Teknologi Kontrol Numerik dan Perkakas Mesin CNC
Teknologi kontrol numerik, disingkat NC (Numerical Control), adalah cara untuk mengendalikan gerakan mekanis dan prosedur pemrosesan dengan bantuan informasi digital. Saat ini, karena kontrol numerik modern umumnya mengadopsi kontrol komputer, teknologi ini juga dikenal sebagai kontrol numerik terkomputerisasi (Computerized Numerical Control – CNC).
Untuk mencapai kendali informasi digital atas pergerakan mekanis dan proses pemrosesan, perangkat keras dan perangkat lunak yang sesuai harus dilengkapi. Kombinasi perangkat keras dan perangkat lunak yang digunakan untuk menerapkan kendali informasi digital disebut sistem kendali numerik (Sistem Kendali Numerik), dan inti dari sistem kendali numerik adalah perangkat kendali numerik (Pengendali Numerik).
Mesin yang dikendalikan oleh teknologi kontrol numerik disebut mesin perkakas CNC (perkakas mesin NC). Ini adalah produk mekatronika tipikal yang secara komprehensif mengintegrasikan teknologi canggih seperti teknologi komputer, teknologi kontrol otomatis, teknologi pengukuran presisi, dan desain mesin perkakas. Ini adalah landasan teknologi manufaktur modern. Pengendalian mesin perkakas merupakan bidang teknologi kontrol numerik yang paling awal dan paling banyak diterapkan. Oleh karena itu, tingkatan mesin perkakas CNC sebagian besar mencerminkan kinerja, tingkatan, dan tren perkembangan teknologi kontrol numerik saat ini.
Terdapat berbagai jenis mesin perkakas CNC, termasuk mesin perkakas bor, frais, dan pemboran, mesin perkakas bubut, mesin perkakas gerinda, mesin perkakas pemesinan pelepasan listrik, mesin perkakas tempa, mesin perkakas pemrosesan laser, dan mesin perkakas CNC tujuan khusus lainnya dengan penggunaan spesifik. Setiap mesin perkakas yang dikendalikan oleh teknologi kontrol numerik diklasifikasikan sebagai mesin perkakas NC.
Mesin perkakas CNC yang dilengkapi dengan pengubah pahat otomatis (ATC, Automatic Tool Changer – ATC), kecuali mesin bubut CNC dengan dudukan pahat putar, disebut sebagai pusat permesinan (Machine Center – MC). Melalui penggantian pahat secara otomatis, benda kerja dapat menyelesaikan beberapa prosedur pemrosesan dalam satu kali penjepitan, sehingga mencapai konsentrasi dan kombinasi proses. Hal ini secara efektif mempersingkat waktu pemrosesan tambahan dan meningkatkan efisiensi kerja mesin perkakas. Pada saat yang sama, hal ini mengurangi jumlah pemasangan dan pemosisian benda kerja, sehingga meningkatkan akurasi pemrosesan. Pusat permesinan saat ini merupakan jenis mesin perkakas CNC dengan output terbesar dan aplikasi terluas.
Berbasis mesin perkakas CNC, dengan menambahkan perangkat pertukaran otomatis multi-meja kerja (palet) (Auto Pallet Changer – APC) dan perangkat terkait lainnya, unit pemrosesan yang dihasilkan disebut sel manufaktur fleksibel (Flexible Manufacturing Cell – FMC). FMC tidak hanya mewujudkan konsentrasi proses dan kombinasi proses, tetapi juga, dengan pertukaran meja kerja (palet) otomatis dan fungsi pemantauan dan kontrol otomatis yang relatif lengkap, dapat melakukan pemrosesan tanpa awak selama periode tertentu, sehingga semakin meningkatkan efisiensi pemrosesan peralatan. FMC tidak hanya menjadi dasar sistem manufaktur fleksibel FMS (Flexible Manufacturing System) tetapi juga dapat digunakan sebagai peralatan pemrosesan otomatis yang independen. Oleh karena itu, kecepatan perkembangannya cukup pesat.
