Ti sei mai chiesto cosa succede dopo aver premuto il pulsante “Cycle Start”? Quando si preme il pulsante verde “CYCLE START” sul pannello operativo, la macchina utensile inizia a muoversi secondo il programma. L'intero processo sembra "magico", ma dietro c'è un sistema molto rigoroso che collabora: un componente legge il programma, un altro converte le istruzioni in segnali elettrici, un altro fa ruotare il motore, un altro rileva continuamente il feedback di posizione e un altro controlla il refrigerante e il cambio utensile...
Questi “alcuni componenti” sono i cinque sistemi principali delle macchine utensili CNC. Comprendere questi cinque sistemi non serve solo a soddisfare la curiosità: quando la macchina utensile si guasta, puoi giudicare approssimativamente in quale collegamento si trova il problema; quando acquisisci una conoscenza più approfondita, avrai un quadro chiaro per comprendere nuovi contenuti.
Sistema 1: Dispositivo CNC (controller CNC) — Il “cervello” della macchina utensile
(Fonte immagine: Siemens) Il dispositivo CNC è il nucleo dell'intera macchina utensile, che è ciò che spesso chiamiamo "sistema CNC" o controller CNC. Il suo processo di lavoro è il seguente:
Lettura del programma: leggere il programma NC dalla memoria, dalla scheda CF o dall'interfaccia di rete
Decodifica: "traduce" istruzioni come codice G e codice M in dati che il sistema può elaborare internamente
Calcolo dell'interpolazione: secondo le istruzioni di movimento, calcola quanto ciascun asse deve muoversi in ciascuna unità di tempo (questo è il calcolo più importante: scomporre "dal punto A al punto B" in innumerevoli piccoli passi)
Emissione di istruzioni di controllo: invia la quantità di movimento di ciascun asse al servosistema sotto forma di segnali elettrici
Coordinamento delle funzioni ausiliarie: controllo delle funzioni del codice M come velocità del mandrino, cambio utensile e refrigerante
Il dispositivo CNC non solo esegue passivamente il programma, ma riceve anche un feedback di posizione in tempo reale da ciascun asse e corregge le deviazioni del movimento in qualsiasi momento. Il pannello operativo e lo schermo di visualizzazione che di solito vedi sulla macchina utensile sono l'interfaccia di interazione uomo-computer del dispositivo CNC: inserisci programmi, modifichi parametri e controlli le coordinate attraverso questa interfaccia per comunicare con il dispositivo CNC.
Sistema 2: Servosistema: i “muscoli” della macchina utensile
Il dispositivo CNC emette un'istruzione di "L'asse X si muove di 0,001 mm", ma questa istruzione deve essere convertita in un movimento meccanico reale dal servosistema. (Fonte immagine: FANUC)
Il servosistema è composto da due parti:
Servoazionamento: riceve il segnale di controllo inviato dal dispositivo CNC, lo amplifica e lo converte in energia elettrica per azionare il motore. È equivalente ad un “amplificatore di potenza” di precisione.
Servomotore: converte l'energia elettrica in movimento rotatorio meccanico. La differenza tra un servomotore e un motore normale è che il servomotore ha un encoder di posizione integrato, che può controllare con precisione l'angolo di rotazione, e la sua velocità di risposta è estremamente veloce: può avviare, arrestare o cambiare velocità in millisecondi.
Le macchine utensili CNC solitamente dispongono di più set di servosistemi:
Un servo di avanzamento per ciascuno degli assi X, Y e Z: controlla il movimento dell'utensile e del piano di lavoro
Servo mandrino: controlla la velocità di rotazione del mandrino (utensile)
Il focus del servo del mandrino e del servo dell'avanzamento è leggermente diverso: il servo dell'avanzamento persegue la precisione della posizione (la quantità di movimento deve essere precisa) e il servo del mandrino persegue la stabilità della velocità (la velocità deve essere costante durante il taglio e non può fluttuare a causa dei cambiamenti nella forza di taglio). Per le macchine utensili a cinque assi, sono disponibili due set aggiuntivi di servosistemi per controllare gli assi di rotazione (assi A/B/C) e possono esserci da 5 a 6 set di servo che funzionano contemporaneamente.
