Počítačové řídicí systémy – Co je vlastně CNC?

Číselné řídicí systémy, známé také jako řídicí systémy NC, jsou zařízení pro cílené řízení strojů. Převádějí kódovaná data poskytnutá řídicímu systému NC na datovém nosiči na odpovídající řídicí příkazy a výsledné pracovní a pohybové sekvence. Zavedení počítače otevřelo nové možnosti pro zlepšení řídicích systémů NC a umožnilo jejich posun díky integraci počítače do řídicích systémů CNC. Oba tyto systémy jsou podrobněji popsány v tomto článku. Kromě toho se zabývá řídicím systémem PLC, což je také přístup k řízení strojů a průmyslových zařízení a často se používá v kombinaci s řídicími systémy (C)NC.

Jak funguje řídicí systém NC?

První řídicí systémy NC byly realizovány v 70. letech instalací pevně zapojených komponent. Pro každou aplikaci bylo k dispozici přizpůsobené řešení. Řídicí systém NC odečte řídicí příkazy, které byly dříve zadány jako kód prostřednictvím datového nosiče, a řídicí systém pak tyto řídicí příkazy převede na pracovní nebo pohybové sekvence. Přizpůsobení se různým produktům je relativně snadno možné v rozsahu schopností stroje a dostupných parametrů, a proto se řídicí systémy NC používají především ve strojích.

Nevýhodou řídicích systémů NC je, že jsou omezeny z hlediska kapacity paměti a použitelných příkazů řízení. Proto se čisté řídicí systémy NC již téměř nepoužívají. Spíše se používají společně s počítači v řídicím systému CNC.

Programová struktura

DIN 66025 definuje následující programovou strukturu pro řídicí systém NC:

• První řádek začíná znakem % následovaným názvem programu.
• Další řádky začínají písmenem N a po sobě jdoucím číslem, ideálně v krocích po deseti.
• Druhý parametr je příkaz iniciovaný písmenem G.
• Informace o cestě jsou pak poskytnuty určením hodnot pro X, Y, Z, U, V a W. Pokud dojde ke kruhovému pohybu, přidají se hodnoty I, J a K.
• Další možnosti jsou: T funkce pro výběr nástroje, S funkce pro rychlost vřetena a F nebo M funkce pro posuv.
• Na konci programu je vždy funkce M. Tím se program resetuje.

Příklad:

%MSM

N10 G00 T32

N20 G01 X-10 Y0 Z-10

N30 M20

Je důležité poznamenat, že příkazy zůstávají aktivní, dokud nebudou nahrazeny novými příkazy:

Pokud například zadáte souřadnice pro osy X, Y a Z na řádku 2 a pokud toto zarovnání zůstane v budoucnu stejné, nemusí se opakovat v následujících řádcích. Nová souřadnice se zadává pouze v případě, že má být změněna uložená orientace.

Postup k řídicímu systému CNC

Díky integraci počítačů je možné je používat k přímému řízení strojů. Řídicí systémy CNC umožňují výrazně větší flexibilitu než samostatné řídicí systémy NC. Software CAD nebo CAM lze snadno přizpůsobit parametrům zpracování, aniž by bylo nutné měnit hardware řídicí jednotky.

Principy řídicího systému CNC

Program se realizuje prostřednictvím počítače nebo mikroovladače pro řídicí systém CNC. Požadované signály jsou poté odesílány přes elektrický obvod do řídicího systému stroje a tam jsou implementovány. Řídicí systém CNC se obvykle skládá z následujících součástí:

• Pohonný systém: Skládá se z motorů a řídicí elektroniky. Pohonný systém slouží k pohybu os CNC. Krokové motory, servomotory atd. Použijí se disky.
• Paměť: Paměť obsahuje kód G (řídicí program) a další informace pro obsluhu stroje s řídicím systémem CNC.
• Procesor: Centrální procesorová jednotka zpracovává příkazy a ovládá pohyby a funkce.
• Vstupní a výstupní rozhraní: Rozhraní umožňují komunikaci mezi řídicím systémem CNC a senzory a dalšími zařízeními nebo systémy.
• Ovládací panel: Ovládací panel je rozhraní člověk-stroj. To umožňuje uživateli nastavit parametry, sledovat proces nebo provádět programy.

Během fyzické implementace příkazů do strojů se používají různé komponenty, jako jsou pohony kuličkových šroubů, aktuátory atd., lineární vodítka, motory, kodéry a držáky nástrojů. Najdete je také v různých verzích v MISUMI.

Typy řídicích systémů CNC

Koncepty řízení lze rozdělit na bodově řízené, řízené sekvencí a řízené dráhou.

Bodově řízené se vztahuje k řízení konkrétního bodu nebo individuálního polohování stroje, např. pro vrtání nebo děrování. Nástroj je přesunut přesně do polohy obrobku, kde nástroj poté začne zpracování. Polohování se provádí z jednoho bodu na druhý. Flexibilní vliv např. na rychlost jízdy do nové polohy není možný.

Na rozdíl od bodového řízení umožňují dráhou řízené řídicí systémy ovládání jedné osy v daném okamžiku z hlediska rychlosti a polohy. To znamená, že lze také cestovat axiální nebo paraxiální vzdálenosti. Pohyby jsou omezeny na levou, pravou, přední nebo zadní stranu.

Dráhou řízený znamená, že stroj pohybuje několika osami současně, aby mohl sledovat trasu s nástrojem. Pro dráhou řízené systémy se obecně používá řízení posuvu. V závislosti na systému mohou být cesty jakékoli přímé čáry, které běží kdekoli v prostoru nebo v křivkách a kruzích.

