Wie werden CNC-Werkzeugmaschinen klassifiziert?

CNC-Werkzeugmaschinen haben sich seit ihrer Erfindung dramatisch weiterentwickelt. Mittlerweile gibt es viele Varianten und Spezifikationen, die auf unterschiedliche Weise klassifiziert werden. Der Hauptzweck der Klassifizierung von CNC-Werkzeugmaschinen besteht darin, sie zu verstehen, zu verwalten und anzuwenden, um die Produktivität zu verbessern und den Bearbeitungsprozess zu optimieren. Im Allgemeinen werden sie nach Funktion und Struktur gemäß den folgenden vier Klassifizierungsprinzipien klassifiziert.

Erstens, nach der Klassifizierung der Maschinenbewegungssteuerungsspur

(1) Punktsteuerung von CNC-Werkzeugmaschinen

Bei der Punktsteuerung wird nur die Kraft der beweglichen Teile der Werkzeugmaschine benötigt, um sich von einem Punkt zu einem anderen Punkt mit genauer Positionierung zu bewegen. Die Anforderungen an die Bewegung zwischen den Punkten der Flugbahn sind nicht streng. Beim Bewegen ohne Bearbeitung ist die Bewegung zwischen den Koordinatenachsen nicht relevant.

Um eine schnelle und genaue Positionierung zu erreichen, besteht die Verschiebungsbewegung zwischen den beiden Punkten im Allgemeinen zuerst aus einer schnellen Bewegung und dann einer langsamen Konvergenz des Positionierungspunkts, um die Positionierungsgenauigkeit sicherzustellen, wie in der folgenden Abbildung für die Bewegungsbahn der Punktpositionssteuerung gezeigt.

Werkzeugmaschinen mit Punktsteuerungsfunktionen sind hauptsächlich CNC-Bohrmaschinen, CNC-Fräsmaschinen, CNC-Stanzmaschinen usw. Mit der Entwicklung von CNC-Technologie und der Preissenkung bei CNC-Systemen werden CNC-Systeme nicht mehr nur zur Weichensteuerung genutzt.

(2) CNC-Werkzeugmaschinen mit linearer Steuerung

CNC-Werkzeugmaschinen mit Linearsteuerung, auch als CNC-Werkzeugmaschinen mit Parallelsteuerung bekannt, zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, die Positionierung zwischen Punkten präzise zu steuern.

Zusätzlich zur Positionierung regeln diese Maschinen die Bewegungsgeschwindigkeit und die Route (Flugbahn) zwischen zwei relevanten Punkten.

Der Bewegungsverlauf verläuft jedoch parallel zu den Koordinatenachsen der Werkzeugmaschine.

Es wird jeweils nur eine Koordinatenachse gesteuert, so dass innerhalb des CNC-Systems keine Interpolationsvorgänge erforderlich sind.

Während des Betriebs kann das Werkzeug in die vorgegebene Bearbeitungsposition verfahren und mit einem vorgegebenen Vorschub schneiden.

Im Allgemeinen sind diese Maschinen auf die Bearbeitung rechteckiger oder stufenförmiger Teile beschränkt.

Die wichtigsten Werkzeugmaschinen mit linearen Steuerungsfunktionen sind einfache CNC-Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Schleifmaschinen usw. Dieses CNC-System für Werkzeugmaschinen wird auch als CNC-System mit linearer Steuerung bezeichnet. Ebenso wird die lineare Steuerung von CNC-Werkzeugmaschinen nicht gemeinsam genutzt.

(3) Kontursteuerung CNC-Werkzeugmaschinen

Konturgesteuerte CNC-Werkzeugmaschinen, auch als kontinuierlich gesteuerte CNC-Werkzeugmaschinen bekannt, zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, zwei oder mehr Bewegungskoordinaten für Verschiebung und Geschwindigkeit gleichzeitig zu steuern.

Um die Relativbewegung des Werkzeugs entlang der Kontur der Werkstückbahn entsprechend den Anforderungen der Werkstückbearbeitungskontur zu gestalten, ist es erforderlich, die Wegsteuerung und Geschwindigkeitssteuerung der Bewegungskoordinaten unter der vorgeschriebenen Proportionalität zu koordinieren.