Sistema 3: Corpo meccanico della macchina utensile: scheletro e giunti
Il servomotore genera un movimento rotatorio, ma la macchina utensile esegue il movimento lineare e il posizionamento rotatorio dell'utensile. È necessario convertire la rotazione del motore in un movimento preciso delle varie parti della macchina utensile, che fa affidamento sul corpo meccanico. I componenti principali del corpo meccanico:
Basamento/Telaio: la struttura di base della macchina utensile, solitamente realizzata in ghisa o lamiera d'acciaio saldata. Un buon letto ha un’elevata rigidità e una buona resistenza alle vibrazioni, che è la premessa per garantire la precisione della lavorazione. (Macchina ottica a tre assi a due linee e un disco)
Guida/percorso lineare: il “binario” che guida il piano di lavoro e la testa del mandrino a muoversi in una direzione specifica. I moderni centri di lavoro adottano generalmente guide lineari a rotolamento, che presentano un attrito ridotto, un'elevata precisione e una risposta rapida. Le macchine utensili ad alta precisione utilizzeranno guide idrostatiche con attrito quasi nullo.
Vite a ricircolo di sfere: la parte centrale che converte il movimento rotatorio del servomotore nel movimento lineare del piano di lavoro. La vite a ricircolo di sfere trasmette la forza attraverso il rotolamento delle sfere interne in acciaio, con un attrito estremamente ridotto, e può raggiungere una precisione di posizionamento a livello di micron.
Mandrino: il componente principale che blocca l'utensile e ruota ad alta velocità. La precisione (eccentricità) del mandrino influisce direttamente sulla precisione della lavorazione e la velocità massima del mandrino determina la velocità alla quale è possibile lavorare. I mandrini ad alta velocità possono raggiungere i 40.000 giri al minuto o anche di più. (Fonte immagine: Luoyi)
Sistema 4: sistema di rilevamento e feedback: gli occhi del controllo a circuito chiuso
Questo è un sistema molto critico di cui molti principianti non sanno molto. Il sistema CNC dice al servomotore di “ruotare 10 giri”, ma come fa a sapere che il motore ha effettivamente ruotato esattamente 10 giri? Lo strumento ha effettivamente percorso la distanza richiesta? Si basa sul sistema di rilevamento e feedback, la cui funzione è misurare la posizione effettiva in tempo reale e restituirla al dispositivo CNC, consentendo al sistema di correggere automaticamente la deviazione in base all'errore.
Questo ciclo di “emissione di istruzioni → esecuzione → rilevamento di valori effettivi → confronto di deviazioni → correzione di istruzioni” è chiamato controllo a circuito chiuso, che è il meccanismo principale per garantire la precisione del CNC.
Esistono due tipi di componenti di rilevamento comunemente utilizzati:
Encoder rotativo: installato sull'albero del servomotore per rilevare l'angolo di rotazione del motore. Poiché rileva l'estremità del motore anziché l'estremità del piano di lavoro, si verificano ancora errori come la deformazione elastica della vite, che appartiene al controllo a circuito semichiuso. La maggior parte dei centri di lavoro adotta questo schema e la precisione di posizionamento è solitamente di ±0,005~0,01 mm.
Scala lineare: installata direttamente accanto alla guida della macchina utensile per misurare lo spostamento lineare effettivo del piano di lavoro. Poiché misura direttamente la posizione del piano di lavoro, elimina gli errori nei collegamenti di trasmissione come la vite a sfere, appartenenti al controllo a circuito chiuso completo con maggiore precisione (fino a ±0,001 mm). Le macchine utensili ad alta precisione e le macchine utensili di precisione a cinque assi sono generalmente dotate di righe lineari. (scala lineare RENISHAW)
Sistema 5: Sistema di funzioni ausiliarie: consente alla macchina utensile di "lavorare"
I primi quattro sistemi insieme assicurano che l'utensile possa muoversi con precisione. Ma per completare veramente la lavorazione sono necessarie una serie di funzioni ausiliarie:
Cambio utensile automatico (ATC): una delle caratteristiche più importanti dei centri di lavoro. Il magazzino utensili memorizza più utensili e il manipolatore completa automaticamente l'intero processo durante il cambio utensile, in genere impiegando solo pochi secondi. La capacità del magazzino utensili varia da 8 a più di 100 utensili.
Sistema di raffreddamento: durante la lavorazione viene generato molto calore tra l'utensile e il pezzo. Il liquido refrigerante è responsabile del raffreddamento, della lubrificazione e della rimozione dei trucioli. I metodi comuni includono il raffreddamento a spruzzo esterno, il raffreddamento interno (spruzzatura direttamente sull'area di taglio attraverso il mandrino e il foro centrale dell'utensile), ecc.
Sistema pneumatico/idraulico: utilizzato per azioni che richiedono una forza elevata, come il bloccaggio dei pezzi, le azioni di cambio utensile e il rilascio dell'utensile del mandrino.
PLC (controllore logico programmabile): il dispositivo CNC gestisce solo il controllo del movimento, mentre un gran numero di controlli della quantità di interruttori sulla macchina utensile (cambio utensile, interruttore del refrigerante, interblocco della porta protettiva, ecc.) sono gestiti dal PLC integrato. Il PLC e il dispositivo CNC collaborano per formare un sistema di controllo completo della macchina utensile.
Flusso del segnale dei cinque sistemi principali (comprendere a colpo d'occhio)
Il processo di funzionamento dell'intero sistema può essere compreso con una catena di segnali: è tutto ciò che accade dopo aver “premuto l'avvio del ciclo”, un preciso processo di controllo a circuito chiuso che si ripete migliaia di volte al secondo.
Introduzione ai principali marchi di sistemi CNC
Dopo aver compreso il ruolo del dispositivo CNC, conosciamo i principali marchi presenti sul mercato:
FANUC: un marchio giapponese con la maggiore quota di mercato globale e un tasso di occupazione estremamente elevato negli stabilimenti nazionali. Il sistema è stabile e affidabile, con un ecosistema tecnico completo, che lo rende la prima scelta per l'apprendimento entry-level (i successivi esempi di funzionamento in questa serie si concentreranno principalmente su FANUC).
Siemens SINUMERIK: un marchio tedesco, la configurazione principale delle macchine utensili di tipo europeo. SINUMERIK ONE è un sistema di installazione di macchine utensili di fascia alta con funzioni potenti e un perfetto supporto a cinque assi, ma la curva di apprendimento è ripida. È ampiamente utilizzato nei settori automobilistico e aerospaziale domestico.
Heidenhain TNC: un marchio tedesco specializzato in centri di lavoro di fresatura, con il più raffinato supporto funzionale a cinque assi e un'ottima reputazione nei settori aerospaziale e degli stampi di precisione.
I marchi nazionali si sono sviluppati rapidamente negli ultimi anni e i principali rappresentanti sono i seguenti:
| Marchio | Società affiliata | Principali vantaggi | Posizionamento sul mercato | Supporto a cinque assi |
| Huazhong tipo 9 | CNC di Huazhong | CPU domestica, indipendente e controllabile | Fascia medio-bassa, sostituzione domestica | Generale |
| GSK | CNC di Guangzhou | Vantaggio di prezzo, strutture di supporto complete | Macchine utensili economiche | Generale |
| KedeGNC62 | Kede CNC | Collegamento a cinque assi e lavorazione composita turn-mill | Mercato di fascia medio-alta | Bene |
| Syntec | Tecnologia Syntec | Forte compatibilità CAM, interfaccia user-friendly | Di fascia media, in più rapida crescita nel campo dei cinque assi | Bene |
Focus speciale: Sistema Syntec: la forza principale dei cinque assi nazionali
Tra i tanti sistemi CNC domestici, negli ultimi anni Syntec ha ottenuto risultati particolarmente importanti nel campo della lavorazione a cinque assi ed è diventato uno dei sistemi con il più alto tasso di installazione di macchine utensili domestiche a cinque assi.
I vantaggi principali di Syntec sono: compatibilità estremamente forte con il software CAM, che supporta l'output di post-elaborazione di quasi tutti i software CAM tradizionali; Il codice G è sostanzialmente compatibile con i sistemi CNC FANUC, l'interfaccia operativa è intuitiva per i principianti e il costo di apprendimento è inferiore a quello dei tradizionali sistemi europei e americani; allo stesso tempo, esegue stabilmente funzioni chiave come RTCP a cinque assi e controllo dell'asse utensile, motivo importante per cui un gran numero di produttori di macchine utensili a cinque assi scelgono Syntec come sistema di configurazione standard.
Se tu o la tua azienda state progettando di acquistare una macchina utensile domestica a cinque assi o volete comprendere lo stato di sviluppo dei sistemi domestici, potete prestare attenzione al sistema Syntec, che dispone anche di abbondanti risorse di apprendimento online. Nelle successive dimostrazioni pratiche di funzionamento di questa serie, prenderemo in considerazione anche l'aggiunta di esempi di funzionamento del sistema Syntec.
Riepilogo di questo articolo
· Dispositivo CNC: il cervello, che legge i programmi, esegue calcoli di interpolazione ed emette istruzioni di movimento
· Servosistema: i muscoli che guidano il movimento preciso di ciascun motore dell'asse
· Corpo meccanico: lo scheletro, compreso il basamento, il binario di guida, la vite a ricircolo di sfere e il mandrino
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