Računarska numerički upravljana mašina

Računarska numerički upravljana mašina (RNU mašina) je savremeni vid numerički upravljane mašine alatke (NUMA), (engl. Computerized numerical control machine, CNC machine), je vrsta obradne mašine koja sve operacije realizuje prema unetom alfanumeričkom kod-u preko računarske upravljačke jedinice koja direktno upravlja radom mašine.^[1]

Uputstva za rad mašine su unesena u numeričkom obliku na optički (kompakt-disk, dvd disk), magnetski (hard disk, disketa), fleš (usb disk) ili papirni (bušena traka, kartica) medijum. Uputstva uključuju definicije varijabli kao što su pozicija, brzina, smjer i brzina operacija. Program unesen u računar RNU mašine sadrži sve instrukcije potrebne za oblikovanje određenog objekta. RNU mašine mogu da vrše sljedeće operacije: bušenje, sječenje, glodanje, udaranje, pilanje, okretanje, namotavanje, pletenje, savijanje, zabijanje zakovica, zavarivanje, i druge.

CNC mašina je motorizovani manevarski alat i često motorizovana manevarska platforma, koje se kontrolišu pomoću računara, prema specifičnim instrukcijama za unos. Instrukcije se dostavljaju CNC mašini u obliku sekvencijalnog programa instrukcija za upravljanje mašinom kao što su G-kod i M-kod, a zatim se izvršavaju. Program može da napiše osoba ili ga, mnogo češće, generiše softver za grafičko projektovanje pomoću računara (CAD) ili kompjuterski podržanu proizvodnju (CAM). U slučaju 3D štampača, deo koji treba da se odštampa „seče“ pre nego što se generišu uputstva (ili program). 3D štampači takođe koriste G-kod.^[2]

Prednosti uredi

RNU mašina izrađuje malu metalnu vazu (donji lijevi ugao). Glava-nosač alata je sa desne strane.

Glavne prednosti RNU mašina pred tradicionalnim mašinama su: automatska operacija i prilagodljivost.

Automatska operacija znači da je čovjek nepotreban pri radu, što ubrzava rad, čini proizvod jeftinijim, i omogućuje rad sa opasnim materijama i u uslovima nepogodnim za čovjeka.

Prilagodljivost je od velikog značaja ako će se jedna ista mašina koristiti za proizvodnju raznih dijelova. Tada je jednostavnim mijenjanjem programa moguće postići izradu dijelova potpuno različitih dimenzija i oblika. Druga prednost je to što precizni nacrti nisu nužno potrebni — sve što treba je skup instrukcija za mašinu. Proces je tada potpuno definisan matematički.

Proces pripreme uredi

Računarski model i izrađeni dio.

Proces počinje sa definicijom objekta za izradu - matematička definicija ili tehnički crtež na računaru. RNU programer koristi mat. definiciju da odredi redoslijed operacija potrebnih da se proizvede objekt ili izvede proces. Programer isto utvrđuje alat koji će se koristiti, brzine rada, i koristi posebni programski jezik da pripremi simbolički program.

G-kod i M-kod uredi

G-kod (G-code) se najčešće koristi za kontrolu obradnih operacija mašine. To je skup funkcija koje vrše pomjeranje alata i-ili objekta, promjenu brzine, i bušenje-glodanje-varenje ili druge operacije, već u zavisnosti od mašine. Nije potpuno standardizovan, već svaki proizvođač obično dodaje neke komande specifične za svoje proizvode. O tome treba voditi računa pri korištenju programa s jedne mašine na drugoj.

Standard koji se uglavnom prati u SAD je RS274D, a u Evropi često DIN 66025 ili ISO 6983.

Primjer G-koda, koji stvara cilindrični objekt dužine jednog inča, na RNU tokarskoj mašini. Sa N su označene linije programa, a povremene M komande služe za kontrolu same mašine.

M-kodovi kontrolišu čitavu mašinu, i funkcije kao start, stop, uključivanje tečnosti za hlađenje i tako dalje.

