ماشین CNC یا ماشین ابزار چیست؟

کنترل عددی نوعی برنامه نویسی برای اتوماسیون ماشین است و اگر توسط کامپیوتر انجام شود به آن کنترل عددی کامپیوتری (CNC) می گویند. بنابراین، ماشین CNC نوع متفاوتی از ماشین نیست، بلکه ابزارهای عمومی مانند تراشکاری، فرز، سنگ زنی، جوشکاری، چاپ، برش لیزری یا جت آب است که برای کنترل کامپیوتری بهینه شده است.

نکته: وقتی عنوان دستگاه CNC در سخنرانی غیر تخصصی استفاده می شود، معمولاً به معنای دستگاه فرز CNC است.

ماشین های CNC چگونه به وجود آمدند؟

سال ها پیش، در دهه چهارم، پروژه اتوماسیون ابزار ماشینکاری با اهداف زیر آغاز شد:

• یک قطعه باید در کارگاه های مختلف یکسان ساخته شود.
• ساخت قطعات بدون حضور فیزیکی افراد امکان پذیر است.
• تاثیر خطای انسانی تا حد امکان به حداقل رسیده و از بین رفته است.
• ساخت دستگاه منحنی و نامنظم بدون استفاده از شابلون امکان پذیر است.

تلاش محققان بی پاسخ نماند و پس از حدود دو سال ماشین های CNC ساخته شدند! با این راه حل، هر رقم معادل یک فرمان خاص است و دستگاه می داند که با رقم اول روشن شود، ابزار را با رقم دوم در جهت مثبت حرکت دهد و…
صحبت از دورانی است که ده سال با ظهور سیستم عامل ویندوز فاصله دارد! و چالش اصلی این است که چگونه می توان مفهوم کدهای عددی را در دستگاه درک کرد!؟

در پاسخ، راه حل های مختلفی ارائه شد که محبوب ترین آنها نوار سوراخ شده بلند بود که به موجب آن هر ردیف تعداد مشخصی از سوراخ ها و چیدمان دستگاه را نشان می داد. (تصور کنید که مهندسان آن زمان به جای کامپیوتر جلوی یک دستگاه پانچ می نشستند و کدهای خود را به صورت سوراخ روی نوار ایجاد می کردند)
در دهه 1950 و 1960، پیشرفت کامپیوترها از یک طرف و سرو موتورها (برای کنترل محورها) به رفع نیاز به نوارهای پانچ کمک کرد! سروموتورها را می توان با کمک سیگنال روشن و خاموش کرد یا سرعت چرخش آنها را تنظیم کرد تا اتصال بین کامپیوتر و موتورها آغاز شود.
در دستگاه های CNC یک مغز متفکر یا کامپیوتر (کنترلر) وجود دارد که کاربر می تواند مستقیماً کد را وارد کند، البته این روند مدت زیادی طول نکشیده است و نرم افزار CAM آنقدر پیشرفت کرده است که دیگر نیازی به وارد کردن دستی کد نداریم! (در این مطلب بیشتر با CAM آشنا خواهید شد)
در فناوری فعلی، اپراتور شکل قسمت های شروع و پایان، پارامترها و مسیر ابزار را تعریف می کند تا کدها به طور خودکار تولید شوند، سپس کامپیوتر خود را با کابل به کنترل کننده دستگاه (رایانه ماشین) متصل می کند تا کدها نوشته شوند.

چه زمانی به دستگاه CNC نیاز دارید!؟

تاریخچه ماشین‌های CNC آمیخته با شور و شوق و تصمیمات احساسی است، بنابراین بسیاری از کارگاه‌ها و مراکز تولیدی به آن‌ها نیازی ندارند، اما برای تکمیل نمایشگاه خود تجهیزات خریداری می‌کنند یا کارگاهی بر اساس خدمات تراشکاری یا فرز CNC می‌سازند.

مهم این است که فکر نکنید یک ماشین CNC با ماشین اصلی متفاوت است، به عنوان مثال دستگاه برش لیزر CNC چیزی بیش از یک دستگاه برش خودکار نیست، اما حالت کار آن به صورت خودکار یا سنتی است. اگر قطعاتی که تولید می‌کنید دقت بالایی لازم داشته باشند می توانید به آن فکر کنید.

