Struktur und Funktionsprinzip der CNC-Fräsmaschine

Die grundlegendsten Komponenten eines CNC-Fräsmaschine besteht aus sechs Teilen: E/A-Gerät, CNC-Gerät, Servoantriebsgerät, Messrückmeldegerät, Zusatzgerät und Maschinenkörper. Im Folgenden geben wir eine detaillierte Einführung in diese sechs Teile.

1. Eingabe-/Ausgabegerät

Eingabe-/Ausgabegeräte (I/O-Geräte) werden zur Eingabe/Ausgabe von Daten wie numerisch gesteuerten Bearbeitungs- oder Bewegungssteuerungsprogrammen, Bearbeitungs- und Steuerungsdaten, Maschinenparametern, Koordinatenachsenpositionen sowie dem Status von Detektorumschaltern verwendet. Tastatur und Monitor sind grundlegende und unverzichtbare I/O-Geräte für CNC-Ausrüstungen. Als Peripheriegeräte von CNC-Systemen zählen derzeit Desktopcomputer und Notebookcomputer zu den häufig verwendeten I/O-Geräten.

2. Numerische Steuerungseinheit

Die numerische Steuerungseinheit ist der Kern des numerischen Steuersystems und besteht aus Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellenkreisen, Controllern, Recheneinheiten und Speichermodulen. Die Funktion einer numerischen Steuerungseinheit besteht darin, die eingegebenen Daten mittels interner Logikschaltungen oder Steuerungssoftware zu kompilieren, zu berechnen und zu verarbeiten und verschiedene Informationen und Anweisungen auszugeben, um die verschiedenen Komponenten der Werkzeugmaschine zu kontrollieren, damit sie die vorgesehenen Aktionen ausführen.

Unter diesen Steuerungsdaten und Anweisungen sind die grundlegendsten die Fütterungsgeschwindigkeit, das Fütterungsrichtung und die durch Interpolationsoperation erzeugte Fütterungsverschiebung der Koordinatenachsen, die an das Servotreibergerät übergeben werden. Nach Verstärkung durch den Treiber wird letztlich die Verschiebung der Koordinatenachse gesteuert. Diese Steuerungsdaten und Anweisungen bestimmen direkt die Bewegungsstrecke des Werkzeugs oder der Koordinatenachse.

3. Servotreibergerät

Servotreibergeräte bestehen normalerweise aus Servoverstärkern (auch als Treiber oder Servoeinheiten bezeichnet) und Aktuatoren. Bei CNC-Fräsmaschinen werden allgemein AC-Servomotoren als Aktuatoren verwendet. Derzeit werden auf fortschrittlichen Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsmaschinen auch Linearmotoren eingesetzt. Außerdem gab es im 20. Jahrhundert auch einfache CNC-Maschinen, die DC-Servomotoren sowie Schrittmotoren als Aktuatoren nutzten. Der Servoverstärker muss gemeinsam mit dem Antriebsmotor verwendet werden.

4. Messrückführungsgerät

Das Messrückführgerät ist das Erfassungsglied von geschlossenen (oder halbgeschlossenen) CNC-Fräsern. Seine Funktion besteht darin, die tatsächliche Geschwindigkeit und den Versatz des Ausführungsgliedes oder der Werkzeugtisch durch moderne Meßkomponenten (wie Impulscodiere, Drehstromwandler, induktive Synchrone, Rastermaße, Magnetmaße, Lasermessinstrumente etc.) zu erfassen und es an das Servotreibergerät oder CNC-Gerät zurückzuführen, um den Fütterungsrate- oder Bewegungsfehler des Ausführungsgliedes auszugleichen und so die Genauigkeit des Bewegungsmechanismus zu verbessern. Die Position der durch das Messgerät erfassten Rückmeldung hängt von der Strukturform des CNC-Systems ab. Servo-integrierte Impulscodiere, Tachometergeneratoren und lineare Rastermaße sind gebräuchliche Erfassungskomponenten.

Das fortschrittliche Servotreibergerät nutzt digitale Servotreibertechnologie (kurz Digital-Servo), und das Servotreibergerät ist über einen Bus mit der Numerischen Steuerung verbunden. Rückführsignale sind in der Regel an das Servotreibergerät angeschlossen und werden über den Bus an die Numerische Steuerung weitergeleitet. Das Rückführgerät muss nur in wenigen Fällen direkt an die Numerische Steuerung angeschlossen werden oder bei Verwendung von analog gesteuerten Servotreibergeräten (kurz Analog-Servos).

