آشنایی با ماشین آلات، دستگاه ها و تجهیزات CNC

معرفی تجهیزات و دستگاه های ساخت و تولید

ماشین ابزار یا دستگاه CNC چیست ؟

کنترل عددی به برنامه ریزی برای خودکارسازی ماشین آلات گفته می شود (Numerical Control) و در یک گام جلوتر، چنانچه از کامپیوتر برای دستیابی به این هدف استفاده شود به آن کنترل عددی کامپیوتری یا CNC (Computer Numerical Control) گفته می شود. ( البته کامپیوتر به کار رفته در دستگاه CNC می تواند صرفا یک میکروکامپیوتر باشد.)

ماشین ابزارهای سی ان سی تجهیزاتی هستند که کنترل آن ها بصورت اتوماتیک و توسط  کامپیوتر انجام می شودو می توانند مختص تراشکاری، فرزکاری، سنگ زنی ، جوشکاری، خمکاری، استمپینگ، برش لیزری، واترجت یا سایر حوزه ها  باشند.

مزایا و معایب استفاده از دستگاه های CNC

در بسیاری از موارد کارگاه ها و مراکز تولیدی نیازی به استفاده از دستگاه های CNC ندارند و ماشین ابزارهای سنتی پاسخگوی نیاز آن ها هستند. این در حالیست که دستگاه های سی ان سی هزینه ی خرید و نگهداری بالایی دارند و استفاده از آن ها نیازمند تجربه و دانش و استخدام اپراتور با حقوق بالاتر است. در ادامه مزایا و معایب استفاده از این دستگاه ها مورد بررسی قرار می گیرد.

مزایای استفاده از دستگاه های سی ان سی :

– می توانند بصورت ۲۴ ساعته کار کنند.

– دقت بالاتری نسبت به ماشین آلات سنتی دارند.

– قطعات تولید شده  دقت و کیفیت یکسانی دارند. (همسان بودن محصولات)

– سادگی ایجاد تغییرات در فرآیند ساخت توسط اپراتور.

– قابلیت ساخت قطعات پیچیده در کمترین زمان ممکن وجود دارد.

– نرم افزارهای شبیه سازی می توانند طراح را در انتخاب بهینه ترین فرآیند ماشین کاری و پیش بینی زمان ساخت راهنمایی کنند.

معایب استفاده از دستگاه های سی ان سی :

– هزینه ی ماشین آلات CNC نسبت به نمونه های دستی بسیار بالاتر است.

– لوازم یدکی آن ها گران قیمت هستند.

– هزینه ی نگهداری تجهیزات سی ان سی بالاست.

چگونگی ارتباط دستگاه های CNC  با رایانه 

دستورالعمل ساخت قطعات توسط نرم افزارهای  CAM و در قالب کدهای استاندارد به ماشین آلات CNC ابلاغ می شوند و جهت حرکت ابزار، میزان باربرداری، سرعت باربرداری، نوع خنک کاری، انتخاب ابزار و … بصورت خودکار و بر مبنای کدهای دستوری تنظیم خواهند شد.

G Code یکی از پرکاربردترین زبان های مشترک میان ماشین ابزارهای سی ان سی است که از سال ۱۹۵۰ در دانشگاه MIT مورد استفاده قرار گرفته است، بعدها در سال ۱۹۸۰ نسخه ی تکمیل شده ی آن با نام RS274D عرضه شد.

نرم افزارهای CAM

نرم افزارهای CAM (Computer Aided Manufacturing)  بر مبنای شکل قطعات و فرآیند انتخاب شده دستورالعمل ساخت را به زبانی مشترک (معمولا G Code) ترجمه کرده و به کنترلر دستگاه CNC ابلاغ می کنند، پس برای ساخت خودکار قطعه کافیست فایل دو یا سه بعدی آن را  با کمک نرم افزارهای CAD (Computer Aided Design) طراحی کرده و فرآیند ساخت را برای ارسال دستورالعمل به دستگاه، در یکی از نرم افزارهای CAM  شبیه سازی نمایید.

