Τι είναι οι μηχανές CNC;

Η ιστορία των μηχανών CNC
Ο John T. Parsons (1913-2007) της Parsons Corporation στο Traverse City, MI θεωρείται ο πρωτοπόρος του αριθμητικού ελέγχου, ο πρόδρομος της σύγχρονης μηχανής CNC.Για το έργο του, ο John Parsons αποκαλείται ο πατέρας της 2ης βιομηχανικής επανάστασης.Χρειαζόταν να κατασκευάσει σύνθετες λεπίδες ελικοπτέρων και γρήγορα συνειδητοποίησε ότι το μέλλον της κατασκευής ήταν η σύνδεση μηχανών με υπολογιστές.Σήμερα ανταλλακτικά που κατασκευάζονται με CNC μπορούν να βρεθούν σχεδόν σε κάθε κλάδο.Λόγω των μηχανών CNC, έχουμε λιγότερο ακριβά αγαθά, ισχυρότερη εθνική άμυνα και υψηλότερο βιοτικό επίπεδο από ό,τι είναι δυνατό σε έναν μη βιομηχανοποιημένο κόσμο.Σε αυτό το άρθρο, θα εξερευνήσουμε την προέλευση της μηχανής CNC, τους διαφορετικούς τύπους μηχανών CNC, τα προγράμματα μηχανών CNC και τις κοινές πρακτικές των μηχανημάτων CNC.

Οι μηχανές συναντούν τον υπολογιστή
Το 1946, η λέξη «υπολογιστής» σήμαινε ένα μηχάνημα υπολογισμού που λειτουργούσε με κάρτα διάτρησης.Παρόλο που η Parsons Corporation είχε κατασκευάσει μόνο μία προπέλα στο παρελθόν, ο John Parsons έπεισε τη Sikorsky Helicopter ότι θα μπορούσε να παράγει εξαιρετικά ακριβή πρότυπα για τη συναρμολόγηση και την κατασκευή προπέλας.Κατέληξε να εφεύρει μια μέθοδο υπολογιστή διάτρησης για τον υπολογισμό των πόντων σε μια λεπίδα ρότορα ελικοπτέρου.Στη συνέχεια, έβαλε χειριστές να γυρίσουν τους τροχούς σε εκείνα τα σημεία σε μια φρέζα του Σινσινάτι.Διεξήγαγε έναν διαγωνισμό για το όνομα αυτής της νέας διαδικασίας και έδωσε 50 $ στο άτομο που επινόησε το "Numerical Control" ή NC.

Το 1958 κατέθεσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη σύνδεση του υπολογιστή με το μηχάνημα.Η αίτησή του για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας έφτασε τρεις μήνες πριν από το MIT, το οποίο εργαζόταν πάνω στην ιδέα που είχε ξεκινήσει.Το MIT χρησιμοποίησε τις ιδέες του για να κατασκευάσει τον αρχικό εξοπλισμό και ο κάτοχος άδειας χρήσης του κ. Parsons (Bendix) έλαβε υποάδεια στις IBM, Fujitusu και GE, μεταξύ άλλων.Η ιδέα NC άργησε να πιάσει.Σύμφωνα με τον κ. Parsons, οι άνθρωποι που πούλησαν την ιδέα ήταν άνθρωποι υπολογιστών αντί να κατασκευάζουν ανθρώπους.Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ωστόσο, ο ίδιος ο στρατός των ΗΠΑ έκανε δημοφιλή τη χρήση υπολογιστών NC κατασκευάζοντας και μισθώνοντάς τους σε πολλούς κατασκευαστές.Ο ελεγκτής CNC εξελίχθηκε παράλληλα με τον υπολογιστή, οδηγώντας όλο και περισσότερη παραγωγικότητα και αυτοματισμό στις διαδικασίες παραγωγής, ειδικά στη μηχανική κατεργασία.

Τι είναι η κατεργασία CNC;
Οι μηχανές CNC κατασκευάζουν ανταλλακτικά σε όλο τον κόσμο για σχεδόν κάθε κλάδο.Δημιουργούν πράγματα από πλαστικά, μέταλλα, αλουμίνιο, ξύλο και πολλά άλλα σκληρά υλικά.Η λέξη "CNC" σημαίνει Αριθμητικός Έλεγχος Υπολογιστών, αλλά σήμερα όλοι το αποκαλούν CNC.Λοιπόν, πώς ορίζετε μια μηχανή CNC;Όλα τα αυτοματοποιημένα μηχανήματα ελέγχου κίνησης έχουν τρία κύρια εξαρτήματα - μια λειτουργία εντολής, ένα σύστημα κίνησης/κίνησης και σύστημα ανάδρασης.Η κατεργασία CNC είναι η διαδικασία χρήσης μιας εργαλειομηχανής που κινείται με υπολογιστή για την παραγωγή ενός τμήματος από στερεό υλικό σε διαφορετικό σχήμα.

