نگاهی کلی به ماشینهای کنترل عددی کامپیوتری CNC

بروز‌رسانی‌شده در شهریور 9, 1401

سیستم کنترل عددی (CNC)

کنترل عددی (NC) بصورت های مختلفی در قسمت کنترل ماشین مورد استفاده قرار می گیرد و با این سیستم ابعاد مشخص شده توسط کدها و اعداد معین شده کنترل می گردد با استفاده از این کدها (رمزها) به ماشین دستور داده می شود که عملیات مختلفی را انجام دهد مثل حرکت محور اصلی در جهات مختلف ،روشن وخاموش شدن دستگاه های سرد کننده و سایر عملیت بنابر این موقعیت مکانی (محل) یک شماره در دستگاه کنترل مشخص می گردد.

نگاهی کلی به ماشینهای کنترل عددی کامپیوتری CNC

• روش سی‌ان‌سی در دهه ۴۰ میلادی پدید آمد و ادامه‌دهنده روش دستگاه‌های ان‌سی (کنترل رقمی) بود. از ان‌سی در جنگ جهانی دوم برای تولید جنگ‌افزار و پیچ‌ها استفاده زیادی می‌شد.

• CNCها ماشینهای ابزار مدرن و رباتهای خودکار پیشرفته ای هستند که از کامپیوتر بعنوان بخش اساسی کنترل کننده آنها استفاده می شود. کامپیوترها در حال حاضر یکی از اجزاء اصلی برای اتوماتیک کردن دستگاهها هستند و می توانند دستگاههای مختلفی مانند ماشین های ابزار , جوش و برش با لیزر را کنترل کنند.

•در مقایسه با ماشین ابزار معمولی، Computer Numerical Control – CNC – جانشین کارهای دستی اپراتور می شود. در ماشینکاری معمولی با هدایت ابزار برنده در طول قطعه کار توسط یک چرخ دستی، قطعه کار براده برداری می شود که این چرخ دستی توسط اپراتور کنترل می گردد. به عبارت دیگر برش محدوده جسم توسط یک اپراتور ماهر بوسیله کنترل چشمی انجام می گیرد.ولی در ماشین CNC کلیه عملیات لازم در یک برنامه گنجانده می شود که بتواند با حداقل نیاز به ورودهای بعدی نتیجه لازم را بگیرد .

تاریخچه ماشینهای CNC :

ابداع کنترل عددی در سال 1952 فصل جدیدی را در امر اتوماسیون گشود. بعد از جنگ جهانی دوم نیروی هوایی آمریکا احساس کرد نیاز به تولید قطعات پیچیده و دقیق هواپیما دارد که ساخت آنها با ماشینهای ابزار معمولی مشکل است . اولین قدمها در راه توسعه یک ماشین ابزار مناسب در کمپانی Parsons  در ایالت میشیگان برداشته شد(1947) و در آزمایشگاه سرو مکانیزم انستیتو تکنولوژی ماساچوست MIT کامل شد (1949) . در سال 1952 ساخت یک فرز با کنترل اتوماتیک سه محور انجام پذیرفت.

سیستم کنترلر NC بر اساس اصول کامپیوترهای دیجیتالی می باشد که در آن زمان یک تکنولوژی پیشرفته محسوب می شد. توسعه منطقی NC کنترلهای عددی کامپیوتری  CNC بود که در آن یک کامپیوتر بعنوان بخش اصلی سیستم کنترلر انجام وظیفه می کند. رباتهای صنعتی همزمان با سیستمهای CNC توسعه یافتند و اولین ربات تجارتی در سال 1961 ساخته شد اما تا اواخر دهه 70  نقش مهمی را در تولید بازی نکردند.

روند توسعه ماشینهای CNC :

– 1949-1952اعلام نیاز نیروی هوائی ایالات متحده وساخت اولین ماشین فرز با کنترل اتوماتیک(عددی) توسط شرکت Parsons با همکاری فنی و تحقیقاتی MIT
– 1958 ابداع زبان برنامه نویسی APT
– 1959 توسعه IC
– 1972 اولین ماشین کنترل عددی با مینی کامپیوترCNC
– 1975 ساخت کنترلر فانوک سیستم 5 و 6
– 1977-1982 ساخت کنترلر Sinumerik System 7 با میکروپروسسور  4بیتی
– 1982 ساخت کنترلر Sinumerik System 8 با میکروپروسسور 16بیتی
– 1981 ساخت کنترلر Sinumerik System 3
– 1985 ساخت کنترلر Sinumerik 810- سری 800 آنالوگ
– 1986 ساخت کنترلر Sinumerik 850
– 1988 ساخت کنترلر Sinumerik 880
– 96-1995 ساخت کنترلر 810 / 840  سری دیجیتال

تفاوت سیستمهای  NC و CNC

رشد فرآیند خودکار شدن تولید نیاز به ماشین هایی که با کامپیوتر کنترل می شوند را افزایش داد و منجر به توسعه ماشین های NC تحت عنوان CNC  گردید.