همانطور که گفتیم اکثر ماشین های سی ان سی از زبان استاندارد G Code پشتیبانی می کنند، با این حال بسیاری از دستگاه های تولید شده در  کمپانی هایی همچون Mazak یا Heidnhein   از زبان های دیگری برای ابلاغ دستورالعمل ها استفاده می کنند، همچنین ممکن است در دستگاه هایی با برندهای مختلف مجموعه ای از G Code های یکسان عملکردهای متفاوتی داشته باشند. برای حل این ناسازگاری و ایجاد ارتباط استاندارد میان نرم افزارهای CAM و دستگاه های CNC از نرم افزاری با نام Postprocessor  استفاده می شود.  با انتخاب نام و مدل ماشین ابزار در پست پروسسور،  کدهای خروجی نرم افزار CAM به کدهای NC قابل فهم برای دستگاه تبدیل می شوند.

در تئوری امکان ایجاد ارتباط میان نرم افزارهای CAM و تمامی دستگاه های  CNC وجود دارد.

محورهای حرکات خطی و دورانی در دستگاه های سی ان سی (درجات آزادی)

در دستگاه های  CNC ابزار یا قطعه می توانند در راستای یک یا چند محور حرکات خطی یا دورانی داشته باشند.  بسیاری از ماشین ابزارها تنها در دو محور حرکت می کنند، مثلا ابزارهای برشی ساده همچون لیزر یا واترجت تنها در دو راستای X و Y قابل جابجایی هستند یا در دستگاه های تراش سی ان سی ابزار حداقل در سه محور X ، Y  و Z بصورت خطی جابجا می شود  و در دستگاه های مجهزتر  می تواند حول یک یا چند محور دوران کند. ابزار در یک دستگاه تراش CNC پنج محور میتواند در سه راستای اصلی حرکت خطی و حول دو راستای اصلی حرکات دورانی داشته باشد.  هر چه بازه ی حرکتی ابزار بیشتر باشد ساخت قطعات پیچیده امکان پذیر تر خواهد بود و دقت و سرعت انجام فرآیند افزایش میابد.

محورهای جابجایی در دستگاه های سی ان سی بصورت زیر هستند :

دو محور : اگر عملیات برش تنها در یک صفحه انجام شود اصطلاحات دستگاه از نوع دو محور است و ابزار امکان جابجایی در راستای Z را نخواهد داشت.  حرکت در راستاهای X و Y  امکان ایجاد خطوط زاویه دار و منحنی های دایره ای شکل را فراهم میکند.

دو و نیم محور : در این حالت ابزار یا قطعه کار می تواند در دو راستا حرکت خطی و حول یک محور حرکت دورانی داشته باشد، یا در راستای سه محور حرکت خطی داشته باشد، با این حال امکان جابجایی یا دوران همزمان وجود ندارد، بعبارتی یکی از درجات آزادی مستقل از دو محور دیگر امکان پذیر است.

سه محور : در این حالت حرکت همزمان ابزار یا قطعه کار در راستای سه محور اصلی امکان پذیر است.

چهار محور : حرکت در سه محور اصلی به همراه امکان چرخش حول یکی از محورها مجموعا چهار محور حرکتی را تشکیل می دهند.  دو حالت برای دستگاه های سی ان سی چهار محور وجود دارد: در حالت اول تمامی بازه های حرکتی می توانند بصورت همزمان و هنگام ماشینکاری جابجا شوند که به آن چهارمحور واقعی (True 4 axis) گفته می شود. در حالت دوم امکان جابجایی همزمان در تمامی چهار درجه ی آزادی مقدور نیست.

پنج محور : سه محور اصلی و دو محور چرخشی در این حالت وجود دارند. ممکن است یک الی دو محور صرفا برای موقعیت دهی بکار گرفته شوند و امکان جابجایی همزمان تمامی محورها وجود نداشته باشد یا تمامی ۵ محور امکان جابجایی و چرخش همزمان داشته باشند که به آن ۵ محور حقیقی گفته می شود. (True 5 Axis)

در دستگاه های ۶ محور ابزار یا قطعهمی تواند در راستای تمامی جهات اصلی حرکات خطی و حول تمامی آن ها حرکات دورانی داشته باشد و معمولا نگهدارنده ی ابزار بصورت بازویی طراحی می شود. ممکن است قطعه کار دو درجه ی آزادی برای جابجایی خطی و ابزار سه درجه آزادی خطی و یک درجه آزادی دورانی را داشته باشد که مجموعا ۶ محور جابجایی را تشکیل می دهند.

ممکن است با عبارت دستگاه ۹ محور یا ۱۲ محور رو به رو شوید،در این حالت ۶ محور حرکتی و دورانی مربوط به ابزار و سه الی شش محور حرکتی یا دورانی مربوط به قطعه کار است.

کاربر دستگاه CNC

اجزای اصلی دستگاه های CNC

بخش های اصلی یک ماشین CNC  شامل موارد زیر است :

بخش ورود دستورالعمل ها (کدها) : این بخش برای ورود دستورالمل های ساخت قطعات (کدها) به دستگاه سی ان سی مورد استفاده قرار می گیرد که  در گذشته برای ماشین های NC شامل نوارهای پانچ یا مغناطیسی بود و امروزه کامپیوترها با ابزار ارتباطی RS-232-C اصلی ترین ابزار محسوب می شوند.

بخش کنترل ماشین یا MCU  : واحد کنترل ماشین  قلب تپنده ی دستگاه CNC  است و  اقدامات مربوط به کنترل بخش های مختلف دستگاه بر عهده ی آن است. توابع مختلف دستگاه بصورت پیش فرض در حافظه ی MCU تعریف شده اند. وظایف این بخش عبارتند از :

– دریافت و خواندن کدهای ورودی

– ترجمه و تبدیل کدها برای اجرای توابع از پیش تعریف شده

– ایجاد و اجرای دستورالمل های حرکت محورها

– دریاقت سیگنال  از درایورها برای نظارت و کنترل موقعیت و سرعت حرکت محورها

– پیاده سازی عملکردهایی مانند خنک کاری، تعویض ابزار یا خاموش و روشن کردن اسپیندل

بخش ماشین ابزار : عملیات پردازش قطعه خام توسط این بخش انجام می شود. دستگاه سی ان سی  همواره شامل یک میز غلتان برای قرارگیری قطعه ی کار و اسپیندل برای کنترل سرعت و وضعیت ابزار است. در دستگاه های تراش معمولا میز در راستاهای X  و Y و اسپیندل در راستای Z جابجا می شود.

بخش نیروی محرکه و موتور :  این سیستم با کمک تجهیزاتی مانند آمپلی فایر، موتورها (سروموتورها یا استپ موتورها) و بال اسکروها عملیات موقعیت دهی میز را بر عهده دارد.  واحد کنترل سیگنال های مربوط به هر محور را به آمپلی فایر منتقل می کند (موقعیت و سرعت)، با افزایش شدت سیگنال ها موتورها بکار افتاده  و  با چرخیدن بال اسکروها چرخش موتور به حرکات خطی تبدیل شده و  میز موقعیت دهی می شود.

بخش نظارتی (Feed back) : این بخش شامل ترانسفورماتورهایی می شود که نقش سنسورها را ایفا می کنند. به این بخش سیستم Measuring یا اندازه گیری گیری نیز گفته می شود. با کمک سیستم Measuring موقعیت و سرعت دقیق ابزار برش مورد ارزیابی قرار می گیرد. بخش MCU سیگنال های مربوط به وضعیت درایورها و ابزار را از ترانسفورماتورها دریافت کرده و با مقایسه آن ها با سیگنال های مرجع به سرعت یا موقعیت ابزارها را شناسایی کرده و تصحیح مینماید.

بخش نمایش وضعیت : با کمک نمایشگر کدهای دستوری، موقعیت ابزار، و بصورت کلی اطلاعات ضروری نمایش داده می شوند.

بخش های مختلف دستگاه سی ان سی

بصورت کلی بخش های مختلف یک دستگاه CNC شامل سه نوع تجهیزات می شوند :

  1. تجهیزات مکانیکی شامل بدنه ی دستگاه، موتورهای پیشرانه (اغلب سرووموتورها و استپ موتورها) ، اسپیندل (محور دورانی که ابزار یا قطعه روی آن بسته می شود)، بدنه ی دستگاه و مکانیزم های حرکتی شامل چرخ دنده و شانه، تسمه ها و بال اسکرو برای تبدیل دوران موتور به حرکت خطی می شود.