Το CNC εξαρτάται από ψηφιακές οδηγίες που συνήθως γίνονται σε λογισμικό Computer Aided Manufacturing (CAM) ή Computer Aided Design (CAD) όπως το SolidWorks ή το MasterCAM.Το λογισμικό γράφει τον κωδικό G που μπορεί να διαβάσει ο ελεγκτής στο μηχάνημα CNC.Το πρόγραμμα υπολογιστή στον ελεγκτή ερμηνεύει το σχέδιο και μετακινεί τα εργαλεία κοπής ή/και το τεμάχιο εργασίας σε πολλούς άξονες για να κόψει το επιθυμητό σχήμα από το τεμάχιο εργασίας.Η αυτοματοποιημένη διαδικασία κοπής είναι πολύ πιο γρήγορη και ακριβής από μια χειροκίνητη κίνηση εργαλείων και τεμαχίων εργασίας που γίνεται με μοχλούς και γρανάζια σε παλαιότερο εξοπλισμό.Οι σύγχρονες μηχανές CNC κρατούν πολλά εργαλεία και κάνουν πολλούς τύπους κοπών.Ο αριθμός των επιπέδων κίνησης (άξονες) και ο αριθμός και οι τύποι εργαλείων στα οποία μπορεί να προσπελάσει αυτόματα το μηχάνημα κατά τη διαδικασία κατεργασίας καθορίζουν πόσο πολύπλοκο μπορεί να κάνει ένα τεμάχιο εργασίας ένα CNC.

Πώς να χρησιμοποιήσετε μια μηχανή CNC;
Οι μηχανικοί CNC πρέπει να αποκτήσουν δεξιότητες τόσο στον προγραμματισμό όσο και στην κατεργασία μετάλλων για να αξιοποιήσουν πλήρως τη δύναμη μιας μηχανής CNC.Οι σχολές τεχνικής εμπορίου και τα προγράμματα μαθητείας συχνά ξεκινούν τους μαθητές σε χειροκίνητους τόρνους για να πάρουν μια αίσθηση για το πώς να κόβουν μέταλλο.Ο μηχανικός θα πρέπει να μπορεί να οραματίζεται και τις τρεις διαστάσεις.Σήμερα το λογισμικό διευκολύνει από ποτέ την κατασκευή σύνθετων εξαρτημάτων, επειδή το σχήμα του εξαρτήματος μπορεί να σχεδιαστεί εικονικά και στη συνέχεια μπορούν να προταθούν διαδρομές εργαλείων από το λογισμικό για την κατασκευή αυτών των εξαρτημάτων.

Τύπος λογισμικού που χρησιμοποιείται συνήθως στη διαδικασία κατεργασίας CNC
Σχέδιο με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD)
Το λογισμικό CAD είναι το σημείο εκκίνησης για τα περισσότερα έργα CNC.Υπάρχουν πολλά διαφορετικά πακέτα λογισμικού CAD, αλλά όλα χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία σχεδίων.Τα δημοφιλή προγράμματα CAD περιλαμβάνουν το AutoCAD, το SolidWorks και το Rhino3D.Υπάρχουν επίσης λύσεις CAD που βασίζονται σε σύννεφο και ορισμένες προσφέρουν δυνατότητες CAM ή ενσωματώνονται με το λογισμικό CAM καλύτερα από άλλες.

Computer Aided Manufacturing (CAM)
Οι μηχανές CNC χρησιμοποιούν συχνά προγράμματα που δημιουργούνται από λογισμικό CAM.Το CAM επιτρέπει στους χρήστες να δημιουργήσουν ένα «δέντρο εργασιών» για να οργανώσουν τη ροή εργασίας, να ορίσουν διαδρομές εργαλείων και να εκτελέσουν προσομοιώσεις κοπής πριν το μηχάνημα κάνει οποιαδήποτε πραγματική κοπή.Συχνά τα προγράμματα CAM λειτουργούν ως πρόσθετα στο λογισμικό CAD και δημιουργούν κώδικα g που λέει στα εργαλεία CNC και τα κινούμενα μέρη εργασίας πού να πάνε.Οι μάγοι στο λογισμικό CAM διευκολύνουν από ποτέ τον προγραμματισμό μιας μηχανής CNC.Το δημοφιλές λογισμικό CAM περιλαμβάνει Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks και Solidcam.Η Mastercam και η Edgecam αντιπροσωπεύουν σχεδόν το 50% του μεριδίου αγοράς CAM υψηλής τεχνολογίας σύμφωνα με μια έκθεση του 2015.

