Computer Aided Manufacturing Cursustekst PDF 2022-2023

FACULTEIT INDUSTRIËLE INGENIEURSWETENSCHAPPEN CAMPUS GEEL Computer Aided Manufacturing College, B-KUL-ZA5444 Luc LABEY Academiejaar 2022-2023 Copyright KU Leuven...

FACULTEIT INDUSTRIËLE INGENIEURSWETENSCHAPPEN CAMPUS GEEL Computer Aided Manufacturing College, B-KUL-ZA5444 Luc LABEY Academiejaar 2022-2023 Copyright KU Leuven Zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van zowel de promotor(en) als de auteur(s) is overnemen, kopiëren, gebruiken of realiseren van deze uitgave of gedeelten ervan verboden. Voor aanvragen i.v.m. het overnemen en/of gebruik en/of realisatie van gedeelten uit deze publicatie, kan u zich richten tot KU Leuven Campus Geel, Kleinhoefstraat 4, B-2440 Geel, +32 14 72 13 00 of via e-mail [email protected]. Voorafgaande schriftelijke toestemming van de promotor(en) is eveneens vereist voor het aanwenden van de in deze masterproef beschreven (originele) methoden, producten, schakelingen en programma’s voor industrieel of commercieel nut en voor de inzending van deze publicatie ter deelname aan wetenschappelijke prijzen of wedstrijden. 2 Inhoudsopgave Hoofdstuk 1 Inleiding....................................................................................................................................... 4 Hoofdstuk 2 Historische ontwikkeling van CNC-technologie.......................................................................... 6 De eerste en tweede industriële revolutie.................................................................................................. 7 Het eerste naoorlogs decennium................................................................................................................ 9 De gereedschapsmachine industrie tussen 1955 en 1970........................................................................12 Wereldwijde veranderingen na 1970........................................................................................................17 Besluit........................................................................................................................................................20 Hoofdstuk 3 De allereerste NC machine........................................................................................................21 Paper: A numerically controlled milling machine......................................................................................22 Hoofdstuk 4 Overzicht van de huidige stand van de technologie.................................................................26 Twee, drie-, vier-, …, x-assige machines: vooruitgang bij besturing..........................................................26 Contour-, lijn- en punt tot punt-besturing.............................................................................................26 Aantal bestuurde assen.........................................................................................................................29 Bepaling van de gereedschapsbaan en gereedschapscompensatie..........................................................32 Radiuscompensatie bij frezen en draaien..............................................................................................33 Gereedschapscompensatie bij twee- en meerassig frezen...................................................................35 Bepaling van de afmetingen van het gereedschap................................................................................37 Hoofdstuk 5 Het CNC machine systeem........................................................................................................38 Hoofdstuk 6 Hardware in CNC machines.......................................................................................................51 Besturingshardware...................................................................................................................................51 Hoofdstuk 7 Programmeren van CNC machines...........................................................................................66 Hoofdstuk 8 Werking van CNC machines: interpolatie.................................................................................87 Hoofdstuk 9 Werking van CNC machines: versnellen en vertragen............................................................ 108 3 Hoofdstuk 1 Inleiding De toenemende rol van computers bij het ontwerpproces heeft geleid tot een geleidelijke verschuiving van tekening-gebaseerd (2D) naar model-gebaseerd (3D) ontwerpen. Deze nieuwe manier van ontwerpen die grotendeels gebeurt op computer (en zonder computers zelfs niet mogelijk zou zijn) noemt men Computer Aided Design (CAD). Eens een 3D CAD-model klaar is, volgen nog een hele reeks tussenstappen vooraleer het ontwerp daadwerkelijk is gerealiseerd. Ook bij elk van deze tussenstappen speelt de computer tegenwoordig een belangrijke rol. Men gebruikt in een modern ontwerp- en productie-systeem onder andere (maar zeker niet alleen) computerondersteuning voor: 1. de archivering en de opvolging van tussenstappen in het ontwerp-proces (dit is vooral zeer belangrijk bij complexe ontwerpen door uitgebreide teams), 2. de werkplaatsplanning, 3. de programmering van numeriek gecontroleerde machines, 4. de aansturing en het monitoren van de bewerkingen op deze machines, 5. het gereedschapsbeheer, 6. … Al deze computerondersteunde activiteiten vat men samen met de term Computer Aided Manufacturing (CAM). Als beide voorgaande computersystemen gekoppeld zijn (bv via een intern netwerk of zelfs via internet), spreekt men van een CAD/CAM systeem. De bewerkingsmachines die niet langer manueel bediend en gecontroleerd worden, maar aangestuurd door middel van programma’s (gegevens in de vorm van letters, cijfers, symbolen, woorden of een combinatie) duidt men aan als numeriek gecontroleerde (Numerical Control of NC) machines. Met computer numerieke controle (CNC) bedoelt men dat deze gecodeerde instructies naar een microprocessor in het besturingssysteem van een toestel worden gestuurd. Technisch gezien kan de term gebruikt worden om elke machine te beschrijven die door een computer wordt bestuurd. Aan de werking van NC en CNC toestellen zullen we verderop in deze tekst het meeste aandacht besteden. Als een 3D CAD model beschikbaar is, dan kan dat uiteraard vrij gemakkelijk gebruikt worden als input voor computersimulaties (bv. mechanische, thermische of andere eindige elementen analyses, FEA). Het CAD ontwerp kan dan in feite virtueel al uitgebreid getest worden zonder dat er prototypes nodig zijn. Op basis van de resultaten van dergelijke simulaties kan een ontwerp aangepast en geoptimaliseerd worden. Heel dit proces noemt men Computer Aided Engineering (CAE). Omwille van deze ontwikkelingen is het voor ingenieurs in opleiding zeker nuttig om over een algemene kennis van CNC-machines en CNC-sturingen te beschikken, om de verschillende types van CNC machines te kennen en iets te weten over hun voor- en nadelen. Dat is dan ook het opzet van deze tekst. We zullen ons hier beperken tot een bespreking van (C)NC. CAD, CAM, CAE komen dus maar zijdelings en zeer summier aan bod. Het is zelfs niet de bedoeling om uitgebreid in te gaan op alle aspecten van CNC, ook dat zou ons veel te ver leiden. Wie zich hier in wil verdiepen, kan terecht in het zeer gedegen CNC Handbuch 1 (een kanjer van meer dan 800 bladzijden) waaruit we trouwens voor deze tekst uitgebreid geput hebben. Een ander interessant werk dat hier niet onvermeld mag blijven is “Theory and Design of CNC 1 H.B. Kief, H.A. Roschiwal, K. Schwarz “CNC Handbuch”, 31e druk, 2020 Carl Hanser Verlag München 4 Systems” 2. Dat boek geeft een goed overzicht en een behoorlijk diepgaande bespreking van de verschillende manieren waarop essentiële stappen in het hele numeriek gecontroleerde bewerkingsproces verlopen. 2 Suh, S. H., Kang, S. K., Chung, D. H., & Stroud, I. (2008). Theory and design of CNC systems. Springer Science & Business Media. 5 Hoofdstuk 2 Historische ontwikkeling van CNC-technologie Bij verspanende bewerkingen maakt men een onderscheid tussen drie bewegingen: de hoofd- of snij- beweging met de daaraan gekoppelde snijsnelheid en hoofdsnijkracht, de voedingsbeweging met de bijhorende voedingssnelheid en voedingskracht en de instelbeweging (zie de lessen Productietechnieken- 1). Het is trouwens op basis van de hoofdbeweging (en in tweede instantie van de voedingsbeweging) dat de verschillende verspanende bewerking worden onderverdeeld (Figuur 2-1). Figuur 2-1: Indeling van de verspanende bewerkingen (uit: H. Kals, Industriële productie). Bovenstaand schema illustreert dat de snijbeweging meestal veroorzaakt wordt door een rotatie van het gereedschap (zoals het geval is bij frezen of boren) of het werkstuk (zoals bij draaien). De voedingsbeweging wordt opgewekt met behulp van bewegende sleden die de baan van gereedschap en werkstuk ten opzichte van elkaar bepalen. Het gaat hier dus vaak om (combinaties van) translaties. Als men een verspanende bewerking volledig wil automatiseren (wat uiteindelijk de bedoeling is van numerieke controle) dan moeten alle bewegingen aangedreven en gestuurd worden met behulp van numerieke technieken. De automatische aandrijving van de snijsnelheid is in se niet zo ingewikkeld. Het gaat immers typisch om een aandrijving van één enkele as. Maar het automatiseren van de voedingssnelheid (dus de baan van gereedschap en werkstuk) is een heel ander paar mouwen. Zolang het gaat om rechtlijnige bewegingen kunnen die nog vrij eenvoudig gerealiseerd worden door mechanische aandrijvingen van sleden (waarbij de snelheden van de sleden in vaste verhoudingen tot elkaar staan) gecombineerd met verstelbare aanslagen om sledebegrenzingen vast te leggen. Gebogen banen zijn bijna niet meer zuiver mechanisch voor mekaar te krijgen. Het is hier dat NC zijn intrede doet en eigenlijk onontbeerlijk is. Een voorbeeld daarvan zijn het reproduceerbaar en nauwkeurig produceren van vleugelprofielen in de vliegtuigindustrie. Het is dan ook voor dergelijke toepassingen dat numerieke controle voor het eerst gebruikt werd. In de rest van dit hoofdstuk geven we een kort overzicht van de historische ontwikkelingen die geleid hebben tot het ontstaan van CNC technologie. Deze evolutie is niet alleen interessant op zichzelf. Ze is ook 6 van belang voor een goed begrip van de stand van de huidige technologie. Moderne CNC machines met hun vele, bijna onbegrensde mogelijkheden zijn nu eenmaal niet uit het niets ontstaan. Zij zijn tot stand gekomen door verder te bouwen op technieken die eerder ontwikkeld werden voor meer eenvoudige toestellen. De eerste en tweede industriële revolutie Met de term “eerste industriële revolutie” duidt men de overgang aan van handmatig naar machinaal en op grote schaal vervaardigde goederen. De start van deze eerste industriële revolutie wordt meestal gesitueerd in Engeland rond 1750 met de ontwikkeling en optimalisatie van de stoommachine door James Watt. Vervolgens verspreidde deze uitvinding en zijn gebruik zich over heel West-Europa en Noord-Amerika vanaf het begin van de negentiende eeuw. De stoommachine maakte grote, bijna onbeperkte, hoeveelheden energie op een gecontroleerde, reproduceerbare manier beschikbaar. Dit in tegenstelling tot de energie- of krachtlevering die tot die tijd gebaseerd was op natuurlijke hulpbronnen (wind, water, dieren of mensen). Vanaf dat ogenblik was het dus mogelijk om de snijbeweging van verspanende machines op een gecontroleerde manier aan te drijven. In zekere zin kan dit gezien worden als een eerste stap in het automatiseringsproces. Maar daar bleef het niet bij. Zelfs toen al, in de tweede helft van de achttiende eeuw, werden machines ontwikkeld, vooral in de textielindustrie, die we gerust de voorlopers van hedendaagse NC machines kunnen noemen. Deze toestellen werden niet alleen aangedreven door stoommachines, maar konden zelfs “geprogrammeerd” worden met een soort ponskaarten-systeem (een beetje zoals de orgels die men nu nog op kermissen vindt) alhoewel er natuurlijk geen elektronica aan te pas kwam. Na verloop van tijd groeiden ambachtelijke en kleinschalige werkplaatsen dankzij deze evoluties uit tot grootschalige industriële productieplaatsen. De tweede industriële revolutie (1870-1910), ook wel bekend als de technologische revolutie, was een periode waarin industriële productie opnieuw een volledige omwenteling onderging. Deze periode ging van start met de uitvinding van het Bessemerprocedé 3 in de jaren 1860. Eén van de belangrijkste gebeurtenissen in deze periode, althans voor het onderwerp van deze cursus, is de ontwikkeling van de elektromotor 4. De eerste gelijkstroommotoren die in staat waren om werktuigen aan te drijven, waren al in 1832-1837 uitgevonden en verbeterd door respectievelijk William Sturgeon en Thomas Davenport. Deze toestellen waren commercieel echter niet succesvol door de hoge kosten van de zinkelektrodes die gebruikt werden in de batterijen. De moderne gelijkstroommotor werd in 1873 bij toeval (her)ontdekt door Hippolyte Fontaine en Zénobe Gramme (een Belg, trouwens). Deze Gramme-machine groeide uit tot de eerste, succesvolle industriële elektromotor. In 1888 vond Nikola Tesla de eerste praktische inductiemotor uit, die gevoed werd vanuit een tweefasig wisselstroomnet. Tesla zette zijn werk met de wisselstroommotor in de jaren daarna voort bij Westinghouse Company. Onafhankelijk van Tesla's onderzoek, ontwikkelde Michail Doliwo-Dobrowolski rond dezelfde tijd (1888) de asynchrone draaistroommotor met kortsluitanker. De tweede industriële revolutie leidde uiteindelijk tot de ontwikkeling van massaproductie en de productielijn. Eén van de meest bekende voorbeelden van dat laatste is de serieproductie van wagens zoals 3 Een procédé om, met behulp van een convertor, staal te maken uit het ruwijzer afkomstig van een hoogoven. 4 Zie: https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektromotor 7 georganiseerd door Ford5. De tweede industriële revolutie deed zich vooral voor in West-Europa (met name in Groot-Brittannië, Duitsland, Frankrijk, de Lage Landen, Denemarken), de Verenigde Staten (in het Noordoosten en rond de Grote Meren) en in Japan. De eerste industriële revolutie draaide vooral rond de productie van ijzer, rond stoomtechnologieën en textielproductie. Nieuwe technologieën, met name elektriciteit, de olie-industrie, de verbrandingsmotor, nieuwe materialen en stoffen, met inbegrip van legeringen en chemicaliën, en communicatie- technologieën, zoals de telegraaf en de radio speelden een grote rol in de tweede industriële revolutie. Figuur 2-2: Schematische weergave van de werking van een kopieermechanisme. In het eerste decennium van de vorige eeuw, beschikte men dus al over een uitgebreid industrieel productieapparaat dat toeliet om op grote schaal en in serie producten te maken tegen lage kosten. De aandrijving van de snijbeweging van industriële machines was al op elektromotoren gebaseerd. Het was ook mogelijk om ingewikkelde vormen te verspanen met behulp van mechanische automaten. Deze zogenoemde kopieermechanismen (Figuur 2-2) gebruikten tasters die over het te kopiëren object (de mal of nok) liepen 6. Eén of meer beitels maakten vervolgens exact dezelfde beweging op het werkstuk en vervaardigden zo een kopie. Ook frees- en slijpmachines konden met deze methode werken en er konden verschillende mallen gebruikt worden voor verschillende assen zodat het gereedschap een vrij gecompliceerde ruimtelijke baan kon volgen. Op die manier kon men dus zelfs dubbel gekromde oppervlakken vervaardigen. Zelfs nu worden kopieermechanismen soms nog gebruikt. Automatisering via tasters en nokken, ook wel harde of starre automatisering genoemd, is echter fundamenteel anders dan numerieke besturing om twee redenen. Om te beginnen kunnen dergelijke mechanismen niet abstract geprogrammeerd worden. Nokken kunnen informatie coderen, maar de informatie van het abstracte niveau (de technische tekening of het model) in de nok krijgen is een handmatig proces, dus tijdrovend en duur. Opeenvolgende wijzigingen of ombouw naar een ander product gingen daarom gepaard met langere stilstandtijden voor het ombouwen van de machines en besturingen. Dat was alleen te verantwoorden bij producten die in grote aantallen gemaakt moeten worden. Voor kleine of middelgrote series is zo’n manier van werken niet economisch. Bij numerieke besturing daarentegen kan informatie worden overgebracht van de ontwerpintentie naar de machinebesturing met behulp van abstracties zoals getallen en programmeertalen. 5 Het Ford model T werd gebouwd vanaf 27 september 1908 en was een van de eerste auto's die in massaproductie werd genomen 6 History of numerical control, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_numerical_control 8 Ten tweede resulteert de beweging van het gereedschap bij verspanende bewerkingen in grote en wisselende krachten die de aandrijving van de taster te boven gaan. Om dat probleem op te lossen, moesten de taster en het gereedschap op een of andere manier mechanisch ontkoppeld worden. Dat werd mogelijk door servomechanismen in te bouwen in bewerkingsmachines. Een servomechanisme bestaat in het algemeen uit een apparaat dat wordt aangestuurd, een ander apparaat dat commando's geeft, een foutdetector, een versterker voor foutsignalen en een apparaat om de fouten te corrigeren (de servomotor). Het eerste elektrische servomechanisme was al in 1896 in Engeland gemaakt door H. Calendar. Het was echter wachten tot einde jaren 1940 vooraleer het principe voldoende ontwikkeld was om in bewerkingsmachines te worden toegepast waardoor het kleine vermogen van een (mechanische) computer zeer grote motoren kon aandrijven en zo een krachtige, gecontroleerde beweging produceerde, gecombineerd met zeer nauwkeurige meetinformatie De ontwikkeling van meer flexibele, accurate en precieze systemen dan kopieermechanismen om de baan van gereedschap en/of werkstuk te automatiseren leidde uiteindelijk (maar wel pas enkele tientallen jaren later) tot numerieke besturingen (numerical control, NC) en, later, computer numerical control (CNC). De drijfveer hierachter was dus, zoals reeds gezegd, in de eerste plaats het verlagen van de kosten en verhogen van de efficiëntie van bestaande kopieermechanismen. Daarnaast bekwam men op die manier ook een betere kwaliteit van de stukken, meer mogelijkheden qua vormgeving en een vermindering van de inspanningen van de operator van de verspanende machine. De twee wereldoorlogen maakten echter (tijdelijk) een einde aan deze technologische vooruitgang en het was pas na WO II dat verdere ontwikkeling in de productietechnologie zich doorzette. Vanaf die periode kan men ook spreken van de uitvinding van de eerste elektronische computers wat uiteindelijk leidde tot het ontstaan van de ruimere informatie- en communicatie technologieën (ICT). Deze nieuwe technologie werd ook ingezet bij nieuwe technieken en machines voor industriële productie. Het ging daarbij zeker niet alleen over verspanende bewerkingen, al werden draai- en frees-banken als eersten geautomatiseerd. Later kwamen daar ook plaatbewerking, lassen, lakken (met behulp van robots),… bij. Deze evoluties zullen we in de volgende pagina’s wat meer in detail beschrijven. Het eerste naoorlogs decennium Vóór de tweede wereldoorlog stonden Duitsland, Groot-Brittannië en de Verenigde Staten wereldwijd vooraan in industriële productie en geavanceerde technologie. Na de tweede wereldoorlog is die situatie volledig veranderd. Alle productiefaciliteiten in Duitsland waren tijdens de oorlog (vooral op het einde) vernietigd of onbruikbaar gemaakt, gedeeltelijk gedemonteerd en als schadevergoeding getransporteerd naar het buitenland. Industriesteden waren plat gebombardeerd, miljoenen tonnen puin blokkeerden de wegen. De levering van elektriciteit, gas en water was schaars en industriële productie was onmogelijk op enkele onbeduidende uitzonderingen na. De situatie in andere Europese landen (onder andere in Engeland) was niet veel beter. In heel Europa vond in deze periode bijgevolg de wederopbouw plaats van de machine- en productie- industrie, voornamelijk op basis van al bestaande machineconcepten: de nog beschikbare handmatig bediende productiemachines, mechanische automaten en assemblagelijnen. De industriële productie was in die jaren dan ook hoofdzakelijk gericht op het vervaardigen van dringend noodzakelijke massaproducten. De vraag was bijna onbeperkt en de beschikbare machines werden in twee 9 en drie ploegen ingezet. Er werden nieuwe banen gecreëerd, maar ervaren, geschoolde arbeiders ontbraken. Miljoenen mannen waren gesneuveld, gewond, ziek of nog steeds in gevangenschap. De oplossing was gastarbeid. Gastarbeiders werden ingezet bij de reconstructie van vernielde steden, fabrieken, bruggen, huizen, wegen. Hiervoor waren allerlei machines nodig, vooral bouwmachines, kranen, graafmachines,…. De levensduur van de vervaardigde producten was ten minste 10 jaar, snelle productieveranderingen waren niet aan de orde. De Verenigde Staten hadden natuurlijk ook deelgenomen aan de oorlog en hadden heel wat slachtoffers te betreuren, maar hun infrastructuur was toch in veel mindere mate verwoest dan die van de Europese landen. Bovendien waren heel wat intellectuelen en hooggeschoolden uit Europa naar de VS gevlucht. Het was dan ook in de VS dat nog voldoende creativiteit, menselijke energie en kapitaal voorhanden waren om te innoveren. Nieuwe technologieën die al ontwikkeld waren gedurende de oorlog en in opdracht van het leger speelden daarin een belangrijke rol. Na WO II begon de VS bovendien een fase van militaire opbouw als gevolg van de Koude Oorlog. Een belangrijke arena was de lucht- en ruimtevaartindustrie, omwille van het overduidelijke militaire belang van vliegtuigen en intercontinentale ballistische raketten. Het behoud van de superioriteit in deze wapens was cruciaal voor de strategie in die periode. In 1947 ontwikkelden de Amerikaanse luchtmacht en het bedrijf Parsons bijna tegelijkertijd een methode voor het bewerken van vliegtuigonderdelen door gelijktijdig twee assen te verplaatsen met behulp van coördinaten opgesomd op ponskaarten. De complexe oppervlakken van bijvoorbeeld een vleugel of een rotorblad van een helikopter werden bewerkt door het boren van dicht bij elkaar gelegen gaten tot een vooraf bepaalde diepte op basis van de informatie op de ponskaarten en vervolgens het afwerken van het onderdeel