Berdasarkan FMC dan pusat permesinan, dengan menambahkan sistem logistik, robot industri, dan peralatan terkait, serta dikendalikan dan dikelola oleh sistem kendali pusat secara terpusat dan terpadu, sistem manufaktur semacam ini disebut sistem manufaktur fleksibel (FMS). FMS tidak hanya dapat melakukan pemrosesan tanpa awak dalam jangka waktu lama, tetapi juga mencapai pemrosesan lengkap berbagai jenis komponen dan perakitan, sehingga mencapai otomatisasi proses manufaktur di bengkel. Sistem manufaktur canggih ini sangat otomatis.
Dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi yang berkelanjutan, untuk beradaptasi dengan perubahan permintaan pasar, manufaktur modern tidak hanya perlu mendorong otomatisasi proses manufaktur di bengkel, tetapi juga mencapai otomatisasi komprehensif mulai dari peramalan pasar, pengambilan keputusan produksi, desain produk, manufaktur produk, hingga penjualan produk. Sistem produksi dan manufaktur yang lengkap yang dibentuk dengan mengintegrasikan persyaratan ini disebut sistem manufaktur terintegrasi komputer (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). CIMS secara organik mengintegrasikan aktivitas produksi dan bisnis yang lebih panjang, mencapai produksi cerdas yang lebih efisien dan lebih fleksibel, yang mewakili tahap tertinggi dalam perkembangan teknologi manufaktur otomatis saat ini. Dalam CIMS, integrasi tidak hanya peralatan produksi, tetapi yang lebih penting, integrasi teknologi dan integrasi fungsi dicirikan oleh informasi. Komputer adalah alat integrasi, teknologi unit otomatis berbantuan komputer adalah dasar integrasi, dan pertukaran serta berbagi informasi dan data adalah jembatan integrasi. Produk akhir dapat dianggap sebagai manifestasi material dari informasi dan data.
Sistem Kontrol Numerik dan Komponennya
Komponen Dasar Sistem Kontrol Numerik
Sistem kendali numerik (Numeric Control System/NCS) pada mesin perkakas CNC merupakan inti dari semua peralatan kendali numerik. Objek kendali utama sistem kendali numerik adalah perpindahan sumbu koordinat (termasuk kecepatan gerak, arah, posisi, dll.), dan informasi kendalinya terutama berasal dari pemrosesan NNU atau program kendali gerak. Oleh karena itu, komponen paling dasar dari sistem kendali numerik harus mencakup: perangkat masukan/keluaran program, perangkat kendali numerik, dan penggerak servo.
Peran perangkat input/output adalah untuk memasukkan dan mengeluarkan data seperti pemrosesan kontrol numerik atau program kontrol gerak, data pemrosesan dan kontrol, parameter mesin perkakas, posisi sumbu koordinat, dan status sakelar deteksi. Papan ketik dan layar merupakan perangkat input/output paling dasar yang diperlukan untuk setiap peralatan kontrol numerik. Selain itu, tergantung pada sistem kontrol numeriknya, perangkat seperti pembaca fotolistrik, tape drive, atau disket juga dapat dilengkapi. Sebagai perangkat periferal, komputer saat ini merupakan salah satu perangkat input/output yang umum digunakan.
Perangkat kontrol numerik (NP) merupakan komponen inti dari sistem kontrol numerik. Komponen ini terdiri dari rangkaian antarmuka input/output, pengontrol, unit aritmatika, dan memori. Peran perangkat kontrol numerik adalah untuk mengkompilasi, menghitung, dan memproses data yang dimasukkan oleh perangkat input melalui rangkaian logika internal atau perangkat lunak kontrol, serta mengeluarkan berbagai jenis informasi dan instruksi untuk mengendalikan berbagai bagian mesin perkakas agar dapat melakukan tindakan tertentu.
Di antara informasi dan instruksi kontrol ini, yang paling mendasar adalah instruksi kecepatan umpan, arah umpan, dan perpindahan umpan dari sumbu koordinat. Instruksi ini dihasilkan setelah perhitungan interpolasi, diberikan kepada penggerak servo, diperkuat oleh penggerak, dan pada akhirnya mengontrol perpindahan sumbu koordinat. Ini secara langsung menentukan lintasan pergerakan alat atau sumbu koordinat.