برخی از قطعات دقت بالایی دارند و استفاده از تجهیزات CNC راه حل خوبی است.

اگر شکل قطعات پیچیده است!

تا حدی شکل کف یا سطح منحنی به صورت نقشه دو بعدی اندازه گیری نمی شود و کنترل ابزار برای موتورها غیرممکن است! نرم افزار CAM می تواند آنها را شناسایی کند و به راحتی ابزارهای متنوعی را در جهت ساخت این لبه ها ایجاد کند.
بنابراین، ماشین های CNC در ماشینکاری پیوست، ساخت ابزار، مدل سازی مهندسی معکوس و غیره کاملا ضروری هستند.

اگر اهل جستجو و پژوهش هستید!

در آزمایشگاه های تحقیقاتی زمان حرف اول را می زند و احتمالاً میزان تجهیزات سنتی کمتر خواهد بود، بنابراین یک دستگاه CNC می تواند سرعت نمونه سازی را افزایش دهد.

مزایای استفاده از ماشین CNC

• تولید مستمر قطعات بدون حضور دائم اپراتور
• امکان ساخت قطعات پیچیده با دقت بالا و نوع ماشین
• بازسازی و ساخت قطعات مشابه در کارگاه های مختلف با کیفیت بالا
• امکان مقایسه نقشه های ساخت و ساز در نرم افزار برای تخمین زمان و هزینه

معایب دستگاه های CNC

• هزینه بالای تعمیر و نگهداری
• قیمت خرید بسیار بالاتر
• مصرف انرژی بیشتر

نحوه اتصال دستگاه CNC به کامپیوتر

G-code پرکاربردترین زبان ماشین CNC است که از سال 1950 در دانشگاه MIT استفاده شد و بعداً در سال 1980 با نام RS274D تکمیل و منتشر شد.

نرم افزار CAM

Computer Aided Manufacturing یا نرم افزار CAM برنامه تولید را به G-code تبدیل می کند و تحت نظارت اپراتور به کنترل کننده CNC می دهد.
به این معنا که برای تولید قطعات باید با استفاده از یکی از کامپیوترها یا نرم افزارهای CAD آنها را دو بعدی یا سه بعدی کرد و به نرم افزار CAM انتقال داد تا دستورالعمل ساخت تهیه شود.

توجه: همانطور که اشاره کردیم، اکثر دستگاه های CNC از زبان استاندارد G-code پشتیبانی می کنند، اما برخی از درایورهای ساخته شده توسط شرکت هایی مانند Mazak یا Heidnhein بر اساس زبان های دیگر هستند یا در برخی موارد دارای دستور G-code ویژه برای درایورهای مختلف هستند.

برای رفع این ناهماهنگی و برقراری ارتباط استاندارد بین نرم افزار CAM و دستگاه CNC از نرم افزاری به نام پست پردازنده استفاده می شود که بخشی از نرم افزار CAM است و با انتخاب نام و مدل ماشین کد نویس مناسب انجام می شود.

درجه آزادی (دو محور، سه محور و …) در دستگاه های CNC

بسته به نوع دستگاه CNC، ابزار، قطعه کار یا هر دو ممکن است‌، قابلیت چرخش و حرکت در امتداد یک یا چند محور را داشته باشند که مجموعاً میزان آزادی دستگاه را تعیین می کند.
محورهای حرکت و درجات آزادی در ماشین های CNC به شرح زیر در نظر گرفته می شود:

ماشین CNC دو محوره

در موارد زیر دستگاه CNC دو محوره است.
اگر قطعه کار ثابت باشد و ابزار را بتوان به صورت خطی در جهت X و Y حرکت داد، مانند اکثر دستگاه های برش لیزری یا واترجت.
اگر ابزار ثابت باشد و قطعه کار به صورت خطی در دو محور حرکت کند، مانند دستگاه برش فوم سیم داغ.