door het oppervlak zorgvuldig te bewerken of door handmatig te vijlen (Figuur 2-3). In essentie ging het hier dus om een 2.5D machine (zie pagina 26). De luchtmacht begon een reeks snelle gevechtsvliegtuigen te ontwikkelen en had betere methoden nodig om onderdelen met hoge toleranties te bewerken. Om het systeem nog verder te automatiseren en een continue bewerking mogelijk te maken, werd een samenwerking opgezet met het Servomechanisms Laboratory van het MIT (Massachusetts Institute of Technology). Figuur 2-3: Oorspronkelijke techniek voor het produceren van dubbelgekromde oppervlakken. Het werk rond feedback-controle van het Servomechanisms Laboratory gedurende de oorlog draaide vooral rond militaire apparatuur die gebruik maakte van continue of analoge signalen om apparaten zoals radarantennes en luchtafweergeschut te besturen. In 1949 werd de theoretische basis ontwikkeld om servomechanismen te besturen met behulp van digitale gegevens of pulsen. In het voorjaar van dat jaar 10 ging het labo samen met Parsons aan de slag om een apparaat te ontwikkelen dat op basis van digitale gegevens een werktuigmachine kon besturen. Het concept dat bij MIT ontstond was tweeledig. Om te beginnen wilde men een techniek ontwikkelen om de machine een commando te kunnen geven om naar een specifiek punt in de 3D ruimte te gaan. Daarnaast wou men een besturingsmechanisme hebben dat elektrische pulsen zou doorvoeren naar de motoren die elke as van de bewerkingsmachine aansturen. Op die manier zou men dus een gereedschap een baan langs een reeks coördinaten kunnen laten beschrijven en zo een continue bewerking uitvoeren. De basisideeën die men op beide vlakken ontwikkelde zijn in essentie nog steeds hoe (C)NC machines werken. De daadwerkelijke implementatie van de concepten begon in juli 1950. De Amerikaanse luchtmacht voorzag het Servomechanisms Laboratory van een drie-assige Cincinnati Milling Hydro-Tel machine die vervolgens werd uitgerust met de juiste aandrijving voor elke as en gekoppeld aan een besturing (Figuur 2-4). Deze besturing maakte gebruik van de toen pas ontwikkelde ENIAC (°1946), een elektronische digitale rekenmachine (of kort gezegd: computer) die werkte met elektronenbuizen. De besturing was toen al in staat om: 1. (vooraf geprogrammeerde) bewegingsopdrachten door te geven aan de aandrijvingen, 2. toerentallen en bewerkingssnelheden in te stellen 3. de werkelijke bewegingen met behulp van meetsystemen op de sleden te controleren 4. te corrigeren bij afwijkingen tussen werkelijke en geprogrammeerde bewegingen (door middel van een feedback lus) Interpoleren tussen punten kon de besturing toen nog niet. De programmeur moest dus zelf alle punten van de baan uitrekenen en op een lijst zetten. Op een conferentie in 1952 beschrijven de ontwikkelaars de werking van het toestel als volgt: “Elke instructie zorgt ervoor dat het gereedschap van een bepaald punt op het werkstuk naar het volgende gaat langs een rechte lijn, en schrijft ook het tijdsinterval voor waarin deze beweging moet gebeuren. De rechte lijnen worden gegenereerd door een geschikte combinatie van de drie orthogonale bewegingen van de machine (de tafel, de kop en de dwarsschuif), die een cartesiaans assenstelsel vormen” 7 In het volgende hoofdstuk zullen we deze paper van meer nabij bestuderen. 7 J. McDonough and A. Susskind, "Numerically Controlled Milling Machine" in Managing Requirements Knowledge, International Workshop on, NEW YORK CITY, 1952 pp. 133 11 De bewerkingscommando's werden gelezen van een papieren ponsband met 7 sporen. De controle-unit bevatte 270 vacuümbuizen, 170 relais en 300 Ge diodes in 5 kasten ter grootte van een koelkast. Deze experimentele bewerkings-machine werd in maart 1952 in gebruik genomen. Figuur 2-4: De Cincinnati Hydro-Tel freesmachine, één van de allereerste NC machines. In de achtergrond zijn de kasten te zien die nodig waren voor de besturing. De gereedschapsmachine industrie tussen 1955 en 1970 Duitsland beschikte op basis van de hierboven beschreven beginsituatie na enkele jaren (ca. 1960 - 70) over het jongste machinepark van alle industrielanden: de gemiddelde leeftijd van toestellen was waarschijnlijk vijf of zes jaar, maar er waren er onvoldoende (alhoewel gegevens over het machinepark niet volledig zijn). Vele nieuwe machines waren bovendien technisch nog op het vooroorlogse niveau, het ging dus allerminst om de nieuwe NC machines die ondertussen in de VS ontwikkeld waren! De VS beschikte in diezelfde periode over machines die 15 tot 17 jaar oud waren. De pas ontwikkelde NC machines (draaibanken, freesmachines, bewerkingscentra) kwamen dus precies op het juiste moment om het verouderde machinepark te gaan vernieuwen, vooral in de voertuig- en luchtvaart-industrie. Alvorens dat ook echt kon gebeuren moest wel nog een belangrijke hinderpaal opgeruimd worden. G-code, de hedendaagse (universele) programmeertaal voor (C)NC, bestond in die beginperiode natuurlijk nog niet, maar het was snel duidelijk dat het uitvoeren van de wiskundige berekeningen die nodig waren om de controletape te maken extreem tijdrovend en dus ook zeer kostelijk was. De eerste systemen konden immers alleen maar gebogen oppervlakken genereren door een opeenvolging van korte, rechtlijnige stukjes. Om het oppervlak relatief glad te houden, moesten dus heel veel van die lijnsegmentjes worden berekend met behulp van een mechanische rekenmachine. Het is duidelijk dat deze taak een economische aderlating zou betekenen die wijdverspreide toepassing van NC in de weg stond. Om dat op te lossen begon MIT in de late jaren 1950 en begin jaren 1960, met steun van de industrie en financiering van de luchtmacht, met de ontwikkeling van APT (Automatically Programmed Tool) 8. In de loop van de jaren werd het min of meer de facto de standaard programmeertaal en het werd tot in de jaren zeventig van de vorige eeuw op grote schaal gebruikt. De in APT vastgelegde codes lagen aan de basis van 8 Zie: https://en.wikipedia.org/wiki/APT_%28programming_language%29 12  de later ontwikkelde G-codes en worden nu nog vaak gebruikt. Electronic Industry Alliance standaardiseerde nadien G-code in de vroege jaren ’60. Eens het probleem van de tijdrovende berekeningen opgelost was, kon de in de VS ontwikkelde NC- technologie zich in de lokale industrie veel sneller doorzetten dan in Europa. Veel projecten werden bovendien financieel door de staat ondersteund zoals bijvoorbeeld de vervaardiging van militaire producten. Om een snellere doorbraak van NC te bevorderen, kocht het Amerikaanse leger 120 NC- machines en leende deze uit aan verschillende fabrikanten, zodat zij meer vertrouwd konden raken met het idee. Dankzij dergelijke initiatieven en door defensieopdrachten bouwden Amerikaanse fabrikanten zoals Kearney & Trecker een enorme voorsprong op (Figuur 2-5 en Figuur 2-6). Figuur 2-5: Voorpagina van het jaarverslag uit 1958 van Kearney & Trecker met daarop hun Milwaukee-Matic bewerkings- centrum (zonder de besturingskasten). Onderaan is de ponsband te zien waarmee commando’s naar de machine gestuurd konden worden. 13 In het Verenigd Koninkrijk had CVA Ltd sinds de Tweede Wereldoorlog banden met Kearney & Trecker, wat hen een voordeel gaf bij de ontwikkeling van deze nieuwe technologie. In de beschrijving van hun eigen geschiedenis beweren zij dat in 1956 "de eerste Europese numeriek gestuurde contourfreesmachine werd ontwikkeld in samenwerking met Ferranti, en deze werd geïnstalleerd bij DeHavilland Propellers Lostock…" (Figuur 2-7) 9. Figuur 2-6: Het volledige toestel, inclusief besturingskasten. Dankzij de geavanceerde ontwikkelingen op eigen bodem waren Amerikaanse fabrikanten van NC- machines, zelfs wereldwijd, commercieel zeer succesvol. Het is echter pas vanaf ongeveer 1956 wanneer Figuur 2-7: De eerste NC-bewerkingsmachine die in Europa werd vervaardigd in 1956. 9 Zie: https://www.mybrightonandhove.org.uk/topics/technology/inventions/technology 14 de grote Japanse leveranciers zoals Fanuc zich op deze markt geworpen hebben dat NC echt doorbrak als productietechniek (Figuur 2-8). Figuur 2-8: De NC ponsmachine van Fanuc uit 1956. Ondertussen wordt vanaf 1957 door verschillende bedrijven (onder andere GE, GM, IBM, Itek) gewerkt aan de eerste grafische CAD-systemen. In eerste instantie kon men klassiek gemaakte tekeningen inscannen en vervolgens op computer aanpassen. Extra software kon de lijnen dan omzetten in een 3D-vorm en uitvoeren naar APT voor verzending naar bewerkingsmachines. Op die manier realiseerde men dus al vroeg een rudimentair end-to-end CAD/CAM/CNC-productiesysteem (commercieel beschikbaar vanaf 1962). Voor de eerste grafische gebruikersinterface is het nog wachten tot 1963 wanneer Sketchpad wordt gedemonstreerd (Figuur 2-9), alweer ontwikkeld aan MIT. 10 Sketchpad maakte het mogelijk om met behulp van een lichtpen lijntekeningen rechtstreeks in de computer in te voeren wat uiteraard zeer interessant is bij het communiceren van zaken als de vorm van een mechanisch onderdeel. Figuur 2-9: Ivan Sutherland geeft een demo van zijn nieuw ontwikkelde GUI Sketchpad. Samengevat kunnen we stellen dat in nauwelijks vijftien jaar de basis gelegd werd, zowel wat betreft hardware als software, van computer gebaseerd ontwerpen, van numeriek gecontroleerde vervaardiging 10 Zie: https://medium.com/cnc-life/history-of-cnc-machining-part-2-the-evolution-from-nc-to-cnc-4b9fe1653536 15 van stukken en zelfs van de integratie van beide processen. Het grootste deel van die ontwikkelingen gebeurde in de VS. Vanaf dan worden de dan beschikbare bouwstenen van de technologie steeds verder verfijnd, niet enkel in de VS, maar ook in andere landen (zowel door bedrijven als academische instellingen). Vanaf het begin van de jaren zestig werkten drie Duitse universitaire instituten - de TH Aken, de TH Stuttgart en de TU Berlijn - op basis van APT aan een nieuwe programmeertaal die beter zou beantwoorden aan de productie-eisen van de Duitse industrie. Het resultaat van dat werk was de programmeertaal en het programmeersysteem EXAPT (EXtended Subset of APT). Met EXAPT werd voor het eerst de mogelijkheid geboden om geometrie en technologie van verschillende bewerkingstaken te programmeren met computer-ondersteuning. Het was mogelijk om NC-programma’s parameter-gestuurd te maken, bijv. voor varianten van onderdelenfamilies, en om het gemaakte programma te inspecteren met behulp van een visualisatie. In 1967 is het systeem EXAPT 1 voor boor- en eenvoudige freeswerkzaamheden beschikbaar. In 1969 begint de industriële toepassing van EXAPT 2 voor de programmering van 2-assige NC-machines. Deze systemen kunnen beschouwd worden als de eerste commerciële CAM toepassingen. Zij worden vooral gebruikt in de automobiel- en luchtvaartindustrie. Een ander voorbeeld is UNISURF dat gebruikt werd voor het ontwerp (CAD) en de productie (CAM) van de carrosserie en de gereedschappen bij Renault. Het is echter wachten tot 1979 vooraleer de eerste CAD/CAM-koppelingen worden gemaakt en gecommercialiseerd. Op het gebied van hardware breekt met de ontwikkeling van een commerciële thyristor door de General Electric Company in 1958 het begin van een nieuw tijdperk in vermogenselektronica aan. Dergelijke ontwikkelingen spelen uiteraard