Selain itu, tergantung pada sistem dan peralatannya, misalnya pada mesin perkakas CNC, mungkin juga terdapat instruksi seperti kecepatan putar, arah, dan mulai/berhentinya spindel; instruksi pemilihan dan penggantian pahat; instruksi mulai/berhentinya perangkat pendingin dan pelumasan; instruksi pelonggaran dan penjepitan benda kerja; pengindeksan meja kerja, dan instruksi tambahan lainnya. Dalam sistem kontrol numerik, instruksi-instruksi tersebut diberikan kepada perangkat kontrol tambahan eksternal dalam bentuk sinyal melalui antarmuka. Perangkat kontrol tambahan melakukan kompilasi dan operasi logis yang diperlukan berdasarkan sinyal-sinyal tersebut, memperkuatnya, dan menggerakkan aktuator terkait untuk menggerakkan komponen mekanis, perangkat bantu hidraulik, dan pneumatik pada mesin perkakas untuk menyelesaikan tindakan yang ditentukan dalam instruksi.
Penggerak servo biasanya terdiri dari penguat servo (juga dikenal sebagai penggerak, unit servo) dan aktuator. Pada mesin perkakas CNC, motor servo AC umumnya digunakan sebagai aktuator saat ini; pada mesin perkakas permesinan berkecepatan tinggi yang canggih, motor linear telah mulai digunakan. Selain itu, pada mesin perkakas CNC yang diproduksi sebelum tahun 1980-an, terdapat beberapa kasus penggunaan motor servo DC; untuk mesin perkakas CNC sederhana, motor stepper juga digunakan sebagai aktuator. Bentuk penguat servo bergantung pada aktuator dan harus digunakan bersama dengan motor penggerak.
Komponen-komponen di atas merupakan komponen paling dasar dari sistem kendali numerik. Seiring dengan perkembangan teknologi kendali numerik dan peningkatan kinerja mesin perkakas, kebutuhan fungsional sistem juga semakin meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan kendali berbagai mesin perkakas, memastikan integritas dan keseragaman sistem kendali numerik, serta memudahkan penggunaan oleh pengguna, sistem kendali numerik canggih yang umum digunakan biasanya memiliki pengontrol terprogram internal sebagai perangkat kendali bantu mesin perkakas. Selain itu, pada mesin perkakas pemotong logam, perangkat penggerak spindel juga dapat menjadi komponen sistem kendali numerik; pada mesin perkakas CNC loop tertutup, perangkat pengukuran dan deteksi juga sangat diperlukan dalam sistem kendali numerik. Untuk sistem kendali numerik canggih, terkadang bahkan komputer digunakan sebagai antarmuka manusia-mesin sistem dan untuk manajemen data serta perangkat input/output, sehingga fungsi sistem kendali numerik menjadi lebih canggih dan kinerjanya pun lebih sempurna.
Kesimpulannya, komposisi sistem kendali numerik bergantung pada kinerja sistem kendali dan persyaratan kendali spesifik peralatan. Terdapat perbedaan signifikan dalam konfigurasi dan komposisinya. Selain tiga komponen paling dasar, yaitu perangkat input/output program pemrosesan, perangkat kendali numerik, dan penggerak servo, mungkin terdapat lebih banyak perangkat kendali. Bagian kotak putus-putus pada Gambar 1-1 mewakili sistem kendali numerik komputer.
Konsep NC, CNC, SV, dan PLC
NC (CNC), SV, dan PLC (PC, PMC) adalah singkatan bahasa Inggris yang sangat umum digunakan dalam peralatan kontrol numerik dan memiliki arti yang berbeda pada berbagai kesempatan dalam aplikasi praktis.