Daher muss die numerische Steuerung bei dieser Art der Steuerung über eine Interpolationsfunktion verfügen.

Interpolation ist ein Prozess, der auf den in das Programm eingegebenen Basisdaten basiert, wie beispielsweise den Endkoordinaten einer Linie, den Endkoordinaten eines Bogens und den Mittelpunktskoordinaten oder dem Radius eines Kreises.

Innerhalb des CNC-Systems verarbeitet der Interpolationsoperator diese Daten mathematisch, um die Form einer geraden Linie oder eines Bogens zu beschreiben.

Während die Berechnungen durchgeführt werden, verteilt das System Impulse an den Controller und ermöglicht so eine koordinierte Bewegung zwischen den Achsen.

Dadurch wird sichergestellt, dass die erforderliche Kontur genau eingehalten wird.

Bei dieser Bewegung schneidet das Werkzeug kontinuierlich entlang der Oberfläche des Werkstücks.

Dadurch kann die Maschine verschiedene Geraden, Bögen und Kurven bearbeiten. Konturgesteuerte Bearbeitungsbahn.

Bei diesen Maschinen handelt es sich hauptsächlich um CNC-Drehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen, CNC-Drahtschneidemaschinen, Eisbearbeitungszentren usw., und ihre entsprechenden CNC-Geräte werden entsprechend der Anzahl der von ihnen gesteuerten Verbindungsachsen als CNC-Systeme mit Kontursteuerung bezeichnet. Sie können in die folgenden Formen unterteilt werden

① Zweiachsige Anlenkung:

Wird hauptsächlich für die CNC-Drehbearbeitung rotierender Oberflächen oder die CNC-Fräsbearbeitung gekrümmter Säulenoberflächen verwendet.

② Zweiachsiges Halbgestänge:

Wird hauptsächlich für die Steuerung von Werkzeugmaschinen mit mehr als drei Achsen verwendet, wobei zwei Achsen gekoppelt werden können, während die andere Achse ein Zyklus des Vorschubs sein kann.

③ Dreiachsige Anlenkung:

Im Allgemeinen wird es in zwei Kategorien unterteilt: X/Y/Z verfügt über eine Verbindung dreier linearer Koordinatenachsen und wird eher für CNC-Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren usw. verwendet. Eine weitere Kategorie ist die gleichzeitige Steuerung von X/Y/Z in zwei linearen Koordinaten, aber auch die gleichzeitige Steuerung der Drehung um eine der linearen Koordinatenachsen.

Wie beispielsweise bei Drehbearbeitungszentren, die neben der Anlenkung der beiden linearen Koordinatenachsen Längs- (Z-Achse) und Querachse (X-Achse) verfügen, muss gleichzeitig auch die Anlenkung der Spindelrotation um die Z-Achse (C-Achse) gesteuert werden.

④ Vierachsige Anlenkung:

Gleichzeitige Steuerung der drei linearen X-/Y-/Z-Koordinatenachsen und einer rotierenden Koordinatenachsenverbindung.

⑤ Fünfachsige Anlenkung:

Neben der gleichzeitigen Steuerung der drei linearen Koordinatenachsen X/Y/Z kann auch die Drehung der beiden Koordinatenachsen A, B und C um diese linearen Koordinatenachsen gesteuert werden. Somit kann die gleichzeitige Steuerung der fünfachsigen Verbindung des Werkzeugs in jede beliebige Raumrichtung erfolgen.

Wenn Sie beispielsweise das Werkzeug so steuern, dass es gleichzeitig in zwei Richtungen um die X- und Y-Achse schwingt und so an seinem Schnittpunkt immer regelmäßig auf der bearbeiteten Konturoberfläche bleibt, wird die Glätte der bearbeiteten Oberfläche sichergestellt, ihre Bearbeitungsgenauigkeit und -effizienz verbessert und die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche verringert.

Zweitens nach der Klassifizierung des Servosteuerungsmodus

(1) CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen

Dieser Typ von Servo-Vorschubantrieb für Werkzeugmaschinen ist ein offener Regelkreis, das heißt, es gibt keine Erkennungs-Rückkopplungsgeräte. Normalerweise ist sein Antriebsmotor ein Schrittmotor. Das Hauptmerkmal des Steuerkreises des Schrittmotors ist, dass sich der Motor bei jeder Änderung des Befehlsimpulssignals um einen Schrittwinkel dreht und sich selbst verriegeln kann.