ook een belangrijke rol in NC technologie omdat deze halfgeleider- apparaten gebruikt kunnen worden als goedkope, betrouwbare en efficiënte schakelaars voor vermogensomzetting en voor een efficiënte regeling van de energiestroom in NC machines. Later zijn op dat vlak natuurlijk nog veel verschillende soorten vermogenshalfgeleiders en conversietechnieken geïntroduceerd die bijna allemaal ook hun weg vonden naar NC toestellen. Figuur 2-10: Controle unit uit 1958, electronenbuizen zijn vervangen door transistoren en diodes. De ontwikkeling van transistoren (Figuur 2-10) ter vervanging van elektronenbuizen en de eerste daarop gebaseerde IC’s (Integrated Circuits, vanaf 1960) en magnetische (ring)kerngeheugens in de late jaren ’60 speelden een grote rol in de meer wijdverspreide toepassing van NC-machines. De beschikbaarheid van IC’s maakte het ontstaan van minicomputers (zoals DEC PDP-8 en Data General Nova's) mogelijk waardoor 16 numerieke besturingen goedkoper, (veel) kleiner en betrouwbaarder werden. Aan het einde van de jaren zestig werden NC-besturingen dan ook al op grote schaal in Europa gebouwd. In 1972 verschijnen de eerste NC's met een ingebouwde, standaard minicomputer (vanaf dan kunnen we dus eigenlijk spreken van CNC). Heet gevolg daarvan was dat heel het logische gedeelte van de sturing kon vervangen worden door een vrij programmeerbare computer. Dat leidde ertoe dat er een geheugen beschikbaar was. Het NC programma kon dus opgeslagen worden (in plaats van te werken met ponsbanden of andere invoermedia) en de instructies konden dus door de besturing al gelezen worden vooraleer de bewerkingen werden uitgevoerd. Op die manier kon de besturing rekening houden met mogelijke moeilijkheden (bijvoorbeeld een ondersnijding, zie verder).In vele gevallen was ook een beeldscherm beschikbaar, waarop het programma nog ter plaatse kon bewerkt worden. Dat leidde tot nieuwe programmeertechnieken voor CNC machines (werkplaatsprogrammeren, parallelprogrammering, teach-in programmering). Wereldwijde veranderingen na 1970 Steeds betere en nieuwe lithografische technieken zorgden ervoor dat transistors in de loop van de tijd altijd maar kleiner werden waardoor een eenzelfde oppervlak silicium steeds meer transistors kon huisvesten. Dat leidde in 1971 tot de uitvinding van de microprocessor, een universele chip die men door middel van software-instructies kon programmeren. Vanaf 1976 konden CNC-toestellen met een ingebouwde minicomputer stilaan vervangen worden door microprocessor CNC's. Ook programmeerbare logische controllers (PLC) werden commercieel beschikbaar. De eerste PLC werd vervaardigd omdat General Motors op zoek was naar een elektronisch apparaat dat in staat was om bedrade, op relais gebaseerde besturingssystemen te vervangen. Door deze evoluties nam het aantal toepassingen van NC spectaculair toe. Zelfs “eenvoudige” processen (boren of ponsen, buigen van pijpen,…) konden vanaf dan ook op een rendabele manier op CNC-machines gebeuren. Het programmeren van de machine kon voor deze eenvoudige toepassingen zelfs zonder computerhulp. Men kon de bewegingsopdrachten op een programmeerformulier invullen en daar vervolgens een programma van maken waarvan de instructies op een invoermedium (in vele gevallen nog steeds ponsbanden of ponskaarten) terecht kwamen (het zogenaamde handprogrammeren). Vanaf 1968 leverden de weer ontluikende Duitse luchtvaart- en automobiel-industrie bijkomende impulsen voor de binnenlandse Duitse werktuigmachine industrie. Zij waren op zoek naar nieuwe concepten voor machines die snel en met hoge precisie konden worden omgebouwd, naar vlakfreesmachines en portaalvormige freesmachines (die tot acht parallelle hoofdspindels hadden) voor groot formaat bewerkingen en naar bewerkingscentra met een hoge mate van automatisering. Een andere grote groep potentiële gebruikers waren de kleine en middelgrote toeleveranciers van deze industrieën. Maar al gauw gave nieuwe economische tendensen een andere wending aan de evolutie van de NC industrie. In het begin van de jaren '70 van de vorige eeuw leek CNC-bewerking een rendabele oplossing te bieden voor de trage economische groei en de stijgende arbeidskosten. Bovendien begon wereldwijd de ontwikkeling van een consumentenmarkt. Dit wil zeggen dat bijna alle producten onderhevig werden aan snellere product-veranderingen en een verminderde levensduur. Het logische gevolg: er trad een verschuiving op van massaproductie naar kleinere batchgroottes. In plaats van rigide massaproductie op mechanische automaten en transportbanden werden steeds flexibelere maar ook goedkopere NC- 17 machines noodzakelijk om aan deze veranderde productieomgeving te beantwoorden. Ook de toename in complexiteit van de producten (als gevolg van het toegenomen gebruik van CAD-systemen) vereiste de inzet van moderne gereedschapsmachines. Deze machines konden immers sneller geprogrammeerd worden door computergegevens rechtstreeks vanuit het CAD-systeem te gebruiken. Aan het begin van die periode gaat het onderzoek in CAD langzaam over van 2D naar 3D 11. 2D ontwerpen sluit nauw aan bij de tot dan gebruikelijke manier om technische tekeningen te maken. CAD software maakt dus gebruik van 'platte' tekeningen van producten of structuren. Deze tekeningen zijn opgebouwd uit lijnen, cirkels, curven en dergelijke. Om het gebruiksgemak te verhogen bevat de software vaak bibliotheken van modellen, Bézier curves, splines en polylijnen. 3D CAD-systemen maken in wezen een realistisch model van hoe het ontwerp er in de echte wereld uit kan zien. Eén van de voordelen hiervan is dat ontwerpers gemakkelijker fouten in het ontwerp vinden die ze met 2D ontwerpen over het hoofd zouden zien. Mijlpalen in de overgang van 2D naar 3D ontwerpen zijn onder andere de uitvinding van NURBS (Non- Uniform Rational B-Splines), die de basis vormden voor moderne 3D-curve- en oppervlaktemodellering, en de ontwikkeling van PADL (Part and Assembly Description Language). ADAM, een CAD-software die als basis werd gebruikt voor commerciële CAD-softwaresystemen, werd in 1972 uitgebracht. CATIA (Computer- Aided Three Dimensional Interactive Application) werd later in 1977 uitgebracht en bracht ingenieurs in de wereld van 3D-modellering. Al deze software draaide echter nog altijd alleen op grote en dure mainframecomputers. De combinatie van al deze ontwikkelingen leidden ertoe dat er behoefte was aan: Drie- en vijf-assige freesmachines met gelijktijdige interpolatie volgens alle assen, Flexibele productiecellen en een zeer hoge mate van automatisering bij de werkstuk- en gereedschaps- behandeling en bij de bewerking. Sinds de jaren zeventig hadden enkele grote bedrijven de eerste flexibele productiesystemen (Flexible Manufacturing Systems, FMS) ontworpen en geïnstalleerd. Deze bestonden uit meerdere onderling vervangbare of complementaire NC-machines en een gemeenschappelijk werkstuktransport- en besturingssysteem. Op dergelijke systemen konden op een rendabele manier zowel individuele artikelen als kleine en middelgrote batchgroottes op bestelling worden geproduceerd. Hoge snelheid verspaningsmachines voor het maken van matrijzen en gereedschappen, De Amerikaanse onderzoekers en industrie concentreerden zich op software en high-end industrieën zoals de luchtvaart. Ze verwaarloosden echter de verdere ontwikkeling van hun toestellen. De snel opeenvolgende verbeteringen van de numerieke sturingen hadden een belangrijke impact op alle types machines en vergden nieuwe, aangepaste machineontwerpen. Deze werden door Amerikaanse fabrikanten niet op tijd gerealiseerd en dat leidde al snel tot het faillissement van verschillende Amerikaanse fabrikanten. Door zich te richten op de goedkope markten werd Duitsland in één decennium (1970 - 1980) de grootste exporteur van gereedschaps-machines. Illustratief hiervoor is dat de 10 grootste CNC bedrijven in 1971 allemaal uit de VS kwamen, maar dat in 1987: enkel Cincinnati Milacron over was (en dan nog pas op de 8ste plaats). In het begin werden aan de bestaande machineconcepten die hun waarde bewezen hadden door de Duitsers eenvoudigweg uitbreidingen toegevoegd, zonder het basisconcept wezenlijk te moderniseren. Deze machines waren echter te complex en dus onrendabel voor de "normale" industrie! Alleen meer eenvoudige, goedkopere concepten brachten de dringend noodzakelijke doorbraak in de algemene machinebouw. 11 Voor de historiek van CAD, zie: https://www.scan2cad.com/cad/cad-evolved-since-1982/ 18 Maar ook Japan (bedrijven zoals FANUC, Mitsubishi, Okuma, Mazak …) promootte in diezelfde periode met grote investeringen de productie van NC werktuigmachines. En ook zij richtten zich op eenvoudige, goedkope NC-machines, maar wel gebouwd volgens de laatste normen. Al snel was het mogelijk om uit voorraad en tegen ongelooflijk lage prijzen te leveren. Deze toestellen waren volgens andere specificaties ontworpen: standaard machines in serie zonder grote aanpassingen, betrouwbaar, met serie-NC sturingen die niet vrij gekozen konden worden. Klantspecifieke aanpassingen werden consequent afgewezen. Terwijl de Duitse fabrikanten van oudsher de Europese regio bevoorraadden, had Japan zich vanaf het begin strategisch op de wereldmarkt gericht, met de focus eerst op de VS en later ook Europa. In het midden van de jaren tachtig had Japan Duitsland ingehaald wat betreft zijn aandeel van de wereldmarkt! Pas in het begin van het volgende decennium slaagde de Duitse industrie erin zich te herpakken. Een niet te onderschatten rol werd gespeeld door de nieuwe, krachtige en dialooggerichte NC-programmeersystemen, die zowel beschikbaar waren als losstaand programmeerstation maar ook direct gekoppeld aan de machines. Door het gebruik van nieuwe, zeer dynamische aandrijvingen werden de machines ook steeds sneller. In de jaren tachtig van de vorige eeuw, toen de kosten van op microprocessors gebaseerde hardware daalden en “local area networks” (LAN) ontstonden, daalden de kosten van CNC-machines nog verder en werden deze toestellen ook meer en meer bereikbaar voor kleinere bedrijven. In de tweede helft van de jaren '80 werden minicomputers en grote computerterminals vervangen door netwerkstations, file servers en personal computers (PC's), waardoor de CNC-machines niet langer het voorrecht bleven van universiteiten en grote bedrijven (die zich tot dan als enigen de dure computers konden veroorloven). Tegenwoordig draaien NC besturingen op PC-moederborden waardoor de koppeling met andere PC’s eenvoudig is en men met “Windows”achtige bedieningen kan werken. Deze democratisering van de hardware en het feit dat kleine computers steeds krachtiger werden, had natuurlijk ook gevolgen voor de software die erop kon draaien. Autodesk's AutoCAD, geïntroduceerd in 1982, was het eerste 2D CAD-programma dat specifiek voor personal computers werd gemaakt in plaats van voor mainframecomputers. Een belangrijk keerpunt voor zowel CAD als CAM was de overstap van UNIX besturingssystemen naar PC in de jaren negentig. Zowel CAD als CAM werden toen veel toegankelijker voor miljoenen ingenieurs en algemene consumenten die zich voorheen de software niet konden veroorloven. In 1994 maakte Autodesk zijn programma AutoCAD compatibel met 3D-ontwerpen. In 1995 