NC (CNC): NC dan CNC adalah singkatan umum dalam bahasa Inggris untuk Numerical Control dan Computerized Numerical Control. Mengingat bahwa semua kontrol numerik modern mengadopsi kontrol komputer, dapat dianggap bahwa arti NC dan CNC sepenuhnya sama. Dalam aplikasi teknik, tergantung pada penggunaannya, NC (CNC) biasanya memiliki tiga arti berbeda: Dalam arti luas, NC merepresentasikan teknologi kontrol – teknologi kontrol numerik; dalam arti sempit, NC merepresentasikan entitas dari sistem kontrol – sistem kontrol numerik; selain itu, NC juga dapat merepresentasikan perangkat kontrol tertentu – perangkat kontrol numerik.
SV: SV adalah singkatan umum bahasa Inggris untuk servo drive (Servo Drive, disingkat servo). Menurut ketentuan standar JIS Jepang, SV adalah "mekanisme kontrol yang mengambil posisi, arah, dan kondisi suatu objek sebagai besaran kontrol dan melacak perubahan acak pada nilai target." Singkatnya, SV adalah perangkat kontrol yang dapat secara otomatis mengikuti besaran fisik seperti posisi target.
Pada peralatan mesin CNC, peran penggerak servo terutama tercermin dalam dua aspek: Pertama, ia memungkinkan sumbu koordinat beroperasi pada kecepatan yang diberikan oleh perangkat kontrol numerik; kedua, ia memungkinkan sumbu koordinat diposisikan sesuai dengan posisi yang diberikan oleh perangkat kontrol numerik.
Objek kendali penggerak servo biasanya adalah perpindahan dan kecepatan sumbu koordinat perkakas mesin; aktuatornya adalah motor servo; bagian yang mengendalikan dan menguatkan sinyal perintah masukan sering disebut penguat servo (juga dikenal sebagai penggerak, penguat, unit servo, dsb.), yang merupakan inti penggerak servo.
Penggerak servo tidak hanya dapat digunakan bersama perangkat kontrol numerik, tetapi juga dapat digunakan sendiri sebagai sistem pengiring posisi (kecepatan). Oleh karena itu, ia juga sering disebut sistem servo. Pada sistem kontrol numerik awal, bagian kontrol posisi umumnya terintegrasi dengan CNC, dan penggerak servo hanya melakukan kontrol kecepatan. Oleh karena itu, penggerak servo sering disebut unit kontrol kecepatan.
PLC: PC adalah singkatan dari Programmable Controller (Pengontrol yang Dapat Diprogram). Dengan semakin populernya komputer pribadi, untuk menghindari kebingungan dengan komputer pribadi (juga disebut PC), pengontrol yang dapat diprogram kini umumnya disebut pengontrol logika yang dapat diprogram (Programmable Logic Controller – PLC) atau pengontrol mesin yang dapat diprogram (Programmable Machine Controller – PMC). Oleh karena itu, pada mesin perkakas CNC, PC, PLC, dan PMC memiliki arti yang sama persis.
PLC memiliki keunggulan respons cepat, kinerja andal, penggunaan praktis, pemrograman dan debugging yang mudah, serta dapat langsung mengendalikan beberapa peralatan listrik mesin perkakas. Oleh karena itu, PLC banyak digunakan sebagai perangkat kontrol bantu untuk peralatan kontrol numerik. Saat ini, sebagian besar sistem kontrol numerik memiliki PLC internal untuk memproses instruksi bantu mesin perkakas CNC, sehingga sangat menyederhanakan perangkat kontrol bantu mesin perkakas. Selain itu, dalam banyak kasus, melalui modul fungsional khusus seperti modul kontrol sumbu dan modul pemosisian PLC, PLC juga dapat langsung digunakan untuk mencapai kontrol posisi titik, kontrol linier, dan kontrol kontur sederhana, membentuk mesin perkakas CNC khusus atau lini produksi CNC.
