سی‌ان‌سی چیست؟ فرایند ماشین‌کاری CNC

آخرین ویرایش: خرداد ۹۸


ماشین‌کاری سی‌ان‌سی یک فرایند صنعتی است که در آن نرم‌افزار کامپیوتری حرکت‌ها را به ماشین‌ها و ابزارهای صنعتی دیکته می‌کند. حتی گاهی این فرایند می‌تواند برای کنترل ماشین‌آلات پیچیده، از دستگاه‌های تراش گرفته تا ماشین‌های پیچیده راه‌سازی به کار گرفت. در ماشین‌کاری سی‌ان‌سی برشکاری و تراشکاری سه بعدی را می‌توان در مجموعه‌ای از فرمان‌ها انجام داد.

سی‌ان‌سی کوتاه شده عبارت (Computer Numerical Control) در برابر و تأثیرگذار بر محدودیت‌های کنترل دستی عمل می‌کند. در کنترل دستی، کاربران زنده‌ای مورد نیاز است که دستورات ماشین‌کاری را به وسیله دکمه، اهرم و چرخ کنترل کند. از دید خواننده ممکن است سی‌ان‌سی مجموعه منظمی از قطعات کامپیوتری به نظر برسد. اما نرم‌افزار و کنسول سی‌ان‌سی که در ماشین‌کاری سی‌ان‌سی به کار می‌رود با سایر اشکال محاسباتی متفاوت است.

ماشین‌کاری سی‌ان‌سی یک فرایند صنعتی است که در آن نرم‌افزار کامپیوتری حرکت‌ها را به ماشین‌ها و ابزارهای صنعتی دیکته می‌کند.

تولیدکنندگان و خدمات سی‌ان‌سی در ایران را مشاهده کنید.

مواردی که در ماشین‌کاری سی‌ان‌سی لازم است یاد بگیریم

هنگامی که یک سیستم سی‌ان‌سی فعال می‌شود، برش‌های مورد نیاز در نرم‌افزار برنامه‌دهی می‌شود و سپس این دستورات به ماشین‌آلات و ابزارهای زیرنظر دیکته می‌شود، این وظایف به گونه‌ای که فرمان داده شده‌اند مانند روبات اجرا می‌شوند.

در برنامه‌ریزی سی‌ان‌سی، سازنده کد در سیستم محاسباتی عموما فرض می‌کند که عمل‌کرد دستگاه بی‌عیب و نقص اجرا خواهد شد. علی‌رغم خطاهای احتمالی که شدت آن هنگامی که همزمان در جهت‌های مختلف حرکت می‌کند بیشتر خواهد شد.

برنامه دستگاه‌های سی‌ان‌سی معمولاً در کنسول آن توسط کلیدهای کوچکی ساخته می‌شوند. برنامه سی‌ان‌سی وارد حافظه کامپیوتر آن می‌شود. کدهای برنامه توسط برنامه‌ریز دستگاه نوشته و ویرایش می‌شوند. به همین دلیل، سیستم‌های سی‌ان‌سی دارای توانایی محاسباتی گسترده‌ای هستند. و مهم‌تر از آن، سیستم‌های سی‌ان‌سی به هیچ وجه ایستا نبوده و دستورات جدید می‌توانند به برنامه از پیش‌نوشته شده اعمال شوند.

برنامه‌ریزی ماشین‌های سی‌ان‌سی

در سی‌ان‌سی، ماشین‌ها توسط کنترل عددی فرمان می‌پذیرند، که در آن‌ها نرم‌افزاری طراحی شده که هدف را کنترل کند. زبان پشت ماشین‌کاری سی‌ان‌سی معمولاً G-Code نام دارد و نوشته شده تا رفتارهای مختلف ماشین از جمله سرعت، میزان تغذیه و موقعیت را کنترل کند.

اساساً، ماشین‌های سی‌ان‌سی ما را قادر ساخته‌اند که سرعت، موقعیت و عمل‌کرد ابزارهای ماشین را توسط نرم‌افزار، در چرخه‌های تکراری و قابل پیشبینی از پیش برنامه‌ریزی کنیم. همه این کارها با دخالت بسیار اندک انسان انجام می‌پذیرد. با توجه به این ظرفیت‌ها، این روند در کنار همه اشکال تولید سازگار شده، به طوری که حضور سی‌ان‌سی در تولیدات پلاستیکی و فلزی حیاتی است.

در ابتدا، یک طرح 2D یا 3D در نرم‌افزار Cad فراهم می‌شود، که پس از آن به کد کامپیوتری برای سی‌ان‌سی برای اجرا تبدیل می‌شود. پس از آنکه برنامه وارد شد، متصدی ماشین، یک اجرای آزمایشی از برنامه می‌گیرد تا مطمئن شود خطایی در کدنویسی وجود ندارد.

سیستم‌های ماشین‌کاری حلقه بسته و حلقه باز

کنترل موقعیت توسط یک سیستم حلقه‌باز یا حلقه‌بسته تشخیص داده می‌شود. در حالت اول سیگنال‌ها در یک جهت از سمت کنترل‌گر به موتور حرکت می‌کنند. در سیستم حلقه‌بسته، کنترلگر توانایی دریافت فیدبک را دارد که امکان تصحیح خطا را فراهم می‌کند. بنابراین، سیستم حلقه‌بسته می‌تواند بی‌نظمی در موقعیت و سرعت را تصحیح کند.

در ماشین‌کاری سی‌ان‌سی، حرکت‌ها معمولاً در جهت‌های X و Y هستند. ابزار، توسط موتورهای استپر و سروو، موقعیت‌دهی و هدایت می‌شوند که حرکت‌های دقیق خود را از جی‌کد تشخیص می‌دهند. اگر نیرو و سرعت حداقل باشند، این فرایند می‌تواند توسط کنترل حلقه‌باز انجام شود. برای هر حالت دیگر، کنترل حلقه بسته برای اطمینان از سرعت، سازگاری و دقت لازم برای کاربردهای صنعتی مانند فلز کاری ضروری است.

ماشین‌کاری سی‌ان‌سی کاملاً خودکار است

در پروتکول‌های سی‌ان‌سی امروزی، تولید قطعات توسط نرم‌افزار تقریباً اتوماتیک شده‌است. ابعاد قطعه موردنظر توسط نرم‌افزار Cad طراحی می‌شوند و سپس توسط نرم‌افزار Cam (تولید به کمک کامپیوتر) به قطعه نهایی تبدیل می‌شوند.

هر قطعه از کار می‌تواند ابزارهای ماشین‌کاری مختلفی از جمله دریل و بُرنده نیاز داشته‌باشد. برای خودکارسازی این نیازها، بسیاری از ماشین‌های امروزی عملکردهای متفاوتی را در یک سلول ترکیب کرده‌اند. در کنار آن، یک پیاده‌سازی ممکن است از چندین ماشین و مجموعه بازوهای روباتیک تشکیل شوند که قطعات را از یک عملگر به عملگر دیگر منتقل کند، اما همه این‌ها توسط یک برنامه یکسان کنترل می‌شود. بدون در نظر گرفتن ترکیب، فرایند سی‌ان‌سی، امکان ثبات قطعات را در تکثیر فراهم آورده. اگر نگوییم غیرممکن، اما ثبات در تولید دستی دشوار است.

انواع ماشین سی‌ان‌سی

قدیمی‌ترین ماشین‌های کنترل عددی در دهه ۱۹۴۰ ثبت شدند که از موتورها برای حرکت ابزارهای موجود استفاده شد. با پیشرفت تکنولوژی، مکانیزم‌ها در کنار کامپیوترها پیشرفت کردند، و کامپیوترهای دیجیتال، موجب رشد چشمگیر ماشینکاری سی‌ان‌سی شدند.

تقریباً همه ماشین‌های سی‌ان‌سی، امروزه تماماً الکترونیکی هستند. چند نمونه از فرایندهای سی‌ان‌سی-محور شامل جوشکاری اولتراسونیک، سوراخکاری و برش لیزری می‌شود. بیشترین استفاده سیستم‌های سی‌ان‌سی شامل این موارد می‌شود:

فرز سی‌ان‌سی

فرزهای سی‌ان‌سی می‌توانند توسط برنامه‌هایی متشکل از دستورات عدد و حروف اجرا شوند که قطعات را در جهت‌ها و مسیرهای متفاوت حرکت می‌دهد. برنامه‌نویسی مورد استفاده ماشین فرز می‌تواند بر پایه جی‌کُد یا یک زبان اختصاصی طراحی شده توسط تیم طراحی باشد. فرزهای اساسی از سیستم سه محور تشکیل می‌شوند (X,Y و Z)، و جدیدترین فرزها ۳ محور جدید را نیز به کار گرفته‌اند.

تراش سی‌ان‌سی

در ماشین‌های تراش، قطعات در یک مسیر دایره‌ای توسط ابزارهای قابل مشاهده برش می‌خورند. با تکنولوژی سی‌ان‌سی، برش‌ها توسط تراشنده‌هایی صورت می‌گیرد که از سرعت و دقت بالایی برخوردارند. تراشنده‌های سی‌ان‌سی می‌توانند برای تولید طرح‌های پیچیده‌ای به کار روند که توسط ماشین‌های اجرای دستی غیرقابل انجام هستند. در مجموع، کنترل عملکردهای سی‌ان‌سی فرز و تراش مشابه هم هستند. همانند اولی، تراشنده‌ها توسط جی‌کُد یا کد اختصاصی منحصربه‌فرد جهت‌دهی می‌شوند. و در هر صورت، بیشتر تراشنده‌های سی‌ان‌سی از دو محور X و Z تشکیل می‌شوند.

برش پلاسما

در یک برشگر پلاسما، مواد توسط مشعل پلاسما برش می‌خورند. این فرایند بیشتر بر مواد فلزی اعمال می‌شود اما می‌تواند در سطوح دیگر نیز به کار گرفته شود. برای داشتن سرعت و حرارت لازم برای برش فلز، پلاسما در میان ترکیبی از هوای فشرده و جرقه الکتریکی تولید می‌شود.

پلاسما چیست؟

واژه پلاسما به گاز یونیزه‌شده‌ای گفته می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه‌شده‌ای که تعداد الکترون‌های آزاد آن تقریباً برابر با تعداد یون‌های مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود (منبع: ویکیپدیا: پلاسما).

ماشین‌های تخلیه الکتریکی

ماشین‌های تخلیه الکتریکی (EDM) فرایندی است که در آن قطعات فلزی را توسط تخلیه الکتریکی به شکل‌های مختلف تبدیل می‌شود. توسط EDM، جریان میان دو الکترود تخلیه می‌شود و این کار تکه‌هایی از قطعه کار را حذف می‌کند.

وقتی که فاصله بین الکترودها کمتر می‌شود، جریان الکتریکی شدیدتر شده و بنابراین از قویتر از عایق می‌شود. این کار عبور جریان میان دو الکترود را ممکن می‌سازد. در نتیجه بخش‌هایی از کار توسط الکترودها برداشته می‌شود. زیر مجموعه EDM شامل این موارد است:

تخلیه الکتریکی سیمی، که در آن فرسایش جرقه برای حذف بخش‌هایی از ماده رسانای الکتریکی به کار می‌رود.

وزنه تخلیه الکتریکی، که در آن الکترود و قطعه توسط مایع عایق خیس می‌شوند.

در فرایندی که به فلاش موسوم است، براده‌های کار تمام شده، توسط مایع عایق از روی قطعه تمیز می‌شوند. این کار زمانی انجام می‌گیرد که جریان میان دو الکترود خاموش باشد تا از جریان‌های اضافی ناخواسته جلوگیری شود.

برشگرهای واترجت

در ماشین‌کاری سی‌ان‌سی، واترجت‌ها ابزاری هستند که برای برش موادی سخت همچون گرانیت و فلز، توسط آب فشار-قوی به کار می‌ورند. در برخی موارد، آب با شن یا ذرات سخت دیگر مخلوط می‌شود. قطعات ماشین‌های کارخانه‌ها عموما توسط این فرایند شکل‌دهی شده‌اند.

آب به عنوان یک جایگزین خنک برای موادی که تحمل حرارت شدید فرایند سایر ماشین‌کاری‌های سی‌ان‌سی را ندارند استفاده می‌شود. برای مثال، واترجت‌ها در بخش‌های مختلفی همچون هوافضا و صنایع معدن به کار می‌رود. این فرایند قدرت بالایی برای مقاصد حکاکی و برشکاری در کنار سایر عملکردهایش دارد.

سایر کاربردهای ماشین‌های سی‌ان‌سی

همان‌طور که ویدیوهای نمایش ماشین سی‌ان‌سی نشان داده‌اند، این سیستم برای برش‌های بسیار جزئی قطعات فلزی برای محصولات سخت‌افزاری صنعتی به کار می‌رود. در کنار ماشین‌های گفته شده، ابزارهای دیگری در سیستم‌های سی‌ان‌سی استفاده می‌شود شامل:

  • ماشین آلات گلدوزی

  • رنده‌های چوب

  • دستگاه پانچ

  • خم‌کن سیم

  • برش فوم

  • برش لیزر

  • پرینتر سه‌بعدی

  • برش شیشه

هنگامی که برش‌های پیچیده در سطوح و زوایای مختلف بر روی قطعه کار لازم است، به راحتی می‌توان در چند دقیقه توسط ماشین سی‌ان‌سی به انجام رساند. با توجه به اینکه سی‌ان‌سی توسط کد درست برنامه‌دهی شده‌است، عملیات ماشین قدم‌به‌قدم توسط نرم‌افزار دیکته می‌شوند. با توجه به اینکه کد از روی طراحی قطعه، جزء به جزء ساخته می‌شود، رفته‌رفته هنگام کار دستگاه سی‌ان‌سی و در نهایت قطعه کامل‌شده بر روی دستگاه نمایان خواهد شد.