Putanja alata u datom programu.

Primjer
Linija	Kod	Opis
N01	M216	Uključi posmatranje
N02	G00 X20 Z20	Odmakni nož od objekta, na poziciju X20 Z20
N03	G50 S2000	Podesi najveću brzinu vrtenja
N04	M01	Opcioni stop
N05	T0303 M6	Izaberi alat #3, koristi koordinate alata sa linije 3 programske tabele, pozicioniraj nosač alata da izabere novi nož
N06	G96 S854 M42 M03 M08	Promjenjiva brzina rezanja 854 stope u minuti, visoka brzina vrtenja, počni sa rotacijom udesno, počni sa sipanjem tečnosti za hlađenje
N07	G00 X1.1 Z1.1	Pozicioniraj nož na tačku 1.1 inč od početka objekta i 0.05 inča od strane
N08	G01 Z1.0 F.05	Nastavi horizontalno dok nož nije 1 inč od linije datuma
N09	X0.0	Nastavi dok nož nije u sredini
N10	G00 Z1.1	Brzo pomjeranje na 1.1 inča od početka objekta
N11	X1.0	Nastavi pomjeranje sve dok nož nije na kraju završene spoljašnje dimenzije
N12	G01 Z0.0 F.05	Pomjeri horizontalno dok objekt nije doveden do 1 inč dijametra do datum linije
N13	M05 M09	Zaustavi rotaciju, prekini prskanje tečnosti za hlađenje
N14	G28 G91 X0	Idi na početnu X poziciju, zatim na početne pozicije ostalih osa
N15	M215	Isključi praćenje opterećenja
N16	M30	Zaustavi program, promjeni objekt ako treba, idi na početak

Druge metode programiranja uredi

Zbog nepotpune standardizacije G-kodova, postoji i niz drugih načina za upravljanje RNU mašinama. Postoji Gerber format fajlova (čest za izradu štampanih pločica), STEP-NC, i niz drugih.

Takođe, moguće je i upravljanje mašinom i preko običnih programskih jezika. U tom slučaju, kontrola se može vršiti direktno računarom (npr. paralelni port) ili preko mikrokontrolera povezanih na USB ili serijski port. Ove metode su vrlo popularne za amaterske RNU mašine. Programski jezici uključuju C, Basic, Python, Visual Basic i druge.

Rad RNU mašine uredi

Amaterska RNU mašina.

Postoje razne vrste mašina koje se razlikuju po mnogim parametrima. Ipak, kod većine se zahtijeva precizno pozicioniranje alata ili objekta koji se obrađuje, često je preciznost reda desetine ili stotine delova milimetra.

Koračni motori i servomotori uredi

Da bi se ovako precizno pozicioniranje moglo izvesti, potrebna je povratna sprega ili veza. Motori za pokretanje su stoga ili servomotori ili koračni motori, sa kojima je moguće precizno pozicioniranje na željeni ugao rotora u odnosu na stator. Dalje povećanje preciznosti (i obrtnog momenta) se postiže korištenjem zupčaničkog prenosa ili osovine sa preciznim navojima koju pokreće motor. Osovina sa navojima može da pokreće posebnu maticu koja je učvršćena za alat (ili objekt) i s time se postiže vrlo fino pozicioniranje.

Kod koračnih motora treba paziti na to da nisu preopterećeni, jer preskakanjem koraka dolazi do gubitka preciznosti, a da računar nije toga svjestan (nema povratne veze).

Kontrola koračnog motora uredi

Za koračne motore, dovodi se puls za svaki željeni inkrement pozicije. Ako je željeni pomak 1 mm, a zna se da sa svakim korakom motora imamo pomjeranje od 0.0635 mm (0.0635 mm po koraku), potrebno je izvesti 1/0.0635 koraka, ili 15.75. Kako je moguće imati samo cijeli broj koraka, možemo imati pomak od 9.525 (15 koraka) ili od 10.16 mm (16 koraka).