Die Ausgangsspeisung des CNC-Systems gibt ein Signal über den Impulsverteiler aus, um den Antriebskreis zu steuern. Dieser ändert die Impulszahl, um die Koordinatenverschiebung zu steuern, ändert die Impulsfrequenz, um die Verschiebungsgeschwindigkeit zu steuern, und ändert die Reihenfolge der Impulsverteilung, um die Verschiebungsrichtung zu steuern.

Daher sind die wichtigsten Merkmale dieser Steuerungsmethode Bequemlichkeit, einfache Struktur und niedrige Kosten. Der vom CNC-System ausgegebene Befehlssignalfluss ist unidirektional, sodass keine Stabilitätsprobleme des Steuerungssystems auftreten. Aufgrund des Fehlers der mechanischen Übertragung, der nicht durch Rückkopplung korrigiert wird, ist die Verschiebungsgenauigkeit jedoch nicht hoch.

Frühe CNC-Werkzeugmaschinen verwendeten diese Steuerungsmethode, die Ausfallrate war jedoch relativ hoch. Aufgrund der Verbesserung der Antriebsschaltung wird sie heute noch häufiger verwendet.

Das allgemeine wirtschaftliche CNC-System und die CNC-Transformation alter Geräte sind mehr als dieser Steuerungsmodus. Darüber hinaus kann diese Steuerungsmethode auch mit einem einzelnen Chip oder einer einzelnen Platine als numerisches Steuergerät konfiguriert werden, wodurch der Gesamtsystempreis gesenkt wird.

(2) Geregelte Werkzeugmaschinen

Dieser Servoantrieb für den Vorschub von CNC-Werkzeugmaschinen arbeitet auf der Grundlage eines geschlossenen Regelkreises. Der Antriebsmotor kann entweder ein Gleichstrom- oder ein Wechselstrom-Servomotor sein.

Für eine präzise Steuerung sind Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldesysteme erforderlich. Während der Bearbeitung erkennt das System kontinuierlich die tatsächliche Verschiebung der beweglichen Teile.

Diese Verschiebungsdaten werden an den Komparator des numerischen Steuerungssystems zurückgemeldet, der die Rückkopplungsdaten mit dem durch den Interpolationsvorgang erzeugten Befehlssignal vergleicht.

Die Differenz zwischen diesen Werten wird als Steuersignal für den Servoantrieb verwendet. Dieses Steuersignal steuert die Verschiebungsteile und korrigiert etwaige Verschiebungsfehler.

Der Installationsteil des Positionsrückmeldungserfassungselements und die verschiedenen verwendeten Rückmeldegeräte werden in vollständig geschlossene und halbgeschlossene Regelungen unterteilt.

① Vollständige Regelung

Wie in der Abbildung gezeigt, verwendet die Positionsrückmeldevorrichtung ein Element zur Erfassung linearer Verschiebungen (derzeit allgemein verwendete Maßstäbe), das in den Sattelteilen der Werkzeugmaschine installiert ist, d. h. es erfasst direkt die Koordinaten der linearen Verschiebung der Werkzeugmaschine. Durch die Rückmeldung können Übertragungsfehler in der gesamten mechanischen Übertragungskette vom Motor zum Werkzeugmaschinensattel eliminiert werden, um eine sehr hohe statische Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine zu erreichen.

Allerdings sind die Reibungseigenschaften, die Steifigkeit und das Spiel vieler mechanischer Übertragungsglieder im gesamten Regelkreis nichtlinear und die dynamische Reaktionszeit der gesamten mechanischen Übertragungskette ist erheblich länger als die elektrische Reaktionszeit.

Dies macht die Stabilisierung des gesamten geschlossenen Regelkreises sehr schwierig, und auch die Systemkonstruktion und -einstellung sind recht komplex. Daher wird diese vollständige Regelung hauptsächlich für die hochpräzisen Anforderungen von CNC-Koordinatenblockbetten, CNC-Präzisionsschleifmaschinen usw. verwendet.