دستگاه CNC دو محور و نیم

در موارد زیر دستگاه CNC دو محور و نیم است.
صفحه کار همیشه ثابت است و ابزار می تواند به طور همزمان در دو جهت حرکت کند و در یک جهت نیز بچرخد.
قطعه کار ثابت است و ابزار می تواند در دو جهت به طور همزمان و در یک جهت به طور ناهمزمان حرکت کند.
قطعه کار دارای حرکت خطی همزمان در دو جهت است و ابزار می تواند به صورت ناهمزمان حول یک محور بچرخد.
قطعه کار دارای حرکت خطی همزمان در دو جهت است و ابزار می تواند به صورت ناهمزمان در اطراف یک موقعیت حرکت کند.
علاوه بر این، شرایط زیر مشابه شرایط فوق است:
ابزار کار ثابت می ماند و قطعه کار می تواند به طور همزمان در دو جهت حرکت کند و به طور ناهمزمان در یک جهت بچرخد.
تجهیزات باید پایدار بوده و قطعه را می توان همزمان در دو جهت و به صورت ناهمزمان در یک جهت حرکت داد.
ابزار کار دارای حرکت خطی همزمان در دو جهت است و قطعه می تواند به صورت ناهمزمان حول یک محور بچرخد.
این ابزار دارای حرکت خطی در دو جهت به طور همزمان است و می توان قطعه را به طور غیر مستقیم حول یک محور چرخاند.

دستگاه CNC سه محوره

اکنون در زیر یک دستگاه CNC سه محوره وجود دارد.

قطعه کار ثابت است و ابزار به طور خطی در سه جهت به طور همزمان حرکت می کند
قطعه کار ثابت است، ابزار دارای حرکت خطی در دو جهت و حرکت چرخشی در یک جهت است.
قطعه باید در هر دو جهت حرکت خطی داشته باشد و ابزار باید به طور همزمان در یک جهت بچرخد.
ابزار باید دارای حرکت خطی در یک جهت و قطعه باید حرکت همزمان در هر دو جهت داشته باشد.
این ابزار دارای حرکت چرخشی در یک جهت و قطعه دارای حرکت خطی در دو جهت به طور همزمان است.
ابزار باید دارای حرکت دایره ای در دو جهت و قطعه کار باید حرکت عمودی همزمان در یک جهت داشته باشد.
ابزار ثابت است و قطعه به صورت خطی در سه جهت به طور همزمان حرکت می کند.
دستگاه ثابت بوده و قطعه دارای حرکت خطی در دو جهت و حرکت دورانی در یک جهت می باشد.

دستگاه CNC چهار محوره

همان رویه مورد استفاده در موقعیت های قبلی نیز در این بخش پوشش داده شده است، اما به فهرستی طولانی تبدیل می شود که از حوصله بحث خارج است.
به طور کلی در این حالت مجموعه درجات آزادی بدنه و دستگاه چهار جهت است و اگر بتوانند در یک حرکت کنند به آن True 4 Axis می گویند.
برای ماشین های چهار محور می توان از ترکیب های مختلفی استفاده کرد که شامل سه جهت حرکت خطی و یک محور چرخشی برای قطعه کار (یا ابزار)، سه حرکت خطی برای ابزار و یک محور چرخشی برای قطعه کار و غیره می باشد.

دستگاه CNC پنج محوره

در این حالت، اگر قطعه (ابزار) ثابت باشد، ابزار (قطعه) دارای سه درجه آزادی برای حرکت خطی و دو محور چرخشی است که در مجموع پنج درجه آزادی ایجاد می کند، علاوه بر این، می تواند چندین درجه آزادی داشته باشد.
اگر همه محورها بتوانند به طور همزمان حرکت کنند، آن را یک محور 5 واقعی می نامند.

پنج محور واقعی: در این سبک سه محور اصلی و دو محور چرخش وجود دارد. از یک یا دو محور فقط می توان برای فضا استفاده کرد و امکان جابجایی همه محورها به صورت همزمان وجود ندارد و یا می توان هر 5 محور را همزمان جابجا و چرخاند که به آن 5 محور واقعی می گویند. (حقیقت 5 محور)

دستگاه CNC شش محوره و بیشتر!

در یک ماشین شش محوره، اگر دسته ثابت باشد، ابزار می تواند در تمام جهات حرکت کند و به دور آن بچرخد. همچنین انواع مختلفی از آزادی ابزار و عملکرد وجود دارد که شامل حرکت 6 محور یا محور چرخشی است.

اگر تمام درجات آزادی قطعه و ابزار در جهت اصلی آزاد باشد به آن ماشین 12 محوره می گویند که شامل حالات مختلف زیادی است.