Τι είναι ο κατανεμημένος αριθμητικός έλεγχος;
Άμεσος Αριθμητικός Έλεγχος που έγινε Κατανεμημένος Αριθμητικός Έλεγχος (DNC)
Χρησιμοποιήθηκαν άμεσοι αριθμητικοί έλεγχοι για τη διαχείριση προγραμμάτων NC και παραμέτρων μηχανής.Επιτρέπει στα προγράμματα να μετακινούνται μέσω ενός δικτύου από έναν κεντρικό υπολογιστή σε υπολογιστές που είναι γνωστοί ως μονάδες ελέγχου μηχανών (MCU).Αρχικά ονομαζόταν «Άμεσος Αριθμητικός Έλεγχος», παρέκαμψε την ανάγκη για χαρτοταινία, αλλά όταν ο υπολογιστής έπεσε, όλες οι μηχανές του κατέρρευσαν.

Ο κατανεμημένος αριθμητικός έλεγχος χρησιμοποιεί ένα δίκτυο υπολογιστών για να συντονίσει τη λειτουργία πολλαπλών μηχανών τροφοδοτώντας ένα πρόγραμμα στο CNC.Η μνήμη CNC κρατά το πρόγραμμα και ο χειριστής μπορεί να συλλέξει, να επεξεργαστεί και να επιστρέψει το πρόγραμμα.

Τα σύγχρονα προγράμματα DNC μπορούν να κάνουν τα εξής:
● Επεξεργασία – Μπορεί να εκτελέσει ένα πρόγραμμα NC ενώ άλλα υποβάλλονται σε επεξεργασία.
● Σύγκριση – Συγκρίνετε πρωτότυπα και επεξεργασμένα προγράμματα NC δίπλα-δίπλα και δείτε τις τροποποιήσεις.
● Επανεκκίνηση – Όταν ένα εργαλείο χαλάσει, το πρόγραμμα μπορεί να διακοπεί και να επανεκκινηθεί από εκεί που σταμάτησε.
● Παρακολούθηση εργασιών – Οι χειριστές μπορούν να παρακολουθούν τις εργασίες και να παρακολουθούν τη ρύθμιση και το χρόνο εκτέλεσης, για παράδειγμα.
● Εμφάνιση σχεδίων – Εμφάνιση φωτογραφιών, σχεδίων CAD εργαλείων, εξαρτημάτων και φινιρισμάτων.
● Προηγμένες διεπαφές οθόνης – Επεξεργασία με ένα άγγιγμα.
● Προηγμένη διαχείριση βάσης δεδομένων – Οργανώνει και διατηρεί δεδομένα όπου μπορούν να ανακτηθούν εύκολα.

Συλλογή δεδομένων παραγωγής (MDC)
Το λογισμικό MDC μπορεί να περιλαμβάνει όλες τις λειτουργίες του λογισμικού DNC καθώς και τη συλλογή πρόσθετων δεδομένων και την ανάλυσή τους για τη συνολική αποτελεσματικότητα του εξοπλισμού (OEE).Η συνολική αποτελεσματικότητα του εξοπλισμού εξαρτάται από τα ακόλουθα: Ποιότητα – ο αριθμός των προϊόντων που πληρούν τα πρότυπα ποιότητας από όλα τα παραγόμενα προϊόντα Διαθεσιμότητα – ποσοστό του προγραμματισμένου χρόνου που ο καθορισμένος εξοπλισμός λειτουργεί ή παράγει εξαρτήματα Απόδοση – πραγματική ταχύτητα λειτουργίας σε σύγκριση με την προγραμματισμένη ή ιδανική λειτουργία ρυθμός του εξοπλισμού.

ΟΕΕ = Ποιότητα x Διαθεσιμότητα x Απόδοση
Το OEE είναι μια βασική μέτρηση απόδοσης (KPI) για πολλά μηχανουργεία.

Λύσεις παρακολούθησης μηχανών
Το λογισμικό παρακολούθησης μηχανής μπορεί να ενσωματωθεί σε λογισμικό DNC ή MDC ή να αγοραστεί ξεχωριστά.Με τις λύσεις παρακολούθησης μηχανών, τα δεδομένα του μηχανήματος όπως η εγκατάσταση, ο χρόