Perché le macchine CNC sono così precise?
Esistono vari tipi di CNC (controllo numerico del computer) macchine e apparecchiature di lavorazione CNC di precisione disponibili, come punzonatrici CNC, macchine per taglio plasma CNC e macchine per elettroerosione CNC; questo articolo si concentrerà specificamente sulle fresatrici CNC e sui torni CNC. Il funzionamento di una macchina CNC per qualsiasi altro processo di produzione segue un principio simile.
Le macchine CNC sono note per la loro eccezionale precisione, che può essere attribuita a due fattori chiave. Innanzitutto, il CNC utilizza un sistema di controllo a circuito semichiuso e, in secondo luogo, i componenti di una macchina CNC sono meticolosamente progettati per garantire un'elevata precisione.
Sistema di controllo a circuito semichiuso
Un fattore chiave che contribuisce alla precisione della macchina CNC è il sistema di controllo a circuito semichiuso della macchina. Si chiama semichiuso perché il sistema è una combinazione di a sistema di controllo a circuito chiuso e un sistema di controllo a circuito aperto. Questo sistema consente feedback e regolazioni continui durante il processo di lavorazione di precisione.
Cos’è un sistema a circuito chiuso?
In un sistema a circuito chiuso, il controllo preciso si ottiene attraverso il monitoraggio e il feedback continui. Ecco una spiegazione semplificata di come funziona:
Il sistema riceve input da sensori che misurano i parametri rilevanti.
Questi sensori forniscono dati in tempo reale sullo stato attuale del sistema.
I dati vengono confrontati con un setpoint o un valore target predefinito.
Se c'è una deviazione, il sistema regola automaticamente la sua uscita.
Questa regolazione viene continuamente reimmessa nel sistema per un'ulteriore valutazione.
Il processo si ripete, con monitoraggio e regolazione costanti, fino al raggiungimento del risultato desiderato.
Utilizzando questo approccio a circuito chiuso, i sistemi possono mantenere la precisione e la stabilità adattandosi costantemente alle mutevoli condizioni. Ciò garantisce un controllo affidabile e preciso in vari processi e applicazioni di produzione.
Considera un fattorino che ti aggiorna continuamente sui suoi progressi, permettendoti di modificare il percorso e la velocità in tempo reale. Questo è un esempio di un sistema a circuito chiuso.
Cos’è un sistema a circuito aperto?
In un sistema ad anello aperto, non c'è feedback sul risultato dell'esecuzione. Considera il seguente esempio di fattorino: se gli dai il comando di venire, non c'è feedback sul suo percorso o posizione; questo è un sistema a circuito aperto.
Sistema di controllo delle macchine CNC

I sistemi di controllo per torni e fresatrici CNC comprendono un controller, un azionamento del motore, un encoder, un servomotore, una vite a ricircolo di sfere e un carico. Tra il controller e il servomotore esiste un sistema di controllo ad anello chiuso, mentre tra il servomotore e il carico esiste un sistema ad anello aperto. La precisione della lavorazione CNC è garantita dalla rapida risposta del sistema a circuito chiuso alla rigidità meccanica del sistema a circuito aperto e dallo spazio prossimo allo zero tra le parti meccaniche.
Componenti del sistema di controllo della macchina CNC

1. HMI (interfaccia uomo-macchina):
L'HMI è fondamentalmente una schermata operativa con alcuni pulsanti e spie. Converte l'input dall'uomo o dal software in un linguaggio comprensibile alla macchina CNC e invia le informazioni al controller.
2. Titolare:
Il controller funge da cervello della macchina CNC, elaborando le istruzioni dell'operatore ed eseguendo calcoli logici. Comunica con gli altri componenti e invia comandi all'azionamento.
3. Guida:
L'azionamento converte le istruzioni del controller in segnali specifici di tensione o corrente, che vengono poi inviati al servomotore.
4. Servomotore:
Le servomotore riceve i segnali dall'azionamento e li converte in movimento rotatorio. E' dotato di encoder ottico che rileva la posizione e la velocità del motore.
5. Codificatore ottico:
L'encoder ottico ruotato insieme al servomotore, invia la posizione del motore e il feedback della velocità al controller.
4. Vite a ricircolo di sfere:
La vite a ricircolo di sfere converte il movimento rotatorio del servomotore in movimento lineare, portando il carico nella posizione desiderata ad una velocità specificata.
Ogni componente è progettato pensando alla precisione, incorporando materiali di alta qualità, tecniche di produzione avanzate e un rigoroso controllo di qualità. Questa attenzione ai dettagli garantisce che la macchina funzioni in modo fluido e preciso.
Encoder ottico: miglioramento della precisione