Komposisi dan Prinsip Pemrosesan Mesin Perkakas CNC
Komposisi Dasar Mesin Perkakas CNC
Perkakas mesin CNC merupakan peralatan kontrol numerik yang paling umum. Untuk memperjelas komposisi dasar perkakas mesin CNC, pertama-tama perlu dianalisis proses kerja perkakas mesin CNC untuk memproses komponen. Pada perkakas mesin CNC, untuk memproses komponen, langkah-langkah berikut dapat diterapkan:
Berdasarkan gambar dan rencana proses dari bagian yang akan diproses, gunakan kode dan format program yang ditentukan, tulis lintasan pergerakan alat, proses pemrosesan, parameter proses, parameter pemotongan, dsb. ke dalam bentuk instruksi yang dapat dikenali oleh sistem kendali numerik, yaitu tulis program pemrosesan.
Masukkan program pemrosesan tertulis ke dalam perangkat kontrol numerik.
Perangkat kontrol numerik mendekode dan memproses program masukan (kode) dan mengirimkan sinyal kontrol yang sesuai ke perangkat penggerak servo dan perangkat kontrol fungsi tambahan pada setiap sumbu koordinat untuk mengontrol pergerakan setiap komponen peralatan mesin.
Selama pergerakan, sistem kontrol numerik perlu mendeteksi posisi sumbu koordinat peralatan mesin, status sakelar perjalanan, dll. setiap saat, dan membandingkannya dengan persyaratan program untuk menentukan tindakan selanjutnya hingga komponen yang memenuhi syarat diproses.
Operator dapat mengamati dan memeriksa kondisi pemrosesan serta status kerja mesin perkakas kapan saja. Penyesuaian tindakan dan program pemrosesan mesin perkakas juga diperlukan jika diperlukan untuk memastikan pengoperasian mesin perkakas yang aman dan andal.
Dapat dilihat bahwa sebagai komposisi dasar dari peralatan mesin CNC, harus mencakup: perangkat input/output, perangkat kontrol numerik, penggerak servo dan perangkat umpan balik, perangkat kontrol tambahan, dan badan peralatan mesin.
Komposisi Mesin Perkakas CNC
Sistem kontrol numerik digunakan untuk mencapai kontrol pemrosesan pada mesin perkakas. Saat ini, sebagian besar sistem kontrol numerik mengadopsi kontrol numerik komputer (yaitu, CNC). Perangkat input/output, perangkat kontrol numerik, penggerak servo, dan perangkat umpan balik pada gambar bersama-sama membentuk sistem kontrol numerik mesin perkakas, dan perannya telah dijelaskan sebelumnya. Berikut ini akan diperkenalkan secara singkat komponen-komponen lainnya.
Perangkat umpan balik pengukuran: Ini adalah penghubung deteksi pada mesin perkakas CNC loop tertutup (semi-loop tertutup). Perannya adalah mendeteksi kecepatan dan perpindahan aktual aktuator (seperti dudukan pahat) atau meja kerja melalui elemen pengukuran modern seperti enkoder pulsa, resolver, sinkronisasi induksi, kisi, skala magnetik, dan instrumen pengukuran laser, lalu mengirimkannya kembali ke perangkat penggerak servo atau perangkat kontrol numerik, dan mengkompensasi kecepatan umpan atau kesalahan gerak aktuator untuk mencapai tujuan peningkatan akurasi mekanisme gerak. Posisi pemasangan perangkat deteksi dan posisi umpan balik sinyal deteksi bergantung pada struktur sistem kontrol numerik. Enkoder pulsa terintegrasi servo, takometer, dan kisi linier merupakan komponen deteksi yang umum digunakan.
Karena semua servo canggih mengadopsi teknologi penggerak servo digital (disebut servo digital), bus biasanya digunakan untuk menghubungkan penggerak servo dan perangkat kontrol numerik (Numeric Control Device/NCD). Dalam kebanyakan kasus, sinyal umpan balik dihubungkan ke penggerak servo dan ditransmisikan ke NNC melalui bus. Hanya dalam beberapa kasus, atau ketika menggunakan penggerak servo analog (umumnya dikenal sebagai servo analog), perangkat umpan balik perlu dihubungkan langsung ke NNC.