werd SolidWorks uitgebracht, ontwikkeld met het uitdrukkelijke doel het CAD-ontwerp toegankelijker te maken voor een bredere populatie, gevolgd door Autodesk Inventor in 1999, dat nog intuïtiever in gebruik was. Tegen het einde van de vorige eeuw waren veel van de originele CAD-ontwikkelaars uit de jaren zestig overgenomen door nieuwere, grotere bedrijven. Deze bedrijven hebben zich uiteindelijk geconsolideerd tot de vier huidige belangrijke concurrenten: Autodesk, Dassault Systèmes, PTC en UGS (nu Siemens PLM). Het begin van de 21e eeuw bracht een periode van relatieve rust in CAD-software met zich mee. In plaats van nieuwe, innovatieve software te introduceren, waren leveranciers nu geïnteresseerd in product data management (PDM), waarbij ze probeerden het concept, het ontwerp en de productietijd te verkorten. Ford's introductie van de Ford Mondeo bewees dat dit mogelijk was eind 2000. De Ford Mondeo werd ontworpen via het internet met behulp van Ford's C3P (CAD/CAM/CAE/PDM) platform, in een derde van de tijd die traditioneel nodig was. Dit succes bewees dat de integratie van CAD-software, PDM en het internet de perfecte manier voor ontwerpers en ingenieurs bood om samen te werken en op een 19 tijdsefficiënte en handige manier te creëren. Het gebruik van PDM en PLM (product lifecycle management) kan potentieel ontwikkeltijden verkorten en de workflow verhogen. Besluit Het voorgaande, korte overzicht van de historische ontwikkelingen die geleid hebben tot de ontwikkeling van numerieke controle moet duidelijk gemaakt hebben dat numerieke besturing (Numerical Control, NC) in essentie betekent dat men met behulp van een lijst van coördinaten de beweging van zowel gereedschappen als werkstukken bestuurt. Om dat te kunnen moet het toestel minstens beschikken over: 1. Een programmeermogelijkheid. Dit behelst zowel soft- als hardware componenten: a. een taal om bewegingen en andere eenvoudige instructies (bijvoorbeeld een gereedschapswissel) te formuleren. In de meest eenvoudige uitvoering kan een beweging geprogrammeerd worden in de vorm van een lijst met coördinaten van punten waarlangs het gereedschap of de slede moet bewegen in een gegeven tijdspanne. b. een interface om deze instructies aan de machine door te geven, c. een geheugen om instructies tijdelijk op te slaan d. een eenheid waarmee de machine zelf en in real-time berekeningen kan uitvoeren, 2. Hardware (waaronder een servomechanisme) om de geprogrammeerde bewegingen ook daadwerkelijk uit te voeren Hoe beide essentiële onderdelen geïmplementeerd zijn in zowel oudere als hedendaagse machines wordt in de volgende hoofdstukken uit de doeken gedaan. 20 Hoofdstuk 3 De allereerste NC machine De basisprincipes van numerieke controle zijn in essentie nog steeds dezelfde als degene die toegepast werden in de allereerste machine, ontwikkeld bij MIT. De manier waarop deze principes in moderne machines in de praktijk worden gebracht verschilt uiteraard omdat ondertussen heel wat nieuwere, meer performante technologie beschikbaar is. Niettemin is het zinvol om de allereerste NC machine in detail te bestuderen omdat deze basisprincipes in dat toestel in hun meest eenvoudige vorm en helder naar voor komen. Dat is dan ook wat we in dit hoofdstuk gaan doen. We gebruiken daarvoor om te beginnen de integrale conference paper die in 1952 gepresenteerd werd door twee leden van het team dat de machine ontwikkelde en die trouwens maar vier pagina’s lang is. 21 Paper: A numerically controlled milling machine 22 23 24 25 Hoofdstuk 4 Overzicht van de huidige stand van de technologie Hoewel de eerste NC machines al de werkingsprincipes en belangrijkste kenmerken van de latere, meer geavanceerde numeriek gecontroleerde toestellen in zich droegen, is er in de voorbije zeventig jaren toch ook heel wat evolutie en vooruitgang geweest op gebied van functionaliteit en sturing. In dit hoofdstuk zullen we een overzicht geven van de huidige stand van de technologie en hoe deze afwijkt van de mogelijkheden van de allereerste machines. Daarbij ligt de nadruk op een beschrijving van de mogelijkheden en (toch ook nog) beperkingen van moderne machines, zonder diep in te gaan op de onderliggende implementatie hiervan. Wat er precies onder de motorkap van de machines gebeurt is stof voor de volgende hoofdstukken. Twee, drie-, vier-, …, x-assige machines: vooruitgang bij besturing Contour-, lijn- en punt tot punt-besturing De eerste NC machine beschikte over drie loodrecht op elkaar staande assen (X, Y en Z) die alle drie numeriek bestuurd werden. Twee van deze assen controleerden de positionering van het gereedschap, de derde as bepaalde de positie van de slede waarop het werkstuk bevestigd was. De aandrijvingen veroorzaakten een translatie langsheen deze drie assen. We laten hier dus de aandrijving van de snijbeweging (de rotatie van de frees) buiten beschouwing. In principe kon het toestel continu bewerken tijdens de beweging langs deze drie assen. Deze modus wordt vandaag de dag “contourbesturing” genoemd: terwijl het gereedschap en/of het werkstuk ten opzichte van elkaar bewegen langs een geprogrammeerde baan in de ruimte of in een vlak wordt gelijktijdig een bewerking uitgevoerd. Voor een continue bewerking langs een baan in een vlak heeft men minstens twee aangedreven en numeriek gecontroleerde assen nodig (op voorwaarde dat het bewerkingsvlak samenvalt met het vlak van deze assen, Figuur 4-1). Men spreekt van een twee-assige of 2D machine. Voor een continue bewerking langs een baan in de ruimte heeft men minstens drie aangedreven en numeriek gecontroleerde assen nodig. Men spreekt van drie-assig bewerken of een 3D machine. Bij het tellen van de numeriek gecontroleerde assen brengt men dus de snijbeweging (de spilrotatie van het gereedschap of het werkstuk) niet in rekening (ook bij de rest van deze bespreking is dat het geval). Figuur 4-1: 2-assige contourbesturing. 26 Contourbesturing vereist dat de verplaatsingen volgens de verschillende assen goed op elkaar afgestemd zijn zodat de positionering langs de baan voldoende nauwkeurig is en er geen onaanvaardbare afwijkingen van het geprogrammeerde pad ontstaan. In de machine van M.I.T. werd dat gerealiseerd door gekromde banen op te delen in voldoende korte, rechte stukjes. De coördinaten van begin- en eindpunt van deze baansegmentjes werden rechtstreeks in het werkstuk-programma opgenomen. In moderne toestellen kan de besturing van de machine zelf berekeningen uitvoeren om tussenliggende punten te bepalen. Alhoewel alle banen in theorie kunnen worden benaderd door lineaire interpolatie bieden CNC machines ondertussen mogelijkheden om te interpoleren volgens een cirkelbaan, volgens parabolen, splines,… tot en met het interpoleren op basis van NURBS. Dat maakt het opstellen van een NC programma heel wat eenvoudiger en beperkt ook het aantal “controle”punten dat expliciet moet opgenomen worden. Programma’s worden dus ook overzichtelijker en leesbaarder, minder foutgevoelig en er is minder geheugen nodig om het programma op te slaan. Nadeel is dan weer dat de besturing zelf over meer rekenvermogen (dus een krachtiger CPU) moet beschikken. We zullen in een later hoofdstuk zien hoe de interpolator voor elk programmablok de baanpunten berekent die tussen de begin- en eindpunten liggen. Op het geprogrammeerde eindpunt stoppen de NC-assen tegenwoordig zelfs niet maar gaan ze zonder onderbreking verder langs het volgende baangedeelte naar het eindpunt. De snelheden van de verschillende assen worden continu gecontroleerd, zodat de opgegeven snijsnelheid zo goed mogelijk wordt aangehouden. Contourbesturing ging al veel verder dan het concept dat Parsons in eerste instantie voor ogen had (zie pagina 10 en Figuur 2-3). Dat concept komt overeen met wat men vandaag de dag “punt-tot-punt” besturing noemt. In deze modus brengt men het gereedschap en/of het werkstuk eerst in een vooraf geprogrammeerde positie ten opzichte van elkaar. Alle aangedreven assen bewegen tegelijkertijd in ijlgang- modus tot elke as zijn doelpositie heeft bereikt. Pas als deze stap achter de rug is, wordt op die plaats de bewerking uitgevoerd, bijvoorbeeld het boren of frezen van een gat. Als de bewerking achter de rug is, wordt naar het volgende, te bewerken punt bewogen (Figuur 4-2). Door deze manier van werken is de baan van punt tot punt nogal onvoorspelbaar. 27 Ook voor dergelijke punt tot punt besturing moet de machine beschikken over minstens drie aangedreven en numeriek gecontroleerde assen. Twee assen om de positie van gereedschap en werkstuk ten opzichte van elkaar te bepalen (X- en Y-as in Figuur 2-3) en een derde as om de bewerking uit te voeren (de Z-as in Figuur 2-3). Omdat er alleen beweging langs twee assen gelijktijdig nodig is en de derde as pas nadien in beweging komt, spreekt men vaak over 2.5D toestellen of 2.5-assig bewerken. Bij dit type besturing is de baan van het gereedschap tijdens het positioneren natuurlijk niet zo belangrijk, enkel de nauwkeurigheid van de positionering op de punten waar bewerkt wordt is van belang. Door de beperkingen van de eerste generaties sturingen en servomotoren koos men in vroegere types NC machines noodgedwongen (en om Figuur 4-2: Punt tot punt besturing. de kostprijs van toestellen te beperken) nog vaak voor deze soort besturing. Maar ook nu worden sommige toestellen (of sommige bewerkingen) nog op deze manier bediend. Voorbeelden zijn numeriek gecontroleerde boormachines en ponsmachines. Een tussenoplossing, al wat geavanceerder dan punt tot punt besturing, maar nog niet zo complex als contourbesturing, is de zogenaamde lijnbesturing. Hierbij voert men een continue bewerking uit langsheen één enkele as (dus ofwel de X-, ofwel de Y, ofwel de Z-as, Figuur 4-3) die samenvalt met een machine-as. Dit type besturing kwam tot stand na de invoering van sterkere en beter regelbare servomotoren. Door de Figuur 4-3: Lijnbesturing. 28 technische beperkingen van dit type besturing en het huidige kleine prijsverschil met contourbesturingen zijn lineaire besturingen alleen interessant in uitzonderlijke gevallen. Eenvoudige freesmachines worden soms nog op deze manier bestuurd. Aantal bestuurde assen Tegenwoordig beschikken de meeste CNC machines op zijn minst over drie, loodrecht op elkaar staande aangedreven assen waarlangs ofwel het werkstuk ofwel het gereedschap kunnen transleren om hun onderlinge positie te controleren. Meestal duidt men deze drie assen aan als de X-, Y- en Z-as, georiënteerd volgens de gebruikelijke conventies (X- en Y-as vormen een vlak, de Z-as staat hier loodrecht op en zijn positieve zin wordt bepaald volgens de rechterhand regel). Als er bijkomende gestuurde assen aanwezig zijn, parallel aan de X-, Y- of Z-as dan worden die assen typisch aangeduid met de letters U, V en W. P, Q en R duiden nog extra assen aan, die niet noodzakelijk parallel aan de hoofdassen lopen. R wordt bij voorbeeld vooral gebruikt bij boorcycli als adres voor het referentievlak van het werkstuk, waar de Z-as van ijlgang naar aanzet overschakelt (R = referentievlak). Voor draaibewerkingen volstaan in principe twee NC assen: een translatie langsheen de rotatie-as van het werkstuk (de Z-as, in de meeste gevallen de voedingsbeweging), en een translatie loodrecht hierop (vaak de X-as) waarmee de snedediepte bepaald wordt of de voedingsbeweging bij vlakdraaien, bij in- of afsteken. Vele draaibewerkingen kunnen dus uitgevoerd worden met een 2D-sturing. Nochtans is bij draaibanken de hoofdspil ook soms als NC-as ontworpen als er aangedreven gereedschap om te boren of frezen moet worden gebruikt. Bij freesbewerkingen evenwijdig aan het XY-vlak moet de frees gepositioneerd kunnen worden volgens de Z-as (die dan evenwijdig is aan de rotatie-as van de frees). Voor dat type bewerkingen zijn dus drie NC-assen nodig. De voedingsbeweging gebeurt volgens X- en Y-as (met instelbare voedingssnelheid en volgens een geprogrammeerde baan), de instelbeweging vindt plaats volgens de Z-richting (en daarvoor is geen interpolatie nodig). Ook in dat geval spreekt men van 2.5D sturing. Als de Z-as wel volwaardig numeriek gestuurd is (inclusief gecontroleerde voedingssnelheid en interpolatie), dan heeft men te maken met een 3D-sturing. Bij 3-assig frezen met contour besturing kan de frees weliswaar elke willekeurige baan in de ruimte volgen (binnen het werkingsgebied van de machine, natuurlijk), maar daarbij blijft de frees wel steeds verticaal staan (Figuur 4-4). Het gevolg daarvan is dat men om een gewelfd oppervlak te bewerken bijna verplicht is om een bolkopfrees te gebruiken. De banen van de frees moeten dan dicht genoeg bij elkaar liggen om de Figuur 4-4: 3D frezen met een bolkopfrees (uit: H. Kals, Industriële Productie). 29 zogenaamde schulphoogte h, die een maat is voor de nauwkeurigheid van de bewerking, klein genoeg te houden. Een grotere straal r van de bolkop helpt daarbij natuurlijk ook. In de limiet, r → ∞, komt men dan uit bij een kopfrees. Dat biedt ook een aantal voordelen op gebied van spaandebiet, oppervlakte-kwaliteit en bereikbaarheid van het oppervlak. Om hiermee een gekromd oppervlak te bewerken moet de frees echter wel in twee richtingen gekanteld kunnen worden zodat ze steeds loodrecht op het oppervlak staat (Figuur 4-5). Met een 3D sturing lukt dat uiteraard niet. Tegenwoordig is het echter geen onoverkomelijk probleem om bijkomende assen tegelijk en toch nauwkeurig aan te sturen. Dergelijke bijkomende zwenk-assen worden typisch aangeduid met de letters A (rotatie rond de X-as) en B (rotatie rond de Y-as). Zij laten dus een rotatie in plaats van een translatie van gereedschap of werkstuk toe. Men spreekt in dat geval van vijf- assig of 5D frezen (Figuur 4-6). Figuur 4-6: Assen bij vijf-assig frezen (uit: H. Kals, Industriële productie). Figuur 4-5: 5D frezen met een vlakfrees (uit H. Kals, Industriële Productie). Alhoewel extra NC assen vroeger een zware beperking vormden voor numerieke sturing, is dat vandaag de dag nog nauwelijks het geval. Er bestaan ondertussen machines met heel wat meer dan vijf bestuurde assen (alhoewel ze meestal niet allemaal gelijktijdig in beweging kunnen zijn). In toenemende mate worden bijvoorbeeld ook de individuele posities in het gereedschapsmagazijn als CNC-assen benaderd. Door het gebruik van positiemeetsystemen (zie verder) zijn er dan geen andere, kostbare codeerapparaten nodig om 30 de magazijnpositienummers of het gereedschap te detecteren. Het hele proces van zoeken en veranderen van gereedschap gaat bijgevolg veel sneller. Bewerkingscentra en meer geavanceerde freestoestellen zijn bijvoorbeeld vaak uitgerust met numeriek gestuurde draaitafels. Deze maken soms alleen een indexeerbeweging zodat het stuk met één enkele opspanning toch langs verschillende kanten bewerkt kan worden. Maar in meer geavanceerde toestellen maakt de draaitafel een positioneerbeweging of zelfs een beweging die gecoördineerd verloopt met de gereedschapsbeweging. In het laatste geval moet de beweging van de draaitafel dus ook geïnterpoleerd kunnen worden en hebben we met een extra NC as te maken. Figuur 4-7: Schematische voorstelling van een meerspilautomaat (uit: H. Kals, Industriële productie). Extreem doorgedreven voorbeelden van automatisering vinden we bij de meerspilautomaten. In deze toestellen worden draai- en boorbewerkingen uitgevoerd op zes of acht parallelle spillen gelijktijdig. Op die manier kan men met één enkele opspanning een stuk volledig afwerken door het in enkele stappen (evenveel als het aantal spillen) verschillende verspanende bewerkingen te laten ondergaan. Voor elke spil zijn translerende axiale en radiale sledes voorzien met telkens het geschikte gereedschap. Een voorbeeld is te zien in Figuur 4-7. Dergelijke toestellen bestonden eerder al en werden aangestuurd door middel van mallen en tasters (en soms worden ze ook nog op die manier gebruikt), maar tegenwoordig worden ze vaak ook als CNC machines uitgevoerd. Als alle spillen en gereedschapstafels numeriek gecontroleerd worden komt men zo al snel tot machines met enkele tientallen CNC assen, zoals de Mori-Say TMZ 6-42 CNC die over maximaal 44 NC assen kan beschikken (Figuur 4-8). 31  Figuur 4-8: De Mori-Say TMZ 6-42 CNC meerspilautomaat. Bepaling van de gereedschapsbaan en gereedschapscompensatie Een ander belangrijk onderdeel van de sturing van CNC machines is de bepaling van de baan die het gereedschap moet volgen om de bewerking nauwkeurig en efficiënt uit te voeren. Bij de allereerste NC toestellen (eigenlijk tot de jaren ’60 – ’70 van de vorige eeuw) werd de baan die een vooraf bepaald punt van het gereedschap moest volgen om het juiste oppervlak te bekomen nog volledig handmatig berekend. Maar het was al snel duidelijk dat deze stap ook meer geautomatiseerd moest worden om het gebruik van NC machines echt te laten doorbreken. Aan deze opdracht zijn twee aspecten verbonden: - Om te beginnen wil men zo nauwkeurig mogelijk werken. Daartoe moet men een juiste keuze maken van het gereedschap (bijvoorbeeld de diameter van een bolkopfrees) en moet men de banen van het gereedschap zo dicht mogelijk bij elkaar te leggen. - Daarnaast wil men natuurlijk zo efficiënt mogelijk werken. Dat vereist dat: o gereedschapswissels zo veel mogelijk beperkt worden, o de totale afstand waarover het gereedschap verplaatst zo kort mogelijk is (enigszins in tegenspraak met de vereiste om de banen dicht bij elkaar te leggen), o de baan van het gereedschap zo vloeiend mogelijk is, zodat het gereedschap niet te vaak van snelheid moet veranderen (vertragen in bochten en vervolgens terug versnellen). Het volledige verspanende proces verloopt typisch in twee stappen, precies zoals bij handmatig bewerken: in een eerste stap zal men zo veel mogelijk materiaal verwijderen op korte tijd (het zogenaamde ruwen) en vervolgens zal men finisseren om de gevraagde nauwkeurigheid te behalen. Voor beide stappen (ruwen én finisseren) moet men in alle richtingen en heel nauwkeurig de afmetingen van het gereedschap kennen zodat de gereedschapsbaan correct bepaald kan worden. Het is immers zo dat de besturing in feite de baan berekent van een vast punt van de gereedschapsopname. Dat punt valt niet samen met het punt waar het gereedschap contact maakt met het werkstuk. Deze zogenaamde 32 “gereedschapscompensatie” is een erg omslachtig, complex en foutgevoelig proces. Bij nauwkeurige bewerkingen moet daarbij zelfs rekening gehouden worden met slijtage en eventueel naslijpen van het gereedschap en worden de afmetingen van tijd tot tijd opnieuw bepaald (zie verder). Als het CNC systeem over een automatische gereedschapscompensatie functie beschikt, moet de gebruiker alleen de contourlijn van het werkstuk programmeren. Vaak wordt die contour vanzelf aangeleverd uit het CAD-pakket. Het CNC systeem zal vervolgens automatisch de coördinaten van het referentiepunt van de gereedschapsopname berekenen (en eventueel aanpassen bij slijtage of vervanging van het gereedschap) om de gewenste contour te bekomen. Bij frezen moet men niet alleen de lengte maar ook de diameter van het gereedschap kennen. Voor draaibewerkingen moet men vooral rekening houden met de neusradius. Radiuscompensatie bij frezen en draaien Het meest eenvoudige voorbeeld van gereedschapscompensatie is het zogenaamde radiuscompensatie bij frezen. Figuur 4-9 illustreert deze vorm van compensatie. Bij radiuscompensatie kan de baan van het gereedschap eenvoudig afgeleid worden uit de te frezen vorm door een offset te voorzien die overal gelijk is aan de straal (“radius”) van de gebruikte frees. De straal van de frees wordt opgeslagen in een programmeerbaar gereedschapsradius-offsetregister. Het NC-systeem berekent automatisch de baan van het gereedschapsmiddelpunt aan de hand van het werkstukprogramma en de gereedschapsradius. Dit kan zowel aan de binnenkant (rechts) als aan de buitenkant (links) van de gewenste contour gebeuren. Figuur 4-9 toont het laatste. In de buurt van scherpe hoeken zal de gereedschapsbaan dan uit een combinatie van cirkelbogen bestaan, zoals te zien is in de rechterbenedenhoek van Figuur 4-9. De baan kan in deze situaties ook vereenvoudigd worden, als het tenminste toegestaan is dat de frees op sommige plaatsen niet in contact is met het werkstuk en dat de gereedschapsbaan ook bruuske overgangen vertoont (punten A en B in Figuur 4-10). 33  Figuur 4-9: Radiuscompensatie bij frezen Figuur 4-10: Radiuscompensatie rond scherpe hoeken Ook bij draaibewerkingen moet een gelijkaardige vorm van radiuscompensatie gehanteerd worden. Het snijgereedschap vertoont aan de snijkant immers ook een zekere afronding (de neusradius, R) waarmee men rekening moet houden om een correct resultaat te bekomen (Figuur 4-11). Om uit de gewenste contour z = f(x) de baan van een referentiepunt van de gereedschapshouder te berekenen moet men in dat geval ook de helling θ van de contour ten opzichte van de rotatieas van het stuk kennen. In Figuur 4-11 is de contour voorgesteld als een lineair verloop, maar dat hoeft natuurlijk helemaal niet. Stel dat het centrum C van de cirkelboog die raakt aan de snijkant als referentiepunt dient, dan is gemakkelijk te vinden dat: 𝑥𝑥𝐶𝐶 = 𝑥𝑥 + 𝑅𝑅 ∙ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜃𝜃 4-1 𝑧𝑧𝐶𝐶 = 𝑓𝑓(𝑥𝑥) + 𝑅𝑅 ∙ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜃𝜃 waarbij x en f(x) de coördinaten van het contactpunt zijn en xC en zC de coördinaten van het referentiepunt. Aangezien de hoek θ bepaald is door de afgeleide van f(x): 𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑥𝑥) 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜃𝜃 = = 𝑓𝑓′ 𝑑𝑑𝑑𝑑 34 kunnen bovenstaande uitdrukkingen ook geschreven worden als: 𝑅𝑅∙𝑓𝑓′ 𝑥𝑥𝐶𝐶 = 𝑥𝑥 + 𝑓𝑓′2 +1 𝑅𝑅 4-2 𝑧𝑧𝐶𝐶 = 𝑓𝑓(𝑥𝑥) + 𝑓𝑓′2 +1 Figuur 4-11: Radiuscompensatie bij draaibewerkingen. Gereedschapscompensatie bij twee- en meerassig frezen Het frezen van een gewelfd oppervlak met een bolfrees of een kopfrees vergt al wat meer ingewikkelde analyses omdat hierbij ook rekening gehouden moet worden met de lengte van de frees en het feit dat het contactpunt van het oppervlak met het gereedschap voortdurend verandert. De situatie is zichtbaar in Figuur 4-12. Het komt er hier dus op aan een uitdrukking te vinden voor de baan van het referentiepunt H in de gereedschapshouder rekening houdend met de creëren vorm van het oppervlak (gegeven door f(x)), de lengte L en de straal R van het gereedschap. Figuur 4-12: Gereedschapscompensatie bij twee-assig frezen met een bolfrees De afleiding in twee dimensies is relatief eenvoudig en vergelijkbaar met deze voor radiuscompensatie bij draaien. We weten natuurlijk dat de bolfrees contact maakt waar de raaklijnen van het oppervlak en de bol 35 evenwijdig zijn. Noemen we de hoek die de raaklijnen maken met de horizontale as θ. De verbindingslijn tussen het centrum C van de bol en het contactpunt maakt dan dezelfde hoek θ met de verticale as. Daaruit valt vervolgens gemakkelijk af te leiden dat: 𝑥𝑥𝐻𝐻 = 𝑥𝑥 + 𝑅𝑅 ∙ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜃𝜃 4-3 𝑧𝑧𝐻𝐻 = 𝑓𝑓(𝑥𝑥) + 𝑅𝑅 ∙ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜃𝜃 + 𝐿𝐿 waarbij x en f(x) de coördinaten van het contactpunt zijn en xH en zH de coördinaten van het referentiepunt. Aangezien de hoek θ ook in dit geval bepaald is door de afgeleide van f(x): 𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑥𝑥) 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜃𝜃 = = 𝑓𝑓′ 𝑑𝑑𝑑𝑑 kunnen bovenstaande uitdrukkingen ook geschreven worden als: 𝑅𝑅∙𝑓𝑓′ 𝑥𝑥𝐻𝐻 = 𝑥𝑥 + 𝑓𝑓′2 +1 𝑅𝑅 4-4 𝑧𝑧𝐻𝐻 = 𝑓𝑓(𝑥𝑥) + + 𝐿𝐿 𝑓𝑓′2 +1 Gelijkaardige formules kunnen ook afgeleid worden voor bewerkingen van gekromde oppervlakken in X- en Y-richting, alleen is de analyse nog iets complexer. Bij vijfassig frezen van een gewelfd oppervlak moet niet alleen de baan van het referentiepunt bepaald worden, maar ook de kanteling van de lengteas van het gereedschap. We beperken ons opnieuw tot de afleiding in twee dimensies en bij gebruik van een bolkopfrees (Figuur 4-13). Figuur 4-13: Gereedschapscompensatie bij vijf-assig frezen met een bolfrees Dezelfde analyse als eerder levert eenvoudig volgende formules op: (𝑅𝑅+𝐿𝐿)∙𝑓𝑓′ 𝑥𝑥𝐻𝐻 = 𝑥𝑥 + 𝑓𝑓′2 +1 𝑧𝑧𝐻𝐻 = 𝑓𝑓(𝑥𝑥) + 𝑅𝑅+𝐿𝐿 4-5 𝑓𝑓′2 +1 𝜃𝜃 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (𝑓𝑓 ′ ) Opnieuw kunnen gelijkaardige, maar iets complexere, formules afgeleid worden voor bewerkingen van gekromde oppervlakken in X- en Y-richting of bij bewerkingen met andere types freesgereedschappen. 36 Bepaling van de afmetingen van het gereedschap Om gereedschapscompensatie goed te kunnen uitvoeren, moet de besturing natuurlijk beschikken over afmetingen van de verschillende gereedschappen en hoe deze eventueel veranderd zijn ten gevolge van slijtage en/of bijslijpen. Deze afmetingen moeten dus opgeslagen worden in een soort geheugen (of een register) dat regelmatig wordt bijgewerkt. Figuur 4-14: Voorinstelapparaat voor de bepaling van gereedschapsafmetingen De afmetingen van het gereedschap kunnen op verschillende manieren in dat register ingevoerd worden. Ofwel gebeurt dat op basis van een meting los van de CNC machine, met behulp van een zogenaamd voorinstelapparaat (Figuur 4-14, Duits: Voreinstellgerät, Engels: Tool Presetter), ofwel op basis van een meting op de machine zelf met behulp van bij voorbeeld meettasters. De eerste mogelijkheid heeft als nadeel dat er een extra kost voor uitrusting aan verbonden is. Bij de tweede oplossing is er dan weer een kost verbonden aan het productieverlies dat met de meting op de machine gepaard gaat. Op dit ogenblik bepalen de meeste gebruikers van CNC-machines nog steeds gereedschapsafmetingen op de machine zelf. 37 Hoofdstuk 5 Het CNC machine systeem CAD/CAM/CNC systeem Overzicht 38 CNC systeem: overzicht Offline taken: o CAD: Computer Aided Design geometrisch model van het werkstuk wordt gecreëerd in 2D of 3D CAD. o CAPP: Computer Aided Process Planning Genereert noodzakelijke informatie voor het bewerken. Selectie van machine, gereedschap(pen), opspanning, bewerkingscondities, planning en bewerkingssequenties. Proces planning is zeer gecompliceerd  afhankelijk van know-how van een proces planner. o CAM Laatste off-line stadium om werkstuk programma te genereren. Gereedschapsbanen obv CAD en CAPP informatie. Checken risico op botsing tussen gereedschap(shouder) en werkstuk, minimalisatie van bewerkingstijd en wisselen gereedschap, machine- performantie in rekening gebracht. CNC systeem: overzicht Online taken: o NC bewerking: NC systeem leest en interpreteert werkstukprogramma uit geheugen en controleert de as-bewegingen. NC systeem genereert instructies voor positie- en snelheids-controle, gebaseerd op het werkstukprogramma en servo-motoren worden aangestuurd obv deze instructies. o Monitoring: Detectie van breuk van gereedschap, compensatie van thermische vervorming, adaptieve controle en compensatie van gereedschaps- vervorming obv gemeten snijkracht, warmte en stroomverbruik. o On-Machine Metingen: Inspectie van het afgewerkt werkstuk op de machine. Gebruikt om bewerkingsfouten te bepalen, feedback naar NC voor compensatie. 39 CNC systeem: overzicht Post-line taken: o Computer-Aided Inspection (CAI) Inspectie mbv CMM (Coordinate Measurement Machine) om resultaat te vergelijken met geometrisch model, om eventueel te kunnen corrigeren. Correctie kan gebeuren door aanpassingen van de gereedschaps- compensatie of door post-operation. Reverse engineering: geometrisch model aanmaken obv opgemeten coordinaten. o Post-operation = slijpen, re-machining. CNC systeem: componenten 40 CNC systeem: componenten 41 CNC systeem: componenten Componenten van het CNC systeem: o Vanuit functioneel oogpunt bestaat een CNC systeem uit: MMI (Man-Machine Interface) unit: interface tussen NC systeem en gebruiker. Vertoont de machine-commando’s op het scherm, Geeft toestand van de machine aan Laat toe om het werkstuk programma aan te passen. CNC systeem: componenten Componenten van het CNC systeem: o Vanuit functioneel oogpunt bestaat een CNC systeem uit: MMI (Man-Machine Interface) unit NCK (Numerical Control Kernel) unit Kern van het CNC systeem. Deze unit controleert het servo systeem en zorgt ervoor dat de bewerkingen daadwerkelijk plaatsvinden Hier gebeurt: - Lezen en omzetten van werkstukprogramma, - Interpolatie (lineair, circulair,…), - Positie controle en fout compensatie. PLC (Programmable Logic Control) unit Controleert taken die niet onder de servo-controle vallen: gereedschaps- wissels, spilrotatie, werkstuk-wissels, input en output dataverwerking,… 42 CNC systeem: componenten NCK unit = kern van het CNC systeem o Leest (en combineert) input data: werkstukprogramma instructies, signalen uit de terugkoppelingslussen, o Bewaart volgende servo-instructies in het geheugen (buffer) o Verstuurt commando’s naar de servo-drivers o Krijgt terugkoppelings-signalen binnen en verwerkt ze o Neemt beslissingen zoals wanneer koelvloeistof voorzien wordt, wanneer de spil begint te draaien o Interpolatie (lineair, circulair,…) o Voert wiskundige bewerkingen uit voor controle van versnelling/vertraging.  Verantwoordelijk voor servo en driver controle CNC systeem: componenten NCK unit 43 CNC systeem: NCK unit Interpreter: o Leest het werkstukprogramma, zet tekstblokken in het programma om in machinetaal en schrijft machine-instructies naar het interne geheugen voor de interpolator. o NC systeem geeft opdracht om de machine-instructies uit te voeren. Interpreter leest en vertaalt volgende programmablok terwijl het commando wordt uitgevoerd. o Indien de duur van lezen en interpreteren > duur voor uitvoeren commando  machine zou kunnen stilvallen. o Om dit te vermijden: geheugen-buffer om tijdelijk commando’s op te slaan. CNC systeem: NCK unit Interpolatie: o sequentieel lezen van data uit interne geheugen-buffer, berekenen van positie en snelheid per tijdseenheid voor elke as, opslaan van resultaat in FIFO buffer voor versnellen/vertragen controller. o Typisch: lineaire of circulaire interpolator. Meer geavanceerde systemen of toepassingen: parabool of spline (NURBS) interpolator o Interpolator genereert pulsen overeenkomstig de te volgen baan (bv. lijn, cirkel, parabool of spline) en slaat de pulsen op in de FIFO buffer. o Aantal pulsen is functie van de lengte van de baan en frequentie is functie van de snelheid. Bv: BLU = 0.002 mm/puls; d = 50 mm; v = 1 m/min  # = 50/0.002 = 25000 en freq = 1000/(60*0.002) = 8333 #/s 44 CNC systeem: NCK unit Versnellen/vertragen: o Indien positie controle zou gebeuren o.b.v. data gegenereerd door interpolator, zou dit leiden tot vibraties en schokken telkens wanneer de beweging start of stopt. o Om dit te voorkomen wordt eerst de versnellen/vertragen controle uitgevoerd vooraleer geïnterpoleerde data naar de positie controller wordt verstuurd. Deze methode wordt “acceleration/deceleration after interpolation” genoemd. Een “acceleration/deceleration before interpolation” methode bestaat echter ook. o Het resultaat van deze stap is een meer vloeiende as beweging. CNC systeem: NCK unit Positie controle: o data van de versnellen/vertragen controller wordt uiteindelijk naar de positie controller verstuurd en positie controle wordt uitgevoerd o.b.v. de doorgestuurde data in een constant tijdsinterval. o Dit systeem bestaat typisch uit een PID controller die snelheids- opdrachten naar de motor aandrijving stuurt om het positie-verschil tussen enerzijds vereiste positie en anderzijds werkelijke positie (gemeten door encoder of meetlat) te minimaliseren. 45 CNC systeem: Real-time controle Real-time Controle Systeem o Taken van NCK unit, PLC unit en MMI unit moeten uitgevoerd worden in constante tijdsintervallen. Het NC systeem is dus een complex real-time systeem. o Taakplanning: Cyclische taken [ms] CNC systeem: Real-time controle Real-time Controle Systeem o Taakplanning: positie controle, interpolatie, interpreter en MMI hebben, respectievelijk, de hoogste, de tweede, de derde en de laagste prioriteit Bv: 1ste = elke 1 ms geactiveerd, 2de = elke 2 ms, 3de = elke 4 ms Drie eerste taken hebben een vaste cyclus-tijd MMI (laagste prioriteit) gebruikt de overblijvende processor tijd nadat de cyclische taken beëindigd zijn. Dit is een niet-cyclische taak. 46 CNC systeem: Real-time controle Real-time Controle Systeem o Taakplanning: MMI, NCK en PLC behelzen zeer complexe real-time functies  typisch gebruik van individuele microprocessoren voor elke module. Echter: vooruitgang op gebied van microprocessor technologie laat tegenwoordig toe om alle units door één enkele processor te besturen.  