L'encoder ottico, un componente critico all'interno del sistema di controllo, svolge un ruolo significativo nel raggiungimento della precisione della lavorazione CNC. Utilizza un disco con sezioni coperte o scoperte. Un raggio laser attraversa il disco e un elemento fotosensibile rileva se il laser lo attraversa o meno. Sulla base di queste informazioni, il controller può determinare con precisione la posizione e la velocità del servomotore.
I moderni codificatori ottici migliorano ulteriormente la precisione dividendo il disco in numerosi segmenti, consentendo un feedback ancora più preciso. Ad esempio, un encoder a 20 bit può fornire un feedback sulla posizione del motore con una notevole risoluzione di 1/2,097,152 di cerchio. Questo ciclo di feedback continuo consente alla macchina CNC di apportare piccole modifiche, ottenendo una lavorazione di precisione senza pari.
Il ruolo delle strutture meccaniche nel sistema a circuito aperto

Mentre il sistema di controllo a circuito chiuso garantisce la precisione nella rotazione del motore, il sistema a circuito aperto determina se il carico può raggiungere la posizione specificata dopo la rotazione del motore. La precisione di questo sistema si basa su strutture meccaniche come viti a ricircolo di sfere, basamenti della macchina e binari di guida.
Le viti a ricircolo di sfere riducono al minimo i giochi durante il movimento del sistema, garantendo un posizionamento accurato del carico. I basamenti delle macchine sono generalmente realizzati in ghisa per resistere alle forze generate durante le operazioni di lavorazione senza deformazioni significative. La precisione di lavorazione del binario di guida stesso è a livello di micron. E i materiali sono tutti realizzati in acciaio speciale temprato. Assicurarsi che non si verifichi alcuna deformazione durante l'uso delle macchine utensili e assicurarsi che il gioco di accoppiamento tra le parti mobili sia pari a 0.
L'attenta progettazione e costruzione di queste strutture meccaniche contribuiscono alla precisione complessiva delle macchine CNC, consentendo loro di fornire pezzi con tolleranze strette.

Un altro elemento influisce sulla precisione della lavorazione CNC
Oltre alla macchina stessa, ci sono altri elementi che influenzano la lavorazione di precisione CNC. Ciò include le vibrazioni dell'impianto, i cambiamenti della temperatura ambiente, la resistenza degli utensili da taglio, l'usura degli utensili da taglio, la resistenza dei componenti lavorati e così via. Ad esempio, i dati statistici suggeriscono che le macchine CNC situate ai piani più alti di un edificio sono leggermente meno precise delle macchine CNC situate al piano terra. Osserviamo anche maggiori variazioni nella tolleranza dei componenti lavorati mentre le macchine CNC si stanno appena riscaldando rispetto a quando sono in funzione da un po'. Tuttavia, questi elementi sono a livello operativo. Possono essere controllati o regolati quando un'officina meccanica CNC esegue lavorazioni di precisione CNC.
Precisione totale della macchina CNC con sistema a circuito chiuso
Un sistema totale a circuito chiuso avrebbe ovviamente una precisione maggiore di uno a circuito semichiuso. In realtà, esistono macchine CNC per la lavorazione CNC ad alta precisione che utilizzano sistemi a circuito chiuso. Queste macchine CNC utilizzano servomotori lineari anziché servomotori rotativi. I motori rotativi forniscono feedback sulla posizione e sulla velocità di rotazione del motore, mentre i motori lineari forniscono feedback direttamente sulla posizione del carico e sulla sua velocità lineare al controller e costituiscono quindi un sistema totale a circuito chiuso.