اجزای اصلی دستگاه CNC

دستگاه های CNC انواع مختلفی دارند که اکثر آنها به نوع اصلی ماشین ابزار بستگی دارند، با این حال همه آنها ساختار یکسانی دارند و از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند که در این قسمت بررسی نشده است.

اجزای مکانیکی ماشین های CNC

این قسمت شامل موتور ماشین CNC، مکانیزم، ساختار و قاب می باشد.

محور یا دوک اصلی

یکی از مهم ترین قطعات مکانیکی یک دستگاه CNC محور یا محورهای اصلی (در ماشین هایی مانند فرز یا مته CNC) یا قطعات (در ماشین هایی مانند تراش یا سنگ CNC) است و از چرخش آنها برای حرکت استفاده می شود. سرعت توسط سیگنال ارائه شده توسط واحد تعیین می شود. کنترل (MCU) را می توان پیکربندی کرد.
توجه داشته باشید. برخی ابزارها مانند واترجت، برش لیزر یا پلاسما، سیم برش، پرس یا چکش و … از دوک استفاده نمی کنند.

موتورها و مکانیسم هایی که حرکت دورانی را به حرکت خطی تبدیل می کنند

حرکات ابزار و میز قطعه کار به طور خودکار توسط واحد کنترل انجام می شود و برای این کار باید حرکت چرخشی موتور به صورت خطی از طریق یک دوک توپ یا چرخ دنده و مکانیزم شانه به محور منتقل شود تا دقت موقعیت یابی شود. این موضوع بستگی به دقت ابزار و قطعه کار دارد و البته همچنینب موتور، اتصالات و مکانیزمی که برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی استفاده می شود.
موتورهای مورد استفاده در ماشین های CNC می توانند دو نوع باشند: استپر موتور یا سروو موتور.

سروو موتورها صدای کمتری تولید می کنند و کارایی بیشتری نسبت به موتورهای پله ای دارند، اما برای موقعیت یابی دقیق نیاز به بازخورد (رمزگذار) دارند و مدار آنها پیچیده تر است و برای سرعت های پایین تر استفاده می شود که هزینه اضافی برای ساخت دارد.

موتورهای پله ای کارایی کمتری نسبت به موتورهای سروو دارند، اما قیمت و هزینه های نگهداری مقرون به صرفه آنها را به انتخاب بسیاری از تولیدکنندگان تبدیل کرده است.

بدنه و چهارچوب

اگر ظرفیت موتور زیاد باشد، بدنه ضربه ها و ارتعاشات بیشتری را تحمل می کند و برای محافظت از آن بهتر است از اسکلت فولادی استفاده شود تا ضربه را بیشتر تحمل کند.

علاوه بر افزایش عمر دستگاه، کاهش ارتعاشات نیز بر دقت تولید تأثیر می گذارد.

برای کاهش هزینه ها و سبک کردن تجهیزات، ماشین آلات با ظرفیت کم (مثلاً تراشکاری چوب) از اسکلت های فولادی استفاده می کنند که استحکام خوبی دارند، اما مقاومت آنها در برابر ضربه و لرزش کم است.

البته استفاده از سازه های فولادی بهتر از فلزی است، اما به دلیل در دسترس بودن، هزینه تولید بیشتر از نوع فلزی است.

بخش الکترونیکی

شامل سیستم منبع تغذیه دستگاه، کانکتور، فیوز، درایور موتور، سیستم برق و غیره می باشد.

سیستم کنترل (CNC مغز)

اجزای اصلی یک ماشین CNC شامل موارد زیر است:
زبان برنامه نویسی
برای برقراری ارتباط با رایانه و دریافت دستورالعمل ها به صورت خودکار یا دستی کدها و تنظیمات دستگاه را وارد می کند و به عنوان رابط بین اپراتور و دستگاه عمل می کند.
مدیریت موتور یا MCU
برای کنترل عملکرد قسمت های مختلف دستگاه استفاده می شود و شامل عملکردهای مختلفی است که در حافظه ذخیره شده و بر اساس کدهای دستورالعمل انجام می شود.

وظایف بخش کنترل دستگاه CNC

– دریافت و خواندن کدهای ورودی
– تفسیر و ترجمه کد برای انجام عملکردهای از پیش تعریف شده
– کنترل کلیه قطعات اتوماتیک دستگاه از جمله سیستم خنک کننده، محورهای متحرک، دوک چرخان، تعویض ابزار و غیره.
– نظارت بر عملکرد قسمت های مختلف دستگاه مانند موقعیت و سرعت حرکت محورها.