خطاهای برنامه‌نویسی ماشین سی‌ان‌سی

ماشین‌کاری سی‌ان‌سی یک فرایند کاملاً بدون‌خطا نیست. در برخی مواقع، قطعه کار یا خود ماشین ممکن است در حالت خطرناک قرار گیرند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، یک کرش (Crash) ممکن است اتفاق بی‌افتد، که ابزار یا قطعات ماشین ممکن است بشکنند. ابزارها ممکن است به خاطر برخورد با قسمت‌های ناقص قطعه یا گیره‌های نگه‌دارنده قطعه دچار آسیب شوند. هنگامی که آسیب روی می‌دهد، ممکن است از یک آسیب کوچک در شکستن اسکرو تا تغییر شکل‌های جدی ساختاری در دستگاه اتفاق افتد.

واقعیت این است که دستگاه سی‌ان‌سی قادر به تشخیص فاصله کم و زیاد نیست. بنابراین، ابزارها باید به دقت برنامه‌نویسی شوند تا کار بدون خطا انجام گیرد. اگر کد برنامه بد محاسبه شده باشد، ماشین سی‌ان‌سی ممکن است از مرزهای فیزیکی عبور کند و موجب برخوردهای داخلی شود. حتی در بیشتر سی‌ان‌سی‌های امروزی که با پارامترهای مرزی تولید می‌شوند، ورودی‌ها ممکن است توسط کاربر دستکاری شود.

به همین ترتیب، ابزارهای سی‌ان‌سی نسبت به شرایط محیطی بی‌توجهند. اگرچه سی‌ان‌سی‌های خاصی به حسگرهای بار اسپیندل مجهز هستند، سایر دستگاه‌ها این قابلیت را ندارند. در سایر موارد، نرم‌افزار باید به درستی کدنویسی شود تا مطمئن شود دستگاه از پارامترها عبور نمی‌کند، در غیر این صورت نتیجه می‌تواند آسیب و تصادف دستگاه باشد. حتی در زمانی که سی‌ان‌سی به حسگرهای بار مجهز است، همچنان برخوردها ممکن است اتفاق بیفتد. هنگامی که عمل‌کرد ابزار سرگردان شود، مدیریت وضعیت نیازمند حضور کاربر خواهد بود.

جلوگیری از برخورد و تصادف در انواع مختلف ماشین سی‌ان‌سی

با نصب سنسورهای شفت انکودر، می‌توان محل برخورد را تشخیص داد و خنثی کرد. همچنین، سنسورهای گشتاور نیز می‌توانند به تشخیص حرکت صحیح دستگاه کمک کنند و همچنین برش‌های ناخواسته را متوجه شود.

در سیستم سی‌ان‌سی‌های گاراژ، ابزارها برای رسیدن به درجه درست به دقت چرخشی استپر موتورها وابسته هستند. برای دیدن مکان ابزار، پالس‌هایی که به سمت استپر موتور می‌ورند باید شمرده شوند، چون در بیشتر مواقع، روش جایگزینی برای تشخیص وجود ندارد.

در ماشین‌های سی‌ان‌سی صنعتی، کنترل‌های حلقه‌بسته به کار می‌رود، که با استفاده از آن کنترلر همیشه مختصات ابزار را می‌داند. اگر کنترل به درستی صورت گیرد، احتمال برخوردها به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، اگرچه هنوز مسئولیت به عهده برنامه‌نویسان است که کدها را برای داشتن بالاترین ایمنی بررسی کنند.

در دو دهه اخیر، نرم‌افزارهای سی‌ان‌سی برای کنترل گستره وسیعی از ابزارهای ماشین سی‌ان‌سی توانمند شده‌اند. ابزارهای مختصات، گیره‌ها، نگه‌دارنده‌ها و اسپیندل بر اساس مدل 3D به دقت موقعیت‌دهی می‌شوند. با توجه به اینکه تمامی این جزئیات وارد کد می‌شوند، تشخیص احتمال برخوردها در موقعیت‌های خاص آسان‌تر شده‌است.

منابع