position und Geschwindigkeit der Servomotoren werden im geschlossenen Regelkreis ständig an die Steuerung zurückgemeldet, und die Steuerung passt die Bewegung in Millisekunden an. Alle mechanischen Teile im Open-Loop-Bereich sind mit höchster Steifigkeit und Genauigkeit konstruiert und hergestellt, um die genaue Ausführung aller Bewegungen des Servomotors zu gewährleisten.
Durch den Einsatz von Linearmotoren entsteht ein geschlossenes Regelsystem für CNC-Maschinen. Obwohl dadurch die Bearbeitungspräzision verbessert wird, sind der Nachteil hohe Kosten und begrenzte Drehmomentanwendungen.
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