Razlika željene i stvarne pozicije je greška pozicioniranja. Dade se smanjiti sa pogodnom konstrukcijom mehaničkog prenosa, odabirom drugačijeg motora, i kompenzacijom u softveru.

Koračni motor mora imati poseban elektronski sklop koji će slati struju u zavojnice motora po redoslijedu. Pri većim brzinama rada, korisno je dodati spoljni otpornik u seriju sa zavojnicom i povisiti radni napon. Ovo povećava Omske gubitke, ali povećava najveću brzinu rada jer vremenska konstanta L/R postaje manja. S tim se dobija brže prekopčavanje struje.

Kontrola alata uredi

Alat kojim RNU mašina upravlja je vrlo raznolik. To mogu biti bušilice, glodalice, zavarivači i tako dalje. Većina profesionalnih uređaja ima glavu sa više alata (na primjer nekoliko vrsta svrdala) i mašina može sama da mijenja svrdla, već po radnoj potrebi, u toku rada.

U amaterskim gradnjama, često se koriste jednostavni ručni alati, koji se učvrste za radnu glavu (ili su nepokretni a objekt se pomjera) i aktiviraju se putem releja. Naročito je popularna Dremel univerzalna alatka.

Istorija uredi

Iako je razvoj numeričkog upravljanja alatnih mašina vezan za mnoga inženjerska otkrića počevši od konstruiranja glodalice sa navojnim vretenom, primene bušene trake za automatizaciju rada tkalačkih mašina, razvoj servomotora, razvoj mašina s mogućnošću ponavljanja obrade postupkom kopiranja, razvoj koordinatnih bušilica i drugog, u literaturi se navodi da je osnove numeričkog upravljanja postavio 1947. Džon T. Parsons (1913. – 2007). Upotrebom bušene trake upravljao je pozicijom alata pri izradi lopatica helikopterskog propelera. Godine 1949. Američka vojska sklopila je ugovor sa univerzitetom MIT za razvoj programirane glodalice. Troosna glodalica Cincinati Hydrotel predstavljena je 1952. godine, a imala je elektromehaničko upravljanje (upravljačka jedinica) i koristila je bušenu traku. Iste godine počinje se koristiti naziv numeričko upravljanje (NC). Tadašnja upravljačka jedinica je bila veća od same mašine.

U civilnoj industriji numeričko upravljanje započinje tokom 1960-tih godina, a široka primena u obliku računarskog numeričkog upravljanja (CNC) počinje 1972. godine, odnosno desetak godina kasnije razvojem mikroprocesora. Godine 1968. izrađen je prvi obradni centar (Kearney & Tracker). To je značilo veliki razvojni iskorak u numeričkom upravljanju alatnih mašina, jer mikroprocesor ugrađen u upravljačku jedinicu preuzima čitav niz posebnih zadataka kao što su viša nivo interpolacije, ispravka (korekcija) geometrijskih odstupanja i tako dalje. Razvoj numerički upravljanih alatnih mašina posebno je snažan u zadnjih dvadesetak godina zahvaljujući brzom razvoju mikroelektronike. U odnosu na klasične (konvencionalne) alatne mašine značajna je promena bila uvođenje zasebnih istosmernih motora (servomotora) za pogon glavnog vretena i posmaka (suporta).