5. Hilfssteuerungsmechanismus

Der Hilfssteuerungsmechanismus bezieht sich auf die Steuerungskomponenten zwischen der Numerischen Steuerung (NC) und den mechanischen und hydraulischen Komponenten des Werkzeugs. Seine Hauptfunktion besteht darin, Drehzahl-, Richtungs- und Start-Stopp-Befehle für das Spindelgetriebe, Werkzeugauswahl- und -austauschbefehle, Start-Stop-Befehle für Kühl- und Schmierstoffanlagen, Freigabe- und Spannbefehle für Werkstücke und Maschinenteile sowie Hilfsbefehlssignale für die Indexierung der Arbeitsplatte und Signale über den Zustand der Schaltkontaktoren auf der Maschine zu empfangen. Nach notwendiger Kompilierung, logischer Auswertung und Verstärkung treibt er direkt die entsprechenden Ausführungskomponenten an, um die mechanischen Komponenten, hydraulischen und pneumatischen Hilfsgeräte der Maschine zu steuern und die in den Befehlen vorgesehenen Aktionen auszuführen. Er besteht normalerweise aus einem PLC und einer starken Stromsteuerungsschaltung. Das PLC kann strukturell mit der NC integriert sein (integriertes PLC) oder relativ unabhängig (externes PLC).

6. Werkzeugmaschinenkörper

Der Werkzeugmaschinenkörper ist das mechanische Strukturteil einer CNC-Werkzeugmaschine, das aus einem Hauptübertragungssystem, einem Futterübertragungssystem, einem Bettkörper, einer Arbeitsplatte sowie Hilfsbewegungsanlagen, Hydraulik-/Pneumatischen Systemen, Schmiersystemen, Kühlvorrichtungen, Spälsystemen, Schutzsystemen und anderen Komponenten besteht. Um die Anforderungen der CNC-Technologie zu erfüllen und die Leistungsfähigkeit der Maschinen voll auszuschöpfen, haben sich CNC-Werkzeugmaschinen im Gesamtlayout, im Äußeren, in der Übertragungsstruktur, im Werkzeugsystem und in der Betriebsleistung gegenüber herkömmlichen Werkzeugmaschinen erheblich verändert.

Funktionsprinzip der CNC-Fräsmaschine

Bei traditionellen Metallschneidemaschinen muss der Bediener beim Bearbeiten von Teilen ständig Parameter wie Bewegungspfad und Geschwindigkeit des Werkzeugs nach den Zeichenanforderungen ändern, damit das Werkzeug das Werkstück fräst und letztendlich qualifizierte Teile produziert.

Die Bearbeitung bei CNC-Fräsmaschinen wendet tatsächlich das Prinzip der "Differenzierung" an, und ihr Arbeitsprinzip sowie der Prozess werden wie folgt kurz beschrieben.

1. Basierend auf dem Werkzeugpfad, der vom Bearbeitungsprogramm benötigt wird, differenziert die CNC-Vorrichtung den Pfad gemäß der entsprechenden Maschinenkoordinate, wobei die kleinste Bewegungseinheit (Pulsäquivalent) als Maßeinheit verwendet wird, um die Anzahl der zur Bewegung jeder Koordinate benötigten Pulszahlen zu berechnen.

2. Mit Hilfe der "Interpolation"-Software oder des "Interpolations"-Operators der Numerischen Steuerung wird die erforderliche Trajektorie in Einheiten der "kleinsten Bewegung" mit einer äquivalenten Linie angenähert, und die am nächsten liegende Anpassungslinie zur theoretischen Trajektorie wird gefunden.

3. Die Numerische Steuerung weist kontinuierlich Fütterungspulse den entsprechenden Koordinatenachsen basierend auf der Anpassungslinien-Trajektorie zu und treibt die Maschinenkoordinatenachsen über Servoantrieb entsprechend den zugewiesenen Pulsen.

Aus dem Obigen lässt sich folgender Schluss ziehen:

① Solange die minimale Bewegungsgröße (Pulsäquivalent) der CNC-Fräse klein genug ist, kann die verwendete angenäherte Linie die theoretische Kurve effektiv ersetzen.

② Durch Änderung der Pulsverteilungsmethode der Koordinatenachse kann die Form der angenäherten Polylinie verändert werden, wodurch das Ziel einer Veränderung der Bearbeitungstrajektorie erreicht wird.

③ Durch Änderung der Frequenz der verteilt Pulssignale kann die Geschwindigkeit der Koordinatenachse (Werkzeug) verändert werden.

Damit wird das grundlegende Ziel der Steuerung der Werkzeugbewegungs trayektorie von CNC-Maschinen erreicht.

Die Methode zur Berechnung und Bestimmung von Zwischenpunkten zwischen bekannten Punkten einer idealen Trajektorie (Kontur) durch eine Datapunktverdichtung basierend auf einer gegebenen mathematischen Funktion wird Interpolation genannt; Die Anzahl der Koordinatenachsen, die gleichzeitig an der Interpolation teilnehmen können, wird als Anzahl der gekoppelten Achsen bezeichnet. Offensichtlich ist je mehr gekoppelte Achsen ein CNC-Fräsmaschinen besitzt, desto leistungsfähiger ist es beim Bearbeiten von Konturen. Daher ist die Anzahl der gekoppelten Achsen ein wichtiger technischer Indikator zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von CNC-Maschinen.