Další možností diferenciace je počet řízených os. Možné varianty jsou ovládání 3, 4 nebo 5 os. Čím složitější obrobek bude zpracován, tím více os bude použito. V podstatě jsou vždy řízeny osy X, Y a Z. Rotační osy lze stále přidávat jako čtvrtou a pátou osu. Pět os umožňuje zpracování složitých prostorových tvarů.

Výhody a nevýhody řídicích systémů CNC

Řídicí systémy CNC jsou velmi přesné a umožňují realizaci složitých výrobních procesů. To umožňuje hromadnou výrobu a snižuje počet lidských pracovních sil. Zároveň je však zapotřebí kvalifikovanější personál. Vysoké pořizovací náklady také vedou k vysokým počátečním výdajům. Ty by však měly být rychle kompenzovány dlouhodobou optimalizací procesů a zvyšováním výrobních údajů.

PLC – programovatelný logický kontrolér

PLC je další přístup k řízení strojů a průmyslových systémů. PLC se však nepoužívají pouze k řízení pohybu, ale primárně se používají k monitorování a řízení průmyslových procesů. Provádějí složité logické operace a řídí digitální a analogové vstupy a výstupy.

Minimální design řídicího systému PLC se vždy skládá ze vstupní jednotky, procesorové jednotky a výstupní jednotky, tzv. principu EVA. Kromě toho jsou zde stavové kontrolky, paměťové médium a zdroj napájení. Proto jsou komponenty podobné řídicímu systému CNC. Vstupy, jako jsou snímače a skenery, komunikují s výstupy, jako jsou motory a světla prostřednictvím CPU. Funkce lze realizovat prostřednictvím různých modulů. K tomuto účelu se používají tzv. logické moduly.

Provozní režim a logické funkce PLC

PLC provádí v zásadě následující funkce: sběr dat, zpracování dat, rozhodování a řízení akčních členů. Data jsou například získávána ze senzorů, které monitorují stav systému během sběru dat.

Parametry mohou být: teplota, informace o poloze, tlak atd. Tyto údaje tvoří základ pro další kroky: Je okolní teplota příliš vysoká? Došlo k poklesu tlaku?

Zpracování dat pak porovná hodnoty nebo provede logické operace, aby se nakonec rozhodlo, jaké akce je třeba provést. Rozhodnutí, např. změna parametrů stroje, je nyní implementováno aktivací aktuátorů. PLC vysílá řídicí signály do aktuátorů (např. motorů, ventilů atd.), které pak implementují požadovanou akci.

Logické funkce, které se používají a propojují vstupy, mohou být:

• A provoz: Pokud jsou obě vstupní hodnoty pravdivé, je signalizováno „pravda“ a funkce je provedena. Příklad: dveře by měly být po zavření automaticky zajištěny aktivním bezpečnostním alarmem. Funkci alarmu lze aktivovat pouze v případě, že jsou dveře zablokované a bezpečnostní alarm je aktivován.
• NEBO provoz: Signalizuje „pravda“, pokud je alespoň jedna vstupní hodnota pravdivá. Příklad: Mám dveře, které lze otevřít pomocí karty s klíčem nebo kódu PIN. Obě možnosti otevírají dveře.
• Provoz XOR: znamená „Exclusive OR“ (pouze OR). Signalizuje „pravda“, když je přesně jedna vstupní hodnota pravdivá. Je vhodný pro porovnání více vstupů. Příklad: Předběžné/zpětné přepínání navijáku kabelu pomocí dvou tlačítek. Není-li stisknuto žádné tlačítko, není signál (motor vypnut). Je-li stisknuto tlačítko pro přípravný cyklus nebo zpět, signál pro přípravný cyklus nebo zpět je přesměrován. Pokud stisknete obě tlačítka, nezazní žádný signál (motor je vypnutý).
• MIMO provoz: Obrací vstupní hodnotu. Příklad: Poplašné zařízení dveří by mělo být aktivní pouze tehdy, když jsou zavřené.

Logické propojení vstupních a výstupních proměnných je zobrazeno v tzv. plánu funkcí: Zde jsou všechny vstupy a výstupy, funkční bloky a připojení a směry zobrazeny v typovém schématu zapojení. Plán funkcí podporuje návrh, implementaci a analýzu řídicích systémů PLC.

Výhody a možné aplikace řídicích systémů PLC

Použití řídicích systémů PLC může být prospěšné v mnoha průmyslových aplikacích. V automatizaci se používají k řízení strojů, automatizaci výrobních linek a zvýšení efektivity. Jsou také ideální pro řízení procesů díky logickým funkcím, které lze podle potřeby propojit.

Mezi výhody řízení PLC patří:

• změny a opravy lze snadno provádět bez úprav
• chyby lze rychle opravit, protože obvod lze otestovat přímo na programovacím zařízení
• signální křivky lze pozorovat

interakce různých režimů řízení

U složitějších příkladů aplikací lze společně používat řídicí systémy PLC a (C)NC, např. k provádění následujících úkonů:

• výměna dat a komunikace
• Nadřazená kontrola
• Bezpečnost a monitorování

Řídicí systémy PLC jsou například velmi flexibilní a lze je snadno přizpůsobit. Řídicí systémy CNC zase zajišťují vysoký stupeň přesnosti a jsou optimalizovány pro specifické úkoly zpracování. Společně je vytvořen přesný a současně flexibilní systém pro různé průmyslové aplikace. Kombinace řízení procesu (PLC) a stroje (CNC) vytváří hladkou koordinaci pro efektivní výrobu.

Příklad aplikace

Řídicí systémy NC a PLC lze použít například k regulaci teploty. Například, bimetalový proužek může být připojen k PLC a kotli. Po dosažení správné teploty se obvod uzavře a PLC obdrží signál, že nyní lze kotel vypnout. Pokud teplota klesne, kotel se znovu zapne stejným způsobem.