سیستم اندازه گیری و نظارت

این بخش شامل ترانسفورماتورهایی است که به عنوان سنسور برای اندازه گیری موقعیت و سرعت آنی ابزار استفاده می شود و واحد کنترل در صورت لزوم با مقایسه آن با مقدار مرجع (پیش فرض) آن را تصحیح می کند.

بخش نقشه برداری ماشین CNC

نمایش کدهای دستوری، موقعیت نسبی و مطلق ابزار برای نمایش عملکرد فعلی دستگاه، وضعیت چرخش اسپیندل، وضعیت روانکاری، زمان باقی مانده تا فرآیند بعدی، ابزار در حال استفاده و غیره.

معیارهای انتخاب و خرید ماشین آلات CNC

در این قسمت به بررسی برخی از عوامل مهم در انتخاب و خرید دستگاه های CNC می پردازیم.

محدوده دستگاه

اگر از دستگاه CNC برای قطعات بزرگ یا سنگین استفاده می کنید، باید به ابعاد درب ورودی، متریال زیر زنجیر و تلورانس های فریم دستگاه توجه ویژه ای داشته باشید.

مدل اپراتور ماشین

انواع ناآشنا از کنترل های فرعی می تواند مشکلات زیادی را برای شما ایجاد کند، از جمله ناسازگاری با نرم افزار CAM رایج، مشکلات غیرمنتظره و کمبود پرسنل واجد شرایط.

برندهای زیر از تولید کنندگان معروف ماشین CNC هستند.

برند آلمانی زیمنس پیشرو در تولید کنترلرهای CNC است که توسط بسیاری از مشتریان در سراسر جهان استفاده می شود.

برند هیدهان آلمان (هیدهان): این شرکت نیز یکی از برندهای پیشرو در تولید کنترل CNC می باشد.

برند ژاپنی Fanuc : این برند در چین بسیار محبوب است و یکی از شرکت های پیشرو در تولید کنترلر به شمار می رود.

برند ژاپنی میتسوبیشی: این کنترلر تقریباً به اندازه کنترلرهای Fanuc قیمت دارد و در کشورهای آسیایی بسیار محبوب است.

برند تایوانی Syntec : محصولات این شرکت نسبت به سایر برندهای این لیست ارزانتر بوده و کیفیت آنها نسبتا پایین است اما برندی شناخته شده با کیفیت نسبتا خوب به حساب می آید.
درآمد
توجه داشته باشید که بسیاری از دستگاه های وارداتی برای ولتاژ 220 مناسب نیستند، بنابراین از سازگاری دستگاه اطمینان حاصل کنید.

امکان تغییر خودکار ابزارها

برخی از واحدها قابلیت تعویض خودکار ابزارها را دارند و می توانند تا 32 ابزار مختلف را در خود ذخیره کرده و در صورت نیاز آنها را تغییر دهند. این ویژگی به شدت بر سرعت فرآیند ساخت تاثیر می گذارد.

دوک یا اسپیندل

اسپیندل سهم قابل توجهی در دقت، کیفیت و سرعت ماشینکاری CNC دارد و سرعت آن می تواند از 10000 تا 100000 دور در دقیقه باشد.

قدرت موتور

قدرت بالای موتور احتمال گیرکردن ابزار را کاهش می دهد و امکان استفاده از ابزارهای بزرگتر و سنگین تر و نگهداری از ابزار قوی تر را فراهم می کند.

دقت ابزار

دقت ماشین CNC به پارامترهای زیادی بستگی دارد. دقت موتور و کدگذاری، دقت طراحی دستگاه و مونتاژ قطعات مختلف بدنه، فاصله محور، تعداد پالس های مورد نیاز برای حرکت یک میلی متری و غیره.

سخن آخر

موارد ذکر شده در فوق عواملی هستند که میزان تحمل دستگاه در تولید قطعات و میزان تکرارپذیری را تعیین می کند.

اگر از برندهای رسمی استفاده نمی کنید، حتما قبل از خرید با یک کارشناس کنترل کیفیت مشورت کنید.