Un motore rotativo è costituito da uno statore e da un'armatura (rotore). I magneti permanenti nello statore forniscono un campo magnetico fisso. La corrente elettrica viaggia attraverso gli avvolgimenti dei rotori, fornendo un campo magnetico variabile. Il campo magnetico dei rotori può essere regolato e messo a punto variando la corrente nei rotori. Ecco come funziona un normale servomotore rotativo.
Lo statore di un motore lineare è una piastra magnetica piatta e diritta. L'armatura è l'elemento mobile di un motore lineare. Viaggia attraverso la piastra magnetica. L'encoder ottico di un servomotore di rotazione ruota in tandem con il motore. Un encoder del motore lineare è accoppiato alla piastra magnetica diritta. Quindi il feedback di posizione è il feedback diretto della posizione dell'armatura.
Alcune macchine CNC ad alta precisione sono già dotate di motori lineari installati. Anche i motori lineari vengono utilizzati in svariati settori. La precisione e la velocità dei motori lineari li rendono eccellenti per applicazioni di taglio e posizionamento di precisione. Richiedono meno manutenzione, il che rappresenta un fattore cruciale nella scelta dei componenti di movimento. Inoltre, il suo design efficiente garantisce un basso consumo energetico. Rispetto ai tipici servomotori, i motori lineari garantiscono un funzionamento regolare con emissioni di rumore ridotte.
Il più grande difetto dei motori lineari è la loro capacità di coppia limitata. Nella disposizione classica del servomotore rotativo è necessaria una vite a ricircolo di sfere. La vite a ricircolo di sfere trasforma la rotazione in movimento lineare e funziona anche come riduttore, aumentando la coppia. La coppia del motore viene applicata direttamente al carico nel sistema del motore lineare, bypassando la funzione di riduttore. Di conseguenza, quando è richiesta una coppia elevata, i sistemi di motori lineari funzionano male.
Se viene utilizzato un sistema di motore lineare per l'asse verticale di una fresatrice CNC, la bassa capacità di coppia potrebbe non essere sufficiente per sostenere il peso del mandrino, è necessario installare un sistema di freno per risolvere il problema. Torni svizzeri CNC Le frese CNC o qualsiasi altra attrezzatura CNC dotata di un asse verticale avrebbero problemi simili. A parte il costo elevato di questo sistema a circuito chiuso, il problema della bassa coppia è molto probabilmente il motivo principale per cui non è così popolare come il tipico servomotore rotativo con il metodo con vite a ricircolo di sfere.
Sommario
I torni e le fresatrici CNC sono precisi grazie all'utilizzo di un sistema di controllo a circuito semichiuso. La posizione e la velocità dei servomotori vengono costantemente inviate al controller nella porzione ad anello chiuso e il controller regola il movimento in millisecondi. Tutte le parti meccaniche nella sezione ad anello aperto sono progettate e realizzate con la massima rigidità e precisione per garantire l'esecuzione precisa di qualsiasi movimento del servomotore.
Quando si utilizzano motori lineari, viene prodotto un sistema a circuito chiuso per macchine CNC. Sebbene migliori la precisione della lavorazione, il compromesso è un costo elevato e applicazioni di coppia limitate.
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Un commento
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Ho deciso di saperne di più sui torni CNC perché mio zio ne ha parlato. È un bene che ho trovato il tuo blog perché hai menzionato i diversi tipi di macchine CNC e attrezzature di lavorazione CNC di precisione disponibili, comprese le punzonatrici CNC e le macchine per il taglio al plasma CNC. Se è interessato, mi assicurerò di dirglielo e di cercare negozi che possano aiutarla a procurarsene uno. Apprezzo la tua condivisione!