سیستمهای NC از سخت افزار الکترونیکی بر پایه تکنولوژی مدارهای دیجیتالی استفاده می کردند. CNC یک مینی کامپیوتر یا میکرو کامپیوتر را برای کنترل ماشین ابزار بکار می گیرد و تا حد امکان مدارهای سخت افزار اضافی را در واحد کنترل حذف می کند.

گرایش از NC  بر پایه سخت افزار به CNC مبتنی بر نرم افزار انعطاف پذیری سیستم را افزایش داد و امکان تصحیح برنامه ها را در حین استفاده فراهم ساخت.

اصول کنترلی دستگاه : CNC

بلوک دیاگرام دستگاه  CNC

از آنجایی که یک دستگاه CNC به منظور انجام عملیات به صورت دقیق خودکار به کار می رود لذا برای کنترل آن از سیستم کنترل حلقه بسته استفاده می شود.

بررسی یک سیستم کنترل حلقه بسته:

برای کنترل خروجی یک سیستم از طریق ورودی آن لازم است که در هر   زمان از خروجی اندازه گیری به عمل آمده و ضمن تعیین انحراف آن از مقدار دلخواه فرمانی مناسب به ورودی اعمال گردد تا خروجی به میزان مطلوب برسد

اصول کنترلی دستگاه CNC و کنترل پنل CNC

برنامه ریزی دستگاه  CNC

مراحل برنامه ریزی

الف‌) ترسیم قطعه موردنظر به صورت کاملاً سه بعدی توسط نرم افزارهای cad  نظیر

•AutoCAD •Inventor •CATIA •SolidWorks •NX •PTC Creo (formerly known as Pro/ENGINEER)

ب‌) تصمیم‌گیری در مورد نوع ماشین مورد نیاز جهت عملیات

ج‌) انتخاب ابزار مورد نیاز (این قسمت می‌تواند شامل متغیرهای گوناگون باشد که معمولاً بهترین متغیرهای مربوط به حالتی‌است که کمترین زمان و بهترین کیفیت همزمان مورد توجه قرار گیرند.)

د) استفاده از نرم افزارهای CAM نظیر •CATIA •NX CAM •CAMWorks •Vero (Surfcam) •hyperMill •MasterCAM •PTC: Creo •Autodesk Inc.: HSM (Works, Express, Inventor), PowerMill, PartMaker | FeatureCAM, ArtCAM, Fusion 360 جهت استخراج کدهای‌مورد نظر از طرح کشیده شده در قسمت الف‌.

ه) مشاهده شبیه سازی حرکت قلم نسبت به قطعه کار درون نرم افزارهای شبیه ساز کامپیوتری نظیر CNCEZ, SSCNC  در صورت ‌رضایت بخش بودن این قسمت‌، فرستادن کدهای CNC استخراج شده در این قسمت به دستگاه CNC و تولید نهائی قطعه‌

 ازنظر نوع ورودی دیتا 2 نوع CNC وجود دارد

1- شکل قطعات از پیش توسط یک برنامه که در سیستم کم (CAM) تولید شده مشخص می‌گردد. معمولاً برای این منظور هنوز از استاندارد EIA-274-D استفاده می‌شود که کد جی G-Code هم نامیده می‌شود،در این استاندارد فایلها مسیر حرکت و عملکرد ترتیبی دستگاه را مشخص می‌کنند

2- در استاندارد جدیدتر ISO 10303 دستگاه‌های CNC ،فایل ورودی CAD قطعه کار را تعریف می‌کند و هر دستگاه با توجه به ابزارها و قابلیت های خود , مسیر حرکت را تولید می‌کند.

یکی از محبوب ترین نرم افزارهای مورد استفاده در صنعت نرم افزار Mastercam است این نرم افزار از سری CAM می باشد .