جنس بدنه و شاسی می تواند از فولاد یا چدن باشد. بدنه ی چدنی بصورت ریخته گری و یکپاره ساخته می شود و جنس آن چدن داکتیل است. چدن ضربه پذیری بالاتری نسبت به فولاد دارد  لذا برای ماشین آلات مختص چوب، پلاستیک و کامپوزیت با توجه به سبک تر بودن فرآیند و ضربه های کمتر از بدنه ی فولادی و برای دستگاه های مختص فلزات از بدنه ی چدنی استفاده می شود. بدیهی است که با توجه به قیمت بالاتر ریخته گری بدنه های چدنی هزینه بیشتری دارند.

در این مقاله چندین بار از واژه ی اسپیندل استفاده شده است، بصورت کلی به محورهای چرخان دستگاه سی ان سی اسپیندل گفته می شود. مثلا در دستگاه فرزکاری سی ان سی، محوری که ابزار روی آن نصب میشود یا در تراشکاری محوری که قطعه را در بر گرفته و دوران می کند اسپیندل است.

اسپیندل ها بر مبنای فرکانس دریافتی می توانند دورهای متفاوتی داشته باشند. اگر اسپیندل و موتور در یک واحد مستفر شده باشند به آن ها “اسپیندل موتور” گفته می شود که در فرآیندهای سبک تر همچون CNC چوب یا کامپویزیت مورد استفاده قرار می گیرند. در فرآیندهای سنگین موتور و اسپیندل مستقل از یکدیگر بوده و  قدرت الکتروموتور توسط تسمه یا کوپل شدن، به اسپیندل منتقل میشود.

یکی از وظایف اصلی اسپیندل ها نگهداری ابزار است که از سه نوع استاندارد پیروی می کند :

کولت Collet، صفحه‌ی ثابت (Gang Type Tools) و تارت (Turret)

  1. تجهیزات برقی که شامل سیستم تامین قدرت دستگاه، کنتاکتور، فیوزها، درایور موتورها و … است.
  2. تجهیزات کنترلی که شامل اجزای تشکیل دهنده ی واحد MCU یا واحد کنترل مرکزی، نرم افزار Preprocessor ، سیستم Measuring  یا ترانسفورماتورهای نظارتی و اینورترها می شود.

موتورهای بکار رفته در ماشین آلات سی ان سی میتوانند در دو نوع استپ موتور یا سرووموتور ها باشند، سروموتورها صدای کمتری تولید می کنند و راندمان بالاتری نسبت به استپ موتورها دارند. این موتورها برای موقعیت یابی دقیق نیاز به فیدبک دارند (انکودر) ، لذا مدار آن ها پیچیده تر است، همچنین برای کارکرد در سرعت های پایین نیازمند گیربکس هستند. وجود انکودر و گیربکس هزینه ی نگهداری این موتورها را افزایش میدهد و به همین خاطر قیمت سروموتورها بیشتر از استپ موتور ها است.

در بعضی سرعت های خاص استپ موتورها دچار رزونانس شده و  این موضوع موجب از دست رفتن گام و ایجاد خطا در موقعیت دهی آن ها می شود، مشکلی که با استفاده از یک انکودر قابل برطرف شدن است. استپ موتورها نسبت به سروموتورها راندمان پایین تری دارند، با این حال هزینه ی پایین تر، نصب آسان تر و هزینه ی نگهداری کمتر باعث می شود بسیاری از سازندگان استفاده از آن ها را ترجیح دهند.

فرزکاری CNC

ملاک های انتخاب و خرید دستگاه های CNC

در این بخش چند فاکتور حائز اهمیت در انتخاب و خرید دستگاه های CNC مورد بررسی قرار می گیرند.

فضای کاری دستگاه :

لازم است فضای کاری دستگاه متناسب با ابعاد قطعات باشد. چالش اصلی مربوط به قطعات بزرگ و سنگین است. ممکن است وزن زیاد قطعات به فضای کاری دستگاه آسیب رسانده یا موقعیت دهی قطعات نیازمند ابزارهای خاص یا اندازه ی بزرگتر دهانه ی ورودی دستگاه باشد.

