Neformální úvod

Příprava tohoto čísla časopisu Automatizace pro mě byla příležitostí zavzpomínat na svou původní profesi „vývojáře“ řídicích systémů pro číslicové řízení obráběcích strojů v podniku Tesla Kolín (asi v letech 1968 až 1987), porovnat jejich někdejší úroveň, funkce a technické provedení se současnými špičkovými systémy. Příležitostí k poznání byl i výborně načasovaný pobyt na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně, který se letos konal o měsíc později a po světovém prestižním veletrhu obráběcích strojů EMO Hannover (obr. 1). Je potěšitelné vidět v akci špičkové obráběcí stroje a uvědomit si, že mezi jejich úspěšnými výrobci a vystavovateli je mnoho českých výrobců – tradičních a známých firem, i zcela nových. Dobře, že se nenaplnily „pohřební prognózy“ a „katastrofické scénáře“. České strojírenství se opět rozvíjí, jeho výrobky jsou konkurenceschopné i na zahraničních trzích. MSV (obr. 2) je navíc osvědčeným místem a příležitostí k přátelským rozhovorům a odborným debatám.

Obr. 1 Špičkové technologie obrábění na veletrhu EMO Hannover

Fiktivní rozhovor

Postupně mi tak byly zodpovězeny všechny připravené otázky pro tento text, jen nejsem schopen zpětně rekonstruovat, od koho jsem které odpovědi získal. Proto bude mít text formu fiktivního rozhovoru s blíže nespecifikovanými účastníky. Pouze se sluší uvést, že nejdéle jsem hovořil se svým někdejším kolegou Ing. Otomarem Švábem (nyní jednatelem firmy CNC 800, s. r. o., která se zabývá nasazováním, úpravami a programováním systémů CNC; svabo@iol.cz) a někdejším servisním technikem systémů CNC Tesla Kolín, panem Jaroslavem Kabátkem (Kopretina–elektronika; kopretina@cztech.cz), který se zabývá vývojem aplikací, nasazováním a programováním řídicích systémů a jejich servisem.

Co považujete za největší změny v oboru v číslicovém řízení obráběcích strojů od sklonku 80. let?

Především se změnily samy obráběcí stroje. Kromě tradičních dvouosých a tříosých se staly běžnými pětiosé univerzální víceprofesní stroje, na kterých lze při jednom upnutí obrobků obrobit velmi složité tvary a prostorové plochy. Kromě obvyklých tří os euklidovského prostoru lze v různých směrech natáčet či naklápět obrobek nebo vřeteno. Zvětšila se robustnost a tuhost strojů, zvýšil se rozsah rychlostí pracovních posuvů i rychloposuvů (až na desítky metrů za minutu),výrazně se změnily pohony pro posuvy i pro vřeteno. Mnohé stroje jsou koncipovány pro vysokorychlostní obrábění (HSC – high speed cutting), které podstatně zvyšuje jejich produktivitu. A řídicí systémy CNC na tento vývoj a na nové požadavky přirozeně reagují.

Co se tedy změnilo na straně CNC systémů?

Především jsou menší, a to výrazně, jen jejich operátorské panely jsou na pohled skoro stejné. Velké změny nezaznamenaly ani jejich pracovní režimy a způsoby obsluhy. Výrazně se zvýšil především výpočetní výkon použitých procesorů. Náročné numerické úlohy, které jsme dříve museli velmi důkladně promýšlet, optimalizovat a používat pro ně různé programátorské triky, se nyní mohou řešit jednoduše „hrubou výpočetní silou“.

Už se například nediskutuje o tom, kolik bloků je nutné předzpracovávat, aby při zpracování série bloků s krátkými přírůstky nedocházelo k zastavování pohybů a aby obráběná plocha byly hladká. Procesor prostě stačí všechny informace o poloze a dráze vypočítávat průběžně, nebo je počet dopředně zpracovávaných bloků dostatečný. Počet bloků (o kolik bloků programu CNC „vidí napřed“) se buď neuvádí nebo činí stovky bloků. Podobně přestal být problémem počet dopředně zpracovávaných bloků při výpočtu korekce dráhy na změnu průměru nástroje u obrábění vnitřních rohů a složitějších profilů, aby nedocházelo k jejich k nežádoucímu vybrání.

Výpočetní výkon a kapacita paměti není u moderních CNC problémem. U některých variant zůstala zachována tradiční tříprocesorová architektura – zvláštní centrální jednotka pro  geometrický podsystém (část CNC), pro logický podsystém (část PLC) a pro editor programu a obsluhou operátorského panelu. Některé varianty naopak řeší všechny úlohy jedinou centrální jednotkou. Je obvyklé, že alespoň jedna z centrálních jednotek má charakter standardního PC, případně vybaveného některou variantou operačního systému Windows. Systémy CNC tak mohou být zapojeny do sítě a využívat všechny standardní služby a programy zabudovaného počítače.

Jaké typy křivek jsou generovány při řízení pohybu?

Tradiční způsoby řízení pohybu při polohování (řízení na cílovou polohu), po úsecích přímek a kružnic (lineární a kruhová interpolace), šroubovic a spirálových křivek (při obrábění závitů) samozřejmě zůstaly. Standardem se stala „splajnová“ interpolace, při níž je dráha složena z úseků kubických parabol nebo polynomiálních křivek vyšších řádů tak, aby v uzlových bodech bylo napojení hladké (se společnou tečnou). Nejčastěji se využívá při obrábění složitých tvarů, které jsou zadány tabelárně nebo generovány automatizovaným návrhovým systémem CAD. Obvyklá je transformace souřadnic. Dovoluje naprogramovat tvar dráhy v některé souřadné rovině, a pak jej překlopit do jiné nebo libovolně natočit v prostoru.

Obr. 2 Na MSV 2005 se představili všichni významní čeští výrobci obráběcích strojů

Stále je používáno programování v blocích příkazů ve formátu podle normy ISO?

Tento tradiční způsob programování je stále zachováván a používán. V blocích ale mohou být použity příkazy vyššího typu, např. podmíněné příkazy a přechody v programu, volání podprogramů a technologických cyklů pro nejrůznější typy operací. Standardní formát ISO je nutné zachovat už s ohledem na starší uživatele. Je obvyklý i při programování přímo na CNC u stroje. Používají se i programovací jazyky vyšší úrovně. Nejproduktivnější je propojení návrhového systému CAD s obráběcím strojem. Ale i zde bývá meziproduktem program ve formátu ISO (generovaný některým z postprocesorů systému CAD pro daný typ systému CNC). Lze v něm snadno provést doplňky a korekce automaticky generovaného programu – zejména s ohledem na technologický postup.

Ale děrná páska jako nosič programu se asi už nepoužívá?

Ne, ta už je dávno historií. V určité době se používaly diskety. Dnes se program převážně přenáší sériovou komunikací (obvykle v síti s rozhraním Ethernet). Obvyklé je i přenášení programu v přenosné paměti flash, připojené k portu USB, kterým bývají systémy CNC vybaveny.

Došlo k nějaké změně v měření polohy?

V zásadě ne – pro odměřování (měření polohy) se k systémům CNC standardně připojují přírůstkové snímače nejrůznějšího provedení. Významní výrobci CNC obvykle naku- pují výrobky Heidenhain. V jejich stánku lze vidět asi nejbohatší sortiment typů – lineární i rotační snímače polohy a úhlu natočení, na principu transparentním či reflexním, různě dlouhá skleněná pravítka nebo třeba i reflexní kovové pásky, které se mohou montovat na kruhový profil. U všech se stalo standardem vyhodnocení dvoufázových sinusových průběhů s rozkmitem 1 V. Ze spojitého údaje lze získat více informace, lze pracovat s potřebným rozlišením, aniž by bylo nutné používat snímače s extrémně vysokým dělením.

Ale pokud vím, existuje mnoho dalších principů měření polohy, i zde je nabízí mnoho výrobců.

Ano, ale ty se obvykle používají k jiným účelům, například k ručnímu nebo zjednodušenému automatickému řízení jednoúčelových strojů a pomocných mechanismů, při modernizaci (retrofitu) starších obráběcích a tvářecích strojů, ale spíše s programovatelnými automaty (PLC) – všude tam, kde je třeba řešit kompromis mezi cenou a užitnými vlastnostmi, kde jsou vyžadovány extrémní nároky na mechanickou odolnost, na jednoduchou montáž, na nepříznivé provozní podmínky nebo kde je potřebný absolutní charakter informace, která je k dispozici okamžitě po zapnutí.

Pojem „absolutní“ je poněkud matoucí a má dva významy. První význam – „po zapnutí je vše automaticky obnovované v plném rozsahu“. Tyto snímače jsou obvykle řešeny v rotačním provedení s více paralelními stopami a výstupem buď přímo ve formě dvojkového čísla, nebo čísla v Grayově kódu. Druhý význam vyjadřuje vlastnost některých přírůstkových snímačů, jejichž elektronika již obsahuje obvody rozlišení směru a čítače přírůstků, takže poskytují kompletní údaj o poloze vůči určitému vztažnému bodu. Polohový údaj je obvykle předáván sériovou komunikací.

Jak lze charakterizovat pohony, kterými jsou vybavovány moderní obráběcí stroje?

Nejčastěji to jsou střídavé pohony v bezkomutátorovém provedení s permanentními magnety (tedy v podstatě synchronní motory). Každý z výrobců CNC systémů obvykle používá motory své vlastní výroby a pro    ně řeší specializované a poměrné komplikované řízení. Součástí motorů bývá i přírůstkový snímač polohy s absolutní stopou. Jsou využívány pro vlastní řízení a komutaci motorů i v řídicím systému pro řízení rychlosti a dráhy pohybu (pro regulaci v polohové i rychlostní vazbě). Pro řízení geometrie ale lze k CNC systému připojit samostatný snímač polohy (např. v lineárním provedení) a údaj snímače z motoru využívá jen pro jeho vlastní řízení (komutaci a rychlostní vazbu). Někdy lze dokonce z programu rozhodovat, který ze snímačů má výt využit. Často jsou regulátory pohonů integrovány se systémem CNC, někdy dokonce  jejich výkonová část.

Pro pohony vřeten jsou obvykle používány asynchronní motory s vektorovým řízením nebo s jinými vyspělými algoritmy řízení. Jako zajímavost lze uvést, že při výpadku sítě dovolují při brzdění roztočeného vřetena rekuperovat jeho energii tak, že je možné ještě zajistit „odskok“ nástroje z řezu, aby nedošlo k jeho poškození nebo znehodnocení obrobku.

Ing. Ladislav Šmejkal, CSc. 

Teco, a. s.