یکی از نرم افزار های کمپانی CNC Software در زمینه طراحی ابزارهای ماشینی و ماشین آلات مربوطه در تولید قطعات صنعتی است که با هدف مطرح شدن به عنوان یکی از بهترین نرم افزار های موجود در زمینه طراحی CAD/CAM تولید شده است. در واقع Mastercam یک برنامه نرم افزاری ساخت به کمک رایانه یا کَم (CAM) می باشد که توسط برنامه نویسان CNC و مهندسین مکانیک فعال در زمینه طراحی قطعات مورد استفاده قرار می گیرد. این نرم افزار مانند دیگر برنامه های طراحی مهندسی (CAD) به حرفه ای های دنیای صنعت فرز، تراشکاری، برش کاری و ماشین کاری کمک می کند تا به مدلسازی جامدات و سطوح و طراحی دو بعدی/سه بعدی اجزای مکانیکی و قطعات صنعتی و سپس برش دادن و یا ماشین کاری بر روی قطعات صنعتی پرداخته و عملکرد آن ها را بررسی کنند.

محیط نرم افزار Mastercam

قابلیت های کلیدی نرم افزار Mastercam:

– CAD برای برنامه نویسان CAM
– طراحی دو بعدی و سه بعدی قطعات صنعتی
– ابزارهای مدلسازی جامدات و سطوح
– دارای امکانات و ابزارهای لازم زمینه طراحی CAD/CAM
– برش بر روی قطعات، ماشین کاری بر روی قطعات صنعتی
– پیش نمایش و ویرایش آسان مدل ها و طرح ها
– ساخت قطعات با کیفیت بالا

  نمونه ای از G-Code

O1000
T1 M6
(Linear / Feed - Absolute)
G0 G90 G40 G21 G17 G94 G80
G54 X-75 Y-75 S500 M3  (Position 6)
G43 Z100 H1
Z5
G1 Z-20 F100
X-40                   (Position 1)
Y40 M8                 (Position 2)
X40                    (Position 3)
Y-40                   (Position 4)
X-75                   (Position 5)
Y-75                   (Position 6)
G0 Z100
M30

نگاه کلی به G-Code

کنترلر های مختلفی برای دستگاه های CNC موجود میباشد مانند فانوک ،هایدن هاین، زیمنس فاگورو، میتسوبیشی و…

 زیمنس و هایدن هاین از مارک هایی می باشند که در ایران فراوان استفاده می شوند

تفاوت های اینها به چگونه است منطق دریافت اطلاعات بصورت کد هائی می باشد که با G شروع می شوند

2 نوع کد وجود دارد:

     1- کدهای عمومی:

به عنوان مثال کد G01  حرکت خطی است G02 و G03 حرکت دورانی می باشند و G90 نوع مختصات را از نظر مطلق بودن یا نسبی بودن مشخص می نماید.

    2- کدهای خاص: با توجه به نوع کنترلر شاید شماره کد فرق نماید.

 به عنوان مثال G20 در زیمنس منظور انتخاب سیستم اندازه گیری متریک می باشد ولی این در هایدن هاین کد G70 این کار را امجام میدهد پس همانطور که گفته شد آموزش کدها باید با توجه به نوع کنترلر صورت گیرد

ساده ترین کد،کد G01 می باشد مثلا در خط فرمان دستگاه تراش تایپ می شود.

.G01 X20 Y34 Z30 F10 S100 M7

 دستگاه ابزار را به این نقطه ،با سرعت 10 با هر واحد از پیش تعیین شده با سرعت اسپیندل هزار و…می برد.

در بعضی موارد دستگاه می تواند مختصات را به صورت قطبی نیز دریافت کند.

کدهای جانبی مانند M و S کارهای جانبی مانند روشن کردن پمپ ماده خنک کننده ، مشخص کردن سرعت و چگونه زیر گروه کاری انتخاب می شود.  مثلا برنامه ای نوشته شود که دستگاه باید به نقاط مختلف برود و بعد از انجام عملیات در ان محل یک عمل با یک گروه عمل خاص را تکرار کند

انواع ماشین CNC

ماشین ابزارهای CNC به طور کلی به سه دسته کلّی تقسیم  می شوند:

الف-ماشین های ابزار

 ب-ماشینهای ورقکاری و ماشینهای تجهیزات ساخت

 ج-ماشینهای بازرسی کننده و کنترل کننده برای اندازه گیری ابعاد سه بعدی اجسام

ماشین ابزار CNC

الف-ماشین های ابزار

1. ماشینهای فرز
2. ماشینهای تراش
3. ماشینهای سوراخکاری
4. ماشینهای سنگ زنی دقیق
5. ماشینهای اسپارک EDM و وایرکات
6. ماشینهای لیزر
7. ماشینهای کپی تراش کنترل عددی یا مجهّز به دستگاه دیجیتایزر