implementatie van een eenvoudig CNC systeem is mogelijk door de functies van alle modules op te delen in cyclische en niet-cyclische taken en een real-time OS te gebruiken. CNC systeem Terugkoppelingslussen 47 CNC systeem: terugkoppelingslussen CNC controle lus: o De werkelijke gemeten snelheid en positie, worden teruggekoppeld in een controle-circuit zodat fouten in snelheid en positie kunnen gecorrigeerd (en geminimaliseerd) worden. o In de praktijk bestaat dit controle-circuit uit drie onafhankelijke terugkoppelingslussen voor elke as van de machine: De buitenste lus is de positie-controle lus, De middelste lus is de snelheidscontrole lus en De binnenste lus is de stroom-controle lus. o Over het algemeen gebeurt de positie-controle in de NC en de twee andere in de servo-sturing. CNC systeem: terugkoppelingslussen CNC controle lus: 48 CNC systeem: terugkoppelingslussen CNC controle lus: o In het spil-rotatie systeem wordt terugkoppeling van de snelheid gebruikt om de juiste rotatiesnelheid te bewaren. Terugkoppeling is typisch gebaseerd op data van een optische encoder (en veel minder vaak op een tachometer). o Het controle systeem kan geclassificeerd worden volgens vier types: Half-gesloten Gesloten Hybride Open CNC systeem: terugkoppelingslussen CNC controle lus: o Half-gesloten (of indirect meten): De positie detector is bevestigd aan de motor as en meet de hoekverdraaiing van de as (encoder): Indirecte meting van de positie van de slede Goedkoper en minder kwetsbaar meetsysteem Geen compensatie mogelijk van thermische vervorming van schroefspil, spoed-fouten en speling (treden immers niet op aan de motor-as zelf, maar verderop in het systeem) 49 CNC systeem: terugkoppelingslussen CNC controle lus: o Gesloten (of direct meten): Positie wordt gemeten op een detector (bv optisch of magnetisch liniaal) bevestigd aan de slede: Duurder en kwetsbaar (bescherming nodig tegen spanen, snijvloeistoffen) Gesloten en half-gesloten lus zijn verder zeer gelijkaardig, maar de nauwkeurigheid van de positie meting is hoger met gesloten systeem. Correctie van positioneerfouten op basis van enkel deze informatie is echter moeilijker, omdat alle foutbronnen (inertie, resonantie, stick-slip, speling,…) in het signaal aanwezig zijn waardoor dit meer ruis bevat. CNC systeem: terugkoppelingslussen CNC controle lus: o Hybride: In een hybride lus, worden de twee vorige types gecombineerd: Half-gesloten lus op basis van informatie vanwege de encoder op de motor-as Gesloten lus op basis van informatie van de directe positiemeting van de slede. De half-gesloten lus laat toe om te corrigeren met een hoge versterking (gain) vermits de machine-onnauwkeurigheden niet in het signaal aanwezig zijn. De gesloten lus laat toe om de nauwkeurigheid verder op te drijven door ook te compenseren (maar met minder “gain”) voor de fouten die niet in de half-gesloten lus aanwezig zijn. 50 Hoofdstuk 6 Hardware in CNC machines Besturingshardware De eerste numerieke besturingen werden gebouwd met relais en waren "hard-wired". Dat betekent dat alle functies onveranderlijk vastlagen in de bedrading van de sturing. Maar de eerste elektronische elementen, zoals elektronenbuizen, transistoren en geïntegreerde schakelingen (IC’s), volgden snel na elkaar. De elektronica van de huidige CNC machines is gebouwd rond microprocessoren, IC's en eventueel speciale componenten voor de servobesturingscircuits. Daarnaast zijn er elektronische datageheugens voor verschillende programma's, subprogramma's en voor veel correctiewaarden (Figuur 6-1): In ROM's en EPROM's worden voornamelijk de onveranderlijke onderdelen van het CNC- besturingssysteem opgeslagen, evenals vaste, veelgebruikte bewerkingscycli en -routines, FEPROM's worden gebruikt om gegevens op te slaan die alleen tijdens de ingebruikname kunnen worden bepaald en die onuitwisbaar moeten zijn en af en toe kunnen worden aangepast, zoals machineparameters, speciale cycli of subprogramma's, in uitbreidbare RAM-geheugens worden voornamelijk onderdeelprogramma's en correctiewaarden opgeslagen. Figuur 6-1: Enkele hardware componenten van een CNC besturing (uit CNC Handbuch). De grafische displays en dynamische simulaties vergen ook veel reken- en opslagcapaciteit. In de meeste besturingssystemen zijn daarom extra systemen nodig. Er worden speciale, door de klant ontworpen VLSI's gebruikt. Dit zijn hooggeïntegreerde micro-elektronische componenten, die speciaal zijn ontworpen volgens de eisen van de klant. Dit resulteert op zijn beurt in een klein volume, een hoge betrouwbaarheid en snelheid van het besturingssysteem en een minimum aan onderhoud later. Om fouten in de CNC sturing te voorkomen, is de elektronica ingebouwd in een elektrostatisch en elektromagnetisch afgeschermde plaatstalen behuizing. Deze moet ook olie- en stofdicht zijn, omdat afzetting van fijne metaaldeeltjes op de printplaten de bedrijfszekerheid van het systeem in gevaar brengen. Om deze reden kan geen luchtcirculatie worden gebruikt om de binnenkant van de kast te koelen, 51 zelfs niet met filters (die immers verstopt raken waardoor het koelsysteem het doet afweten). Als de warmtedissipatie via het kastoppervlak niet voldoende is, is een actieve koelunit de enige aanvaardbare oplossing. Hierdoor wordt een toelaatbare omgevingstemperaturen tot 45°C gehaald. De luchtvochtigheid mag niet hoger zijn dan 95%. De gebruiker moet vaak ook bij lagere waarden oppassen voor condensatie, wat ook leidt tot storingen en schade. Alle modules van de elektronische apparatuur bevinden zich op een of meer printplaten die in een module- rek zijn gestoken en met elkaar zijn verbonden via een interne busverbinding (Figuur 6-2) Figuur 6-2: Moderne CNC sturing geïntegreerd op één kaart. (uit CNC Handbuch). 52 CNC systeem Hardware 53 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Zetten de opdrachten van de numerieke controle om naar bewegingen van de machine o Spil-aandrijving: Zorgt voor rotatie en voldoende moment voor de snij-beweging van gereedschap (boren, frezen) of werkstuk (draaien) Rotatie van de motor wordt overge- bracht op de spil d.m.v. een riemover- brenging. Verhouding van rotatiesnel- heden is afhankelijk van de verhouding van de riemschijven 54 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Spil-aandrijving: Motoren moeten voldoende snelheid en moment kunnen leveren. Motor is meestal inductiemotor: geen borstels en daarom beter dan DC motoren wat betreft afmetingen, gewicht, inertie, efficiëntie, maximum snelheid en onderhoud. Wanneer grote momenten nodig zijn bij lage snelheid worden tandwielen gebruikt voor snelheidsreductie. CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Spil-aandrijving: (Tand)riemen zijn niet geschikt voor hoge-snelheids bewerkingen (problemen met slijtage en geluid)  “direct driving” methode. “Direct driving” = spilmotor as is rechtstreeks gekoppeld met het spillichaam of de spilmotor is ingebouwd in het spillichaam. Voordelen: geen speling, zeer kleine excentriciteit. gemakkelijke controle, variaties in moment en rotatie kunnen onderdrukt worden. Nadeel: zeer hoge kostprijs. 55 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Servomotor en transmissie: Beweging van de sledes Rotatie van servo overgezet op kogelomloopspil via koppeling en naar lineaire beweging door kogelmoer waarop slede bevestigd is. CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Servomotor: De term servomotor wordt gebruikt voor motoren die over een hoge dynamiek, een grote positioneringsnauwkeurigheid en een hoge overbelastbaarheid in een groot toerentalbereik beschikken. De overige kenmerken van een servomotor zijn: hoge toerentalnauwkeurigheid; groot instelbereik voor toerental; korte aanlooptijd; korte koppelinregeltijd; hoog stilstandskoppel; klein massatraagheidskoppel; laag gewicht; compacte constructie 56 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Servomotor: Fundamentele karakteristieken van servomotoren voor bewerkingsmachines: 1. Voldoende vermogen voor belasting. 2. Snelle respons op instructies. 3. Goede versnelling en vertraging. 4. Ruim snelheidsbereik. 5. Veilige snelheidscontrole in het volledige bereik. 6. Continu operationeel gedurende lange tijd. 7. Voortdurend versnellen en afremmen. 8. Hoge resolutie voor voldoende moment in geval van een klein blok. 9. Vlotte rotatie en hoge rotatie nauwkeurigheid. 10. Voldoende moment voor afremmen. 11. Hoge betrouwbaarheid en lange levensduur. 12. Gemakkelijk te onderhouden. CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Gelijkstroom servomotor (tegenwoordig minder gebruikt): Goedkoop (zowel motor zelf als vermogenelektronica) Moment is recht evenredig met stroom  gemakkelijk om controller te maken met eenvoudig circuit. Ruim snelheids-bereik. Vermogen (M.) voornamelijk beperkt door warmte-ontwikkeling binnenin (ten gevolge van stroom)  efficiënte warmte-afvoer noodzakelijk om groot moment te kunnen leveren. Wrijving met borstels resulteert in mechanische verliezen en geluid. Onderhoud van borstels is nood- zakelijk. 57 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Synchrone wisselstroom servomotor (meest gebruikt): Stroomtoevoer kan gebeuren van de buitenkant. Dit type motor wordt daarom ook “borstelloze” servomotor genoemd. Temperatuurverhogingen kunnen gemakkelijker tegen gegaan worden door koeling van de buitenkant. Omdat er geen AC naar DC omzetting moet gebeuren en er dus ook geen “rectification spark” is, is er geen beperking op de maximale snelheid. Dit heeft ook tot gevolg dat er een goede karakteristiek is voor het moment bij hoge snelheid. Tenslotte kan deze motor lang- durig in bedrijf blijven zonder onderhoud omdat er geen borstels zijn. Motor is gemakkelijk en snel te stoppen. CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Synchrone wisselstroom servomotor (meest gebruikt): Doordat een permanente magneet gebruikt wordt, is de structuur vrij complex en er is een positie-meting van de rotor nodig. De stroom in de behuizing bevat hoge frequenties en dit veroorzaakt “koppel-rimpels” en vibraties. (> 400 Nm haalbaar) (tot 200 Nm) (tot 10000 tr/min) 58 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – motoren: o Inductieve wisselstroom servomotor: Simpele structuur  geen detectie nodig van relatieve positie van rotor en stator. Omdat de veldstroom tijdens stoppen moet blijven bestaan, treden warmte-verliezen op en dus is dynamisch remmen niet mogelijk (itt synchrone AC servomotor) 59 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – sensoren: o Encoder: Toestel dat de huidige positie bepaalt ten behoeve van de positie- controle. Gewoonlijk ingebouwd op het einde van de motor-as. Om snelheid te controleren wordt ofwel rechtstreeks snelheid gemeten Snelheid berekend obv positie informatie (uit de encoder) en tijdsintervallen tussen de pulsen. Encoders kunnen van het optische of magnetische type zijn. 60 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – sensoren: o Optische encoder: incrementele meting Drie soorten spleten: A, B, en Z. A en B genereren een output blokgolf, Z genereert de nul-faze. Licht uitgezonden door een LED wordt gedetecteerd door fotodetectoren nadat het door een spleet in de roterende schijf en één van de spleten A, B of Z op de vaste schijf is gegaan. A en B zo opgesteld dat er als uitgangssignaal twee blokgolven met 90° faze-verschil ontstaan. Z-spleet genereert één puls per omwenteling van de encoder. Resolutie afhankelijk van de hoekverdraaiing tussen de pulsen (bv 0.36°) Richting van rotatie afhankelijk van welke pulstrein leidt. CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – sensoren: o Optische encoder: incrementele meting Eenvoudige structuur en bijgevolg goedkoop. Gemakkelijke signaal- acquisitie, want klein aantal draden. Aantal pulsen geeft geen indicatie van de absolute positie van de as, maar enkel de hoekverdraaiing. Absolute positie moet bepaald worden door aantal pulsen te sommeren.  ruis op het signaal wordt geaccumuleerd  maatregelen nodig om ruis te vermijden. Bij stroomuitval geeft decoder geen indicatie van de positie. Aantal pulsen moet omgezet in een analoog signaal proportioneel met puls- frequentie om rotatie-snelheid te berekenen. 61 CNC systeem: hardware Componenten van het aandrijfsysteem – sensoren: o Optische encoder: absolute meting Elke spleet op de schijf bepaalt de waarde van één bit. Er worden zoveel spleten voorzien, in concentrische cirkels, als er bits zi