تاریخچه و قسمت های تشکیل دهنده دستگاه CNC
تاریخچه ماشینهای کنترل عددی
بعد از جنگ جهانی دوم ضرورت وجود دستگاههایی که توانایی ساخت قطعات پیچیده و دقیق را برای صنایع هوافضا داشته باشند احساس می‌شد تا قبل از سال 1949 کارهایی در زمینه کنترل ماشینها, استفاده از کارتهای مخصوص سوراخ دار انجام شده بود در سال 1949 john parsons از شرکت پارسونز اولین قرارداد خود را با نیروی هوایی آمریکا جهت ساخت اولین دستگاه با کنترل عددی NC منعقد کرد. در سال 1951 این پروژه به انیستیتو تکنولوژی، ماساچوست (MIT) واگذار شد.
در سال 1952 کوششها و تحقیقات آزمایشگاه سرومکانیزم انیستیتو تکنولوژی ماساچوست به بار نشست و اولین ماشین فرز NC تلاشهای زیادی برای به وجود آوردن دستگاههای کنترل پیشرفته‌تر انجام شد. با ورود کامپیوتر به‌سیستمهای NC تحول دیگری در تکنولوژی NC به وجود آمد که امروز ماشینهای CNC با تعداد محورهای کنترل بیشتر و دقت و سرعت بهتر به وفور دیده می‌شود که می‌توان اتوماسیون را به سطح بسیار بالایی در سیستمهای DNC، CAD/CAM و CIMS مشاهده نمود.
کنترل عددی (NC)
کنترل عددی عبارت است از استفاده از کدهای رمزبندی شده اعداد، حروف و علائم که قابل فهم برای واحد کنترل است و پس از رمز گشایی به پالسهای الکتریکی جریان تبدیل شده و از این پالس‌ها برای روشن و خاموش کردن سیستم محرکه، کلاچ و تجهیزات ماشین استفاده می‌شود. فلسفه بوجود آمدن ماشینهای NC علاوه بر ضرورت توانایی ساخت قطعات پیچیده ایجاد خودکارسازی و اتوماسیون نیز می‌باشد.
بشر همواره سعی بر آن داشته که تولید مکانیزه شود چرا که خودکار سازی یا اتوماسیون می‌تواند موجب ارتقای کیفی و کمی بهره وری فعالیت های انسانی گردد و نیز این امکان را فراهم می‌سازد که تعداد کمی از افراد متخصص به نتایجی دست یابند که دستیابی به آنها در گذشته نیازمند مشارکت تعداد زیادی افراد با تجربه بود. از طرفی سیستمهای خودکار انجام کارهایی را که فراتر از توانایی‌های انسانی می‌باشد امکانپذیر می‌کند.
کنترل عددی کامپیوتری
کنترل عددی کامپیوتری (CNC) یک سیستم NC مبتنی بر استفاده از کامپیوتر به عنوان واحد کنترل است. در این کنترلها سرعت پردازش اطلاعات به دلیل استفاده از کامپیوتر بسیار بالا است و بر خلاف ماشینهای NC که برنامه را خط به خط می‌خوانند قادر است تمام خطوط برنامه را بخواند و چک کند و سپس اجرا نماید سرعت و انعطاف‌پذیری بالای ماشینهای CNC و کار با آن این شهامت را می‌دهد که آنچه را که در ذهن دارند در اسرع وقت بیازمایند و به ارتقای محصول خود فکر کنید و به سرعت نیازمندیهای مشتریان خود را تأمین نموده و در اسرع وقت خود را با نیازمندیهای بازار هماهنگ نمایند.
اجزای اصلی ماشینهای CNC
برنامه ماشین (واحد ورودی)
برنامه شامل مجموعه‌ای از اعداد، حروف و نشانه هایی است که به ماشین می‌گوید چه عملی را باید انجام دهد. مجموعه این اعداد، حروف و علائم که به صورت کدهای رمز بندی شده می‌باشند توسط واحد کنترل ماشین(CNU) تفسیر می‌شوند. این برنامه علاوه بر اطلاعات مسیر قطعه کار شامل اطلاعات تکنولوژی (مقادیر سرعت و پیشروی) و اطلاعات کمکی (مثل روشن و خاموش کردن سه نظام، قطع و وصل جریان سیال خنک کننده نیز می‌باشد برنامه می‌تواند علاوه بر تایپ مستقیم از طریق صفحه کلید دستگاه (MDI) از طریق نوار سوراخدار، نوار مغناطیسی، دیسک مغناطیسی و کامپیوتری (DNC) به ماشین ارسال می‌شود.
واحد کنترل ماشین
CNC نوعی کنترل است که بر روی ماشین های افزار به منظور اتوماسیون استفاده شده و هر سیستم کنترل دارای سه جزء اصلی واحد ورودی واحد پردازشگر و واحد خروجی می‌باشد.
پیچیده‌ترین سیستم کنترلی را انسان دارد که در آن حواس پنجگانه به عنوان واحد ورودی مغز انسان به عنوان پردازشگر و ماهیچه‌ها و کلام انسان به عنوان واحد خروجی عمل می‌کند.
در CNC نیز سه جزء اصلی نام برده شده و عنوان واحد ورودی واحد پردازشگر و واحد خروجی عمل می‌نماید اجزای واحد کنترل عبارتند از: نوارخوان، میکروپروسسور CPU, حافظه RAM, حافظه ROM,Buffers,PHC, تقویت کننده، تابلوی کنترل و … انجام برخی اعمال که برای انسان بسیار ساده است از قبیل خواندن اندازه، تمایز بین اعداد، حروف و علائم مختلف برای تجهیزات الکترونیکی و کامپیوتری بسیار مشکل می‌باشد در نتیجه اطلاعات ورودی به ماشین به منظور شناخت سریع و آسان آنها باید رمز بندی شوند.
سیگناهای اطلاعاتی دارای یکی از چهار حالت زیر می‌باشد.
۱- سیگنال آنالوگ یا پیوسته:
سیگنال کلامی انسان، دماسنج، فشار سنج از این قبیل سیگنال ها می‌باشند و کار با این سیگنال ها بسیار مشکل است.
۲- سیگنال دیسکریت یا گسسته:
سیگنالی است که مقادیر آن در محدوده زمانهای مساوی مقادیر ثابتی را دارا می‌باشد این مقادیر هیچ گونه نسبتی با یکدیگر ندارند بهترین مثال برای سیگنالهای فوق مثالهای آماری می‌باشد.
۳- سیگنال دیجیتالی یا پله‌ای:
نوعی سیگنال دیسکریت یا گسسته است با این تفاوت که مقادیر آن با نسبت مشخص تغییر می‌کند سیستم های مخابراتی با سیگنال دیجیتال کار می‌کنند.
۴- سیگنال باینری یا دو رویی:
نوعی سیگنال دیجیتالی است با این تفاوت که مقادیر آن فقط بین دو محدوده صفر و یک تغییر می‌کند. مانند کلید که دارای دو حالت باز و بسته می‌باشد که در حالت باز صفر و در حالت بسته یک در نظر گرفته می‌شوند. سیگنالهایی که در مهندسی بیشتر از همه موارد استفاده قرار می‌گیرند سیگنالهای دیجیتال می‌باشند که اغلب آنها جزء سیگنالهای باینری محسوب می‌شوند. سیگنالهای باینری در ارائه اطلاعات دارای ارزش بسیار هستند چون درکنترل می‌توان آنها را به سادگی نمایش و همچنین عملیات ریاضی را به راحتی با آنها انجام داد اعداد، حروف و نشانه‌ها را می‌توان به راحتی با این سیگنال‌ها رمز بندی کرد. در جبر بول که فقط از دو عدد صفر و یک استفاده شده است و بر خلاف جبر عمومی که از طیف و سیعی از اعداد استفاده شده می‌توان عملیات منطقی NOT، AND،NOR و NAND را به زبان ریاضی نوشت و در تکنولوژی کنترل استفاده کرد. کامپیوتر یک وسیله برقی است که با ولتاژ کار می‌کند اگر کامپیوتر براساس اعداد اعشاری (آنالوگ) ساخته شود نیاز به ده نوع ولتاژ مختلف برای شناسایی اعداد ۹… و۲ و۱ و۰ داشت که انجام چنین کاری بسیار پر هزینه و مشکل است با استفاده از اعداد باینری نیاز به یک ولتاژ داریم که می‌تواند دو حالت وجود ولتاژ (یک) و عدم وجود ولتاژ را داشته باشند. اعداد در سیستم باینری زنجیره‌ای از صفر و یک می‌باشد که در دو نوع ISO و EIA استاندارد شده‌اند.
ماشین افزار
سومین قسمت اصلی یک سیستم CNC ماشین ابزار می‌باشد که کار اصلی فرآیند یعنی براده برداری را انجام می‌دهد این قسمت در حقیقت شامل قطعه کار، ابزار، فیکسچر و دیگر اجزاء مکانیکی و برقی موجود در ماشین CNC می‌باشد ماشینهای ابزار نیز خود به چند گروه تقسیم بندی می‌شوند.
۱- ماشینهایی که در آن قطعه کار حرکت دورانی و ابزار حرکت خطی دارد مانند تراش CNC.
۲- ماشینهایی که در آن قطعه کار حرکت خطی و ابزار حرکت دورانی دارد مانند فرز CNC.
۳- ماشینهایی که در آن براده برداری به روشی تخلیه الکتریکی انجام می‌شود.
۴- ماشینهایی که به روش سایش براده برداری می‌کند مانند سنگ CNC.
اجزاء مکانیکی و برق ماشینهای CNC
بدنه ماشین:
عضوی از ماشینی است که سایر اجزای روی آن سوار می‌شوند لذا باید بسیار محکم و مقاوم در برابر ارتعاش و حرارت باشد تا بتواند شتابها و سرعتهای بالا را تحمل نماید عمدتاً از چدن خاکستری سخت کاری شده و در بعضی موارد از سرامیک و یا گرافیت ساخته می‌شود.
اسلایدرها:
صفحات صاف و سختی هستند که ابزارگیر یا میز روی آنها به کمک رولیرینگ و سیستم روغن کاری می‌لغزند برای کاهش اصطکاک، اسلایدرها پوشش داده می‌شوند و یا روی لایه نازکی از روغن یا بالشی از هوا نیز حرکت می‌کنند.
محور اصلی:
موتور اصلی در دستگاه تراش قطعه کار و در فرز ابزار را می‌چرخاند در هر دو حالت موتور باید توان لازم برای برش قطعه کار را ایجاد می‌کند اگر در ماشین تراش CNC بخواهیم سرعت برش ثابت داشته باشیم یک سیستم تصحیح سرعت بدون پله با ترمز مورد نیاز است موتور محور اصلی می‌تواند از نوع DC برای ماشینها و رباتهای کوچک و یا از نوع سه فاز AC برای توانهای بالاتر باشد در نوع اخیر به کمک درایو مخصوص جهت ایجاد سرعتهای مختلف نیازمندیم البته در صورتی که فقط سرعتهای خاصی مورد نظر باشد می‌توان از یک گیربکس هم استفاده کرد.
انواع موتورهای محرک محورها
در ماشینهای CNC برای به حرکت درآوردن و پیشروی محورها در ماشینهای کنترل عددی از محرک‌های الکتریکی، هیدرولیکی و پنوماتیکی استفاده می‌شود که به شرح هر یک از آنها پرداخته می‌شود از جمله عوامل موثر در انتخاب نوع محرک‌ها می‌توان قدرت موتور، هزینه، قابلیت اعتماد و اطمینان مصرف برق و نگهداری آن را نام برد.
محرک‌های الکتریکی
محرکه‌های الکتریکی شامل مورهای AC، DC و یا موتورهای پله‌ای می‌باشند.
الف) موتورهای جریان مستقیم (DC)
در این نوع موتورها عامل حرکت میدان مغناطیسی استاتور یا جریان الکتریکی رتور می‌باشد که سرعتهای دورانی در این موتورها با تغییر ولتاژ و همچنین گشتاور موتور با میزان جریان ورودی به خوبی قابل کنترل می‌باشند این‌موتورها به دلیل ویژگیهایی که از جمله قدرت بالا، سرعت یکنواخت، عکس العمل سریع نسبت به تغییرات سرعت و… بیشترین کاربرد را در ماشینهای CNC دارا می‌باشند از این موتورها در مدارهای باز استفاده نمی‌شود ولی در مدارهای بسته استفاده از آنها زیاد می‌باشد از این موتورها بیشتر جهت دوران اصلی سه نظام استفاده می‌شوند.
ب) موتورهای جریان متناوب (AC)
در این نوع موتورها سرعت دوران متناوب با تغییر فرکانس ورودی تغییر کرده و تنها مزیت این موتورها این است که نیازی به یک سو کننده ندارند و به دلیل حجم زیاد در مقایسه با موتورهای DC کاربرد کمتری در ماشینهای CNC دارند از این موتورها بیشتر جهت حرکت ابزار در راستای محورها استفاده می‌شوند.
ج) موتورهای پله‌ای
در این موتورها با دادن هر پالس کنترل ورودی، موتورها به اندازه زاویه مشخص که زاویه گام نام دارد دوران کرده و متناسب با آن زاویه پیچ ساچمه‌ای دوران می‌کند که باعث حرکت خطی مهره به اندازه مورد نظر می‌شود دقت این‌موتورها به زاویه گام و گام پیچ ساچمه‌ای بستگی دارد و با افزایش تعداد قطبها می‌توان دقت آنها را افزایش داد از خصوصیات این موتورها حجم کم کنترل دقیق محورها و ارزان بودن آنها می‌باشد و از معایب آنها قدرت کم آن می‌باشد از این نوع موتورها در سیستمهای مدار باز استفاده می‌شود از این موتورها بیشتر برای جابجایی ابزار(Tool Changer) در ماشینهای کنترل عددی کوچک استفاده می‌شود.
محرکه‌های هیدرولیکی
در محرکه‌های هیدرولیکی برای طولهای کم از سیلندر و پیستون و برای طولهای بلند از موتورهای هیدرولیک استفاده می‌شود از مزایای این سیستم‌ها قدرت زیاد و عکس العمل سریع آن در مقابل تغییر جهت حرکت می‌توان نام برد از این محرکه‌ها بیشتر از سیستمهای مدار بسته استفاده می‌شود این محرکه‌ها دارای وزن و حجم کمی بوده و امکان استفاده آنها در محیط های خطرناک وجود دارد همچنین محرکه‌های هیدرولیکی دارای حرکت یکنواختی بوده و پله‌ای نمی‌باشد از معایب آنها نشتی روغن و گران بودن آنها می‌باشد و ضمناً در مقایسه با موتورهای الکتریکی از عکس العمل و دقت پایین برخوردارند.
محرکه‌های پنوماتیکی
نحوه عملکرد این محرکه‌های شبیه محرکه‌های هیدرولیکی می‌باشد و نسبت به آنها دقت کمتری دارد از مزایای آنها ارزان بودن آلودگی کمتر می‌باشد و از معایب آنها عکس العمل بسیار کند آنها می‌باشد چون تراکم پذیری سیال در این جا بیشتر از محرکه‌های هیدرولیکی می‌باشد.
پیچ و مهره ساچمه‌ای (BALL SCREW)
برای تأمین حرکت پیشروی محورها (میز یا ابزارگیر) معمولا از مکانیزم (Ball screw) استفاده می‌شود برای سهولت حرکت و به حداقل رساندن سایش و لقی از نوعی پیچ و مهره خاص با گام مشخص استفاده می‌شود که فضای بین پیچ و مهره با ساچمه‌های بسیار دقیق پر شده است به این ترتیب بین پیچ و مهره عمل غلطش صورت می‌گیرد نه لغزش و با وجود ساچمه‌های دقیق لقی در هنگام معکوس شدن جهت حرکت به حداقل می‌رسد و حرکت بسیار نرم و دقیق را حاصل می‌نماید به این اساس به راحتی می‌توان به یک ماشین CNC فرمان حرکتی معادل ۰٫۰۰۱ میلیمتر را داد و انتظار حرکت دقیق را هم داشت.
سیستمهای اندازه‌گیری موقعیت محورها (ENCODER)
به منظور کنترل موقعیت محورها از Encoder استفاده می‌شود در این مکانیزم یک دیسک شیشه‌ای که روی آن خطوط تاریکی و روشنی طراحی شده است را در امتداد محور قرار می‌دهند یک منبع نوری دریک طرف صفحه و یک یا چند سنسور نوری (فتوسل) در طرف دیگر قرار گرفته‌اند که همواره با محور حرکت می‌کنند در هنگام دوران محور مسیر نور توسط خطوط تاریک روی دیسک قطع و وصل شده و سلول نوری ولتاژ خروجی را بر اساس شدت نور می‌دهد و در نتیجه فتوسل یک موج سینوسی را ارسال می‌کند که این منبع به یک پالس تغییر شکل می‌دهد و پالسهای خروجی شمرده می‌شوند از روی آن میزان جابجایی محورها محاسبه می‌شود. معمولا در این نوع از سیستمهای اندازه‌گیری صفحه شیشه‌ای به شکل دایره بوده که به آن اینکودرهای زاویه‌ای می‌گویند و روی محور ball screw سوار می‌شود و همراه آن دوران می‌کند این اینکودرها کوچکتر و نگهداری آن آسانتر است. علاوه بر این اینکودر از نوع خطی آن نیز استفاده می‌شود.