ب-ماشینهای ورقکاری و ماشینهای تجهیزات ساخت

1. ماشینهای جوشکاری
2. ماشینهای پانچ
3. ماشینهای برش توسط جوش
4. ماشینهای فرم
5. ماشینهای خم کاری لوله

ج-ماشینهای بازرسی کننده و کنترل کننده برای اندازه گیری ابعاد سه بعدی اجسام

دو نمونه از ماشینهای این گروه عبارتند از:

CMM : که یک اندازه گیر سه بعدی است .

Profile Projector: سایه نگار

مزایا , معایب  و کاربردهای  CNC :

مزایا CNC : 

1- توانائی ماشینکاری قطعات پیچیده (انعطاف پذیری )
2- دقت بالا
3- تکرارپذیری
4- عدم نیاز به ماشینکار با تجربه
5- خطر کمتر برای اپراتور
6- سرعت بالا در ماشینکاری و به تبع آن کاهش زمان تولید
7- کاهش ضایعات
8- کاهش امکان خطای انسانی
9- کاهش هزینه ساخت قید وبست
10-کاهش زمان تنظیم اولیه ماشین
11-کاهش زمان اندازه گیری و کنترل
12-افزایش قابل توجه راندمان تولید

معایب CNC : 

1- قیمت نسبتا زیاد
2- تعمیر و نگهداری پیچیده تر و پرهزینه تر
3- نیاز به اپراتور حرفه ای و آموزش دیده و هزینه پرسنلی بیشتر

موارد کاربرد ماشین ابزارهای CNC :

1- تولید قطعات حساس و با دقت بالا
2- تولید قطعات با تیراژ نسبتا زیاد (کمتر از 100000)
3- ساخت قطعات پیچیده ، هر چند که تیراژ کمی داشته باشند (مانند قالب ها)

انواع CNC از نظر تعداد محورها

به طور کلی بسته به تعداد محورها، 4 نوع CNC  موجود می باشد:

• دو محوره: این نوع ماشین ها برای تولید قطعات اسباب باز یهای چوبی و یا قطعات تزیین منازل مورد استفاده قرار می گیرند. در این نوع ماشینها محور Z وجود ندارد و کاربرد صنعتی ندارند.
• سه محوره: این نوع ماشینها متداولترین  CNC های موجود می باشند که کاربرد صنعتی دارند. در این دستگاه ها شعاع حرکتی محور X در حد 8 فوت، محور Yدر حد 4 فوت و  محور Z درحدود 6 اینچ می باشد.

cnc سه محوره

• چهار محوره: اضافه نمودن محور چهارم اجازه میدهد که ابزار برش و فرز حول قطعه بچرخد.
• پنج محوره:  با این تعداد محور میتوان حول یک قطعه برشسه بعدی را انجام داد. اکثر صنایع کوچک و متوسط از CNC های 3 یا 4 محوره استفاده می کنند. CNC های 5 محوره توسط صنایع کشتی سازی، اتومبیل سازی و هواپیماسازی مورد استفاده قرار می گیرند.

نمایی از یک CNC پنج محوره

انواع CNC از نظر موتور

در ارتباط با موتور، 2 نوع موتور وجود دارد:

Stepper -1

Servo -2

موتورهای Stepper  پس از دریافت سیگنال حرکتی، در جهت مشخص به اندازه گفته شده در برنامه جابجا میشوند ولی به محض اتمام برنامه و متوقف شدن اطلاعات موقعیت نسبت به مبدا پاک میشود و کامپیوتر نمی تواند تشخیص دهد که ابزار برش دقیقاً در چه موقعیتی قرار دارد. در برش های پیچیده استفاده از این موتورها سبب بروز خطا می شود. برعکس در موتورهای Servo بعد از هر نوع حرکتی یک سیگنال حاوی اطلاعات موقعیت ابزار از طرف موتور به کامپیوتر فرستاده می شود.

دانلود آموزش نرم افزار شبیه ساز سه بعدی دستگاه تراش سی ان سی (CNC) SSCNC و آموزش مقدماتی نرم افزار CAMWORKS و جی کد گیری برای کنترلر فانوک

دانلود آموزش شبیه ساز سی ان سی sscnc برای کنترل زیمنس (SINUMERIK)