Mekanisme kontrol bantu dan mekanisme transmisi umpan: Terletak di antara perangkat kontrol numerik dan komponen mekanis serta hidrolik mesin perkakas. Peran utamanya adalah menerima kecepatan spindel, arah, dan instruksi mulai/berhenti yang dikeluarkan oleh perangkat kontrol numerik; instruksi pemilihan dan penggantian pahat; instruksi mulai/berhenti untuk perangkat pendingin dan pelumasan; sinyal instruksi bantu seperti melonggarkan dan menjepit benda kerja dan komponen mesin perkakas, pengindeksan meja kerja, dan sinyal status sakelar deteksi pada mesin perkakas. Setelah kompilasi, penilaian logis, dan penguatan daya yang diperlukan, aktuator yang sesuai digerakkan secara langsung untuk menggerakkan komponen mekanis, hidrolik, dan perangkat bantu pneumatik mesin perkakas untuk menyelesaikan tindakan yang ditentukan oleh instruksi. Biasanya terdiri dari PLC dan rangkaian kontrol arus kuat. PLC dapat diintegrasikan dengan struktur CNC (PLC bawaan) atau relatif independen (PLC eksternal).
Badan mesin perkakas, atau struktur mekanis mesin perkakas CNC, juga terdiri dari sistem penggerak utama, sistem penggerak umpan, rangka, meja kerja, perangkat gerak bantu, sistem hidrolik dan pneumatik, sistem pelumasan, perangkat pendingin, penghilangan serpihan, sistem proteksi, dan komponen lainnya. Namun, untuk memenuhi persyaratan kontrol numerik dan memaksimalkan kinerja mesin perkakas, badan mesin perkakas telah mengalami perubahan signifikan dalam hal tata letak keseluruhan, desain tampilan, struktur sistem transmisi, sistem perkakas, dan kinerja operasional. Komponen mekanis mesin perkakas meliputi rangka, kotak, kolom, rel pemandu, meja kerja, spindel, mekanisme umpan, mekanisme pertukaran pahat, dan sebagainya.
Prinsip Pemesinan CNC
Pada peralatan mesin pemotong logam tradisional, saat memproses komponen, operator perlu terus-menerus mengubah parameter seperti lintasan gerakan dan kecepatan gerakan alat sesuai dengan persyaratan gambar, sehingga alat melakukan pemrosesan pemotongan pada benda kerja dan akhirnya memproses komponen yang memenuhi syarat.
Pemrosesan mesin perkakas CNC pada dasarnya menerapkan prinsip "diferensial". Prinsip kerja dan prosesnya dapat dijelaskan secara singkat sebagai berikut:
Berdasarkan lintasan alat yang diperlukan oleh program pemrosesan, perangkat kontrol numerik membedakan lintasan sepanjang sumbu koordinat yang sesuai dari alat mesin dengan jumlah gerakan minimum (ekuivalen pulsa) (△X, △Y pada Gambar 1-2) dan menghitung jumlah pulsa yang perlu digerakkan oleh setiap sumbu koordinat.
Melalui perangkat lunak "interpolasi" atau kalkulator "interpolasi" dari perangkat kontrol numerik, lintasan yang diperlukan dipasang dengan polyline yang setara dalam satuan "unit gerakan minimum" dan polyline yang dipasang paling dekat dengan lintasan teoritis ditemukan.
Berdasarkan lintasan polyline yang dipasang, perangkat kontrol numerik secara terus-menerus mengalokasikan pulsa umpan ke sumbu koordinat yang sesuai dan memungkinkan sumbu koordinat peralatan mesin bergerak sesuai dengan pulsa yang dialokasikan melalui penggerak servo.
Dapat dilihat bahwa: Pertama, selama jumlah gerakan minimum (ekuivalen pulsa) dari mesin perkakas CNC cukup kecil, poliline yang dipasang yang digunakan dapat secara ekuivalen menggantikan kurva teoretis. Kedua, selama metode alokasi pulsa sumbu koordinat diubah, bentuk poliline yang dipasang dapat diubah, sehingga mencapai tujuan mengubah lintasan pemrosesan. Ketiga, selama frekuensi...