بهتر است ابعاد فضای کاری دستگاه را ۱۰ الی ۲۵ درصد بزرگتر از بیشینه ابعاد قطعات خود انتخاب نمایید.

مدل کنترلر دستگاه :

اگر تجربه ی استفاده از دستگاه های سی ان سی را دارید، بهتر است دستگاه جدید شما نیز مجهز به همان نوع  کنترلر باشد. بسیاری از اپراتورها بر کنترلرهای متفرقه تسلط کافی ندارند.  دستگاهی انتخاب کنید که از کنترلرهای رایج استفاده کرده و خدمات پس از فروش مناسبی ارائه می کنند. برندهای زیر نمونه های مطرحی هستند :

برند آلمانی زیمنس :  زیمنس در تولید کنترلرهای CNC پیشرو محسوب می شود و مشتریا ن زیادی در سرتاسر دنیا از آن استفاده میکنند.

برند آلمانی هایدهانHidehan  :این کمپانی نیز یکی از برندهای مطرح تولید کنترلرهای سی ان سی محسوب می شود.

برند ژاپنی فانوک  Fanuc : این برند در کشور چین محبوبیت بسیار بالایی دارد و از کمپانی های مطرح در تولید کنترلر به حساب می آید.

برند ژاپنی میتسوبیشی Mitsubishi : قیمت این کنترلر تقریبا مشابه کنترلرهای Fanuc است و محبوبیت بالایی در کشورهای آسیایی دارد.

برند تایوانی Syntec : محصولات این کمپانی ارزان تر از سایر برندهای این فهرست هستند و کیفیت نسبتا پایین تری دارند، با این حال برندی شناخته شده و با کیفیت نسبتا مناسبی محسوب می شود.

ولتاژ

توجه داشته باشید بسیاری از دستگاه های وارداتی برای ولتاژ ۲۲۰ مناسب نیستند، حتما از سازگاری دستگاه اطمینان حاصل نمایید.

قابلیت تعویض خودکار ابزار

بعضی از دستگاه ها قابلیت تعویض خودکار ابزار را دارا هستند و می توانند تا ۳۲ ابزار مختلف را نگهداری و در صورت نیاز تعویض نمایند. این قابلیت تاثیر زیادی در سرعت انجام فرآیندهای ساخت خواهد داشت.

سیستم خنک کاری

با وجود اهمیت زیاد در بسیاری از دستگاه های  CNC سیستم خنک کاری مناسبی تعبیه نشده است، پیش از خرید حتما از وجود سیستم خنک کاری اطمینان حاصل نمایید. فرآیندهای ماشینکاری قطعات بزرگ یا فلزات سخت حرارتی زیادی تولید می کند و نبود سیستم خنک کاری ضمن کاهش عمر ابزار و افزایش تنش های ماشینکاری ممکن است ساخت قطعه را ناممکن کند.

اسپیندل

اسپیندل سهم مهمی در دقت، کیفیت و سرعت ماشینکاری CNC دارد و سرعت  آن می تواند از ۱۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ دور در دقیقه متغیر باشد. هر چه اسپیندل سرعت بالاتری را پشتیبانی نماید صافی سطح بالاتری قابل حصول است و از احتمال شکستن ابزار کاسته می شود.

قدرت موتور

قدرت بالای موتوراحتمال گیر کردن ابزار را کاهش داده و امکان استفاده از ابزارهای بزرگ تر و سنگین تر را امکان پذیر مینماید، متناسب با نوع کارکرد دستگاه و جنس مواد اولیه قدرت موتور را ارزیابی نمایید.

دقت دستگاه

دقت یک دستگاه سی ان سی به پارامترهای مختلفی بستگی دارد. دقت موتور و انکودر، دقت ساختار دستگاه و مونتاژ بخش های مختلف بدنه، لقی اسپیندل و محورها، تعداد پالس های مورد نیاز برای جابجایی به اندازه ی یک میلیمتر و … مجموعه ی موارد بالا تولرانس دستگاه در ساخت قطعات و میزان تکرارپذیری را تعیین می کنند. اگر از برندهای معتبر استفاده نمی کنید حتما پیش از خرید دستگاه را آزمایش کرده و خطای آن را با اطلاعات ارائه شده از دستگاه مقایسه نمایید.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *