Układy sterowania obrabiarek

Rozwój układów sterowania obrabiarek jest ściśle związany z rozwojem komputerów i ciągłym wzrostem ich szybkości działania i mocy obliczeniowych.

Jednym z podstawowych komponentów współcześnie produkowanych obrabiarek jest układ sterowania. Do układu sterowania podłączone są (najczęściej poprzez specjalne moduły wejść/wyjść) serwonapędy i inne urządzenia elektryczne i/lub elektroniczne niezbędne do prawidłowej pracy obrabiarki. Układ sterowania służy także do wprowadzania i uruchamiania programu obróbkowego, a także monitorowania jego przebiegu. Początek rozwoju układów sterowania obrabiarek datowany jest na koniec lat 70. XX wieku. Rozwój układów sterowania obrabiarek jest ściśle związany z rozwojem komputerów i ciągłym wzrostem ich szybkości działania i mocy obliczeniowych. Niebagatelne znaczenie ma ciągły spadek cen tych komponentów i ich dostępność. Współcześnie produkowane układy sterowania obrabiarek najczęściej oparte są o komputer PC wyposażony w system Windows® z aplikacją sterującą pracą maszyny w czasie rzeczywistym. Sposób działania aplikacji zależy od szeregu parametrów charakteryzujących daną obrabiarkę oraz proces technologiczny realizowany za jej pośrednictwem. W przypadku Polski wykorzystywane obecnie obrabiarki sterowane numerycznie funkcjonują najczęściej w oparciu o układy sterowania następujących producentów (w kolejności alfabetycznej): FANUC (i klony), HAAS, HEIDENHAIN, MAZAK, MORI SEIKI, PRONUM, SIEMENS. Pozostali producenci to m. in. BOSCH REXROTH, FAGOR. 

Producentów układów sterowania można podzielić na dwie grupy: produkujących wyłącznie układy sterowania (i komponenty automatyki przemysłowej) oraz produkujących układy sterowania i obrabiarki. Pierwsza grupa reprezentowana jest przez takie firmy jak: BOSCH REXROTH, FANUC, HEIDENHAIN, SIEMENS. Układy sterowania oferowane przez te firmy cechują się elastycznością zastosowań i dużą ilością opcji. Doskonale nadają się do modernizacji obrabiarek już użytkowanych. Natomiast druga grupa to firmy będące również wiodącymi dostawcami obrabiarek pod względem liczby wyprodukowanych maszyn. Są to (w kolejności alfabetycznej) HAAS, MAZAK, MORI SEIKI, OKUMA. W przypadku tych firm dostawcami komponentów są renomowane firmy oferujące automatykę przemysłową (MITSUBISHI ELECTRIC, FANUC AUTOMATION, SIEMENS), ale projekt układu sterowania oraz jego specyfikacja i zestaw opcji opracowywany jest przez producenta obrabiarki. Są to układy specjalizowane lub specjalne – stosowane jedynie w obrabiarkach danego producenta. Takie podejście pozwala na maksymalne wykorzystanie możliwości zaprojektowanego układu sterowania w przypadku konkretnego typu obrabiarek oraz obniżenie kosztów produkcji układu sterowania, co ma wpływ na końcową cenę obrabiarki.

Przykładem takiego specjalizowanego układu sterowania jest ostatnia generacja układu sterowania produkowanego przez firmę MAZAK – MAZATROL MATRIX (pierwsza generacja została wprowadzona w roku 1981). Jest on rozwinięciem koncepcji układu sterowania opracowanego przez firmę MAZAK na potrzeby produkowanych obrabiarek sterowanych numerycznie. Układ sterowania oparty jest o komponenty MITSUBISHI i może pracować w dwóch trybach – tzw. ISO oraz dialogowym MAZATROL. Ta druga opcja powstała z myślą o operatorze i technologu pracujących przy obrabiarce. Pozwala szybko i intuicyjnie tworzyć programy obróbkowe w trybie dialogowym z wykorzystaniem parametrów charakterystycznych dla danego zadania obróbkowego. Odpowiednikiem trybu MAZATROL jest opcja SHOP MILL/TURN układów sterowania SINUMERIK oraz MANUAL GUIDE – opcja sterowania FANUC. Podobne podejście stosuje firma HEIDENHEIN w układach sterowania serii iTNC, które są wyposażone w interfejs graficzny. Wszystkie wymienione układy sterowania oferują także pracę w trybie ISO. Tryb ten umożliwia współpracę układów sterowania z programami CAM wyposażonymi w odpowiednie postprocesory. Istnieje również pewny zestaw instrukcji i funkcji wspólny dla trybu ISO, niezależnie od układu sterowania, na którym program ISO zostaje uruchomiony. Umożliwia także uruchamianie programów ISO napisanych z przeznaczeniem dla różnych obrabiarek i układów sterowania. Oczywiście konieczne jest przeprowadzanie koniecznych modyfikacji, które pozwolą na wykorzystanie możliwości konkretnego układu sterowania, ale struktura programu pozostaje niezmieniona. Jest to znaczne ułatwienie dla użytkowników, którzy wykorzystują do realizacji swoich zadań obróbkowych obrabiarki sterowane numerycznie wyposażone w różne układy sterowania. Ostatnia generacja układów sterowania obrabiarek MAZAK została standardowo wyposażona w zestaw funkcji zwiększających komfort pracy obsługi, bezpieczeństwo obsługi i produktywność obrabiarki oraz mających wpływ na znaczące wydłużenie bezawaryjnej pracy.

Są to następujące funkcje, nazywane „inteligentnymi”:

• aktywna kontrola drgań wrzeciona,
• kompensacja odkształceń cieplnych obrabiarki,
• symulacja 3D zespołów obrabiarki i ich ruchów – przeciwdziałanie kolizjom,
• głosowe potwierdzanie wybranych funkcji i wartości parametrów.

W połączeniu z oprogramowaniem MATRIX CAM układ sterowania MAZATROL MATRIX tworzy w pełni funkcjonalną platformę umożliwiającą zrealizowanie najbardziej złożonych zadań obróbkowych.

Jak widać na przykładzie MAZATROL MATRIX obecnie produkowane układy sterowania są wyposażone w szereg funkcji umożliwiających nie tylko sterowanie obrabiarką, obróbką części i tworzenie/modyfikację programów obróbkowych. Umożliwiają również monitorowanie stanu obrabiarki i kompensację/ korekcję czynników mających wpływ na dokładność wymiarowo-kształtową przedmiotu obrabianego, symulację programu obróbkowego (w celu zapobieżenia kolizjom w układzie Obrabiarka-Uchwyt-Przedmiot- Narzędzie) oraz komunikację z systemami zewnętrznymi (np. serwisowymi, kontroli jakości) i operatorem. Ciągły rozwój układów sterowania zwiększa możliwości obrabiarek i umożliwia pokonywanie kolejnych barier technologicznych związanych z innowacyjnymi sposobami obróbki nowych materiałów a także spełnieniem rosnących wymagań dotyczących obróbki skrawaniem. Nowe wyzwania spowodowały ewolucję układu sterowania obrabiarki od prostego regulatora do złożonego systemu sterowania wykorzystującego podczas pracy monitorowanie i diagnostykę stanu obrabiarki i parametrów obróbki.

Autor: Autor: dr Łukasz Ślązak