② Halbgeschlossene Regelung

Wie in der Abbildung gezeigt, wird die Positionsrückmeldung über ein Eckerkennungselement (derzeit werden hauptsächlich Encoder usw. verwendet) durchgeführt, das direkt im Servomotor oder am Schraubenende installiert ist. Da die meisten mechanischen Übertragungsverbindungen nicht in den geschlossenen Regelkreis des Systems einbezogen sind, werden so stabilere Steuereigenschaften erzielt.

Schrauben- und andere mechanische Übertragungsfehler können nicht ohne weiteres durch Rückmeldung korrigiert werden, können jedoch zur Verbesserung der Genauigkeit der Software-Festwertkompensationsmethode verwendet werden. Derzeit verwenden die meisten CNC-Werkzeugmaschinen einen halbgeschlossenen Regelmodus

(3) CNC-Werkzeugmaschinen mit gemischter Steuerung

Die Merkmale der oben genannten Steuerungsmethoden sind selektiv fokussiert und können aus einem gemischten Steuerungsschema bestehen.

Wie oben erwähnt, ist die Stabilität, die geringen Kosten und die geringe Genauigkeit des offenen Regelmodus unzureichend, während die Stabilität des geschlossenen Regelmodus unzureichend ist. Um die Steuerungsanforderungen bestimmter Werkzeugmaschinen zu erfüllen, ist es daher angebracht, einen hybriden Steuerungsmodus zu verwenden, um sich gegenseitig zu kompensieren. Die Verwendung von zwei Arten von Methoden: mehr offener Regelkreiskompensation und halbgeschlossener Regelkreiskompensation

Drittens nach der Funktionsebene der CNC-Systemklassifizierung

Je nach Funktionsniveau des CNC-Systems wird es üblicherweise in drei Kategorien unterteilt: niedrig, mittel und hoch.

Die Dreiklassengrenzen zwischen Unter-, Mittel- und Oberklasse sind relativ und entsprechen unterschiedlichen Zeiträumen; die Einteilungskriterien sind unterschiedlich.

Basierend auf verschiedenen Funktionen und Indikatoren kann der aktuelle Entwicklungsstand von CNC-Systemen in die Kategorien niedrig, mittel und hoch eingeteilt werden. Mittel- und hochklassige Systeme werden im Allgemeinen als voll ausgestattete CNC oder Standard-CNC bezeichnet.

(1) Kategorie Metallschneiden

Es bezieht sich auf CNC-Werkzeugmaschinen, die Schneidprozesse wie Drehen, Fräsen, Stoßen, Reiben, Bohren, Schleifen und Hobeln verwenden. Es kann weiter in die folgenden zwei Kategorien unterteilt werden.

① CNC-Werkzeugmaschinen allgemeiner Art, wie etwa CNC-Drehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen, CNC-Schleifmaschinen usw.

② Bearbeitungszentren Diese Maschinen verfügen über ein Werkzeugmagazin mit automatischem Werkzeugwechsler, der jeweils ein Werkstück bearbeitet.

Durch das Spannen werden verschiedene Werkzeuge automatisch ausgetauscht, sodass auf derselben Werkzeugmaschine kontinuierlich die Oberfläche des Werkstücks gefräst (gedreht), gerieben, gebohrt und Gewinde geschnitten werden können, beispielsweise in (Block-/Fräs-)Bearbeitungszentren, Drehzentren, Bohrzentren usw.

(2) Metallformklasse

Dies bezieht sich auf die Verwendung von Extrusions-, Stanz-, Press-, Zieh- und anderen Formverfahren sowie auf CNC-Werkzeugmaschinen, häufig verwendete CNC-Pressen, CNC-Biegemaschinen, CNC-Spinnmaschinen usw.

(3) spezielle Verarbeitungsklasse

Hauptsächlich CNC-EDM-Drahtschneidemaschinen, CNC-EDM-Formmaschinen, CNC-Brennschneidemaschinen, CNC-Laserbearbeitungsmaschinen.

(4) Messung, Zeichenklasse

Hauptsächlich Dreikoordinatenmessgeräte, CNC-Werkzeugeinstellgeräte, CNC-Plotter usw.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Klassifizierung von CNC-Werkzeugmaschinen ein wesentliches Mittel ist, um das Produktionsmanagement zu verbessern, Prozesse zu optimieren, den technischen Austausch zu fördern und die Branchenentwicklung voranzutreiben.