Automatizacija alatnih mašina započela je zapravo vrlo rano, i to uglavnom u upravljanju brzinom rezanja, posmakom i izmenjivanjem različitih vrsta alata. U početku su rešenja bila mehanička, ali nakon 1950. godine, posebno od 1960, razvijale su se takozvani NC alatni mašine (engl. Numerical Control), to jest numerički upravljane mašine, dakle upravljane bušenim trakama, karticama ili magnetskim vrpcama, koje prema utvrđenom kodu aktiviraju sistem releja i servomehanizama, tako da su pojedini delovi procesa automatizovani. Međutim, te su mašine bile slabije prilagodljivosti (fleksibilnosti). Od 1970. u upravljanju alatnim mašinama upotrebljavaju se miniračunari ili mikroračunari. To su takozvane CNC alatne mašine (engl. Computer Numerical Control). Te se mašine mogu vrlo lako prilagoditi za različite radnje jednostavnijom promenom programa. Upravljački je deo jednostavniji, jeftiniji, održavanje je lakše te je izrada tačniji i ekonomski isplativija. Sastav DNC (engl. Direct Numerical Control) obuhvata nekoliko spregnutih CNC alatnih mašina, vođenih većim središnjim računarom. Savremene CNC alatne mašine imaju adaptivno upravljanje (povratnu vezu), kojim se štite mašina i alat od mogućeg oštećenja i postiže veća proizvodnost. Tako se, na primer, obrtni moment glavne osovine (vratila) posebnim servouređajem održava unutar zadanih veličina (parametara).^[3]

Razlike između klasičnih i CNC alatnih mašina uredi

Razlike između klasičnih i CCNC alatnih strojeva su sledeće:

Pogon mašina – kod klasičnih mašina radi se o zajedničkom pogonu, to jest jedan elektromotor pogoni i glavno vreteno i ostala kretanja radnog stola, dok kod CNC mašina postoji jedan glavni elektromotor (obično asinhroni elektromotor) za pogon glavnog vretena, a kretanje po osama stvaraju posebni jednosmerni motori (3 servomotora).
Upravljanje mašinom – izvodi se kod klasičnih mašina ručno ili mašinski preko ručice za upravljanje dok CNC mašine imaju upravljačku jedinicu (tastaturu i zaslon) i rade automatski preko računarskog programa.
Merni sistem mašine – sastoji se od skale s noniusom (klasična mašina) ili preciznijeg linearnog sistema meerenja (CNC mašina).
Pomak radnog stola – ostvaruje se trapeznim navojnim vretenom (klasična mašina) ili kugličnim navojnim vretenom (CNC mašina).^[4]

Reference uredi

^ „What Is A CNC Machine? | CNC Machines”. cncmachines.com. Pristupljeno 2022-02-04.
^ 3ERP (2022-06-24). „What is CNC Milling and How Does it Work: Everything You Need to Know - 3ERP”. Rapid Prototyping & Low Volume Production (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2022-06-30.
^ Alatni strojevi, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2018.
^ Zdravko Blažević: ”Programiranje CNC tokarilice i glodalice “, [2], učenje CNC programiranja na tokorilici i glodalici za srednje škole u Hrvatskoj, 2004.

Literatura uredi

Robert N. Bateson (1999). Introduction to Control System Technology (6th izd.). Prentice Hall. str. 48-50. ISBN 978-0-13-895483-3.
Brittain, James (1992), Alexanderson: Pioneer in American Electrical Engineering, Johns Hopkins University Press, ISBN 0-8018-4228-X.
Reintjes, J. Francis (1991), Numerical Control: Making a New Technology, Oxford University Press, ISBN 978-0-19-506772-9.
Weisberg, David, The Engineering Design Revolution (PDF), Arhivirano iz originala (PDF) 7. 7. 2010. g.. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
Wildes, Karl L.; Lindgren, Nilo A. (1985), A Century of Electrical Engineering and Computer Science at MIT , MIT Press, ISBN 0-262-23119-0.
Herrin, Golden E. "Industry Honors The Inventor Of NC", Modern Machine Shop, 12 January 1998.
Siegel, Arnold. "Automatic Programming of Numerically Controlled Machine Tools", Control Engineering, Volume 3 Issue 10 (October 1956), pp. 65–70.
Christopher jun Pagarigan (Vini) Edmonton Alberta Canada. CNC Infomatic, Automotive Design & Production.
The Evolution of CNC Machines (2018). Retrieved October 15, 2018, from Engineering Technology Group
Fitzpatrick, Michael (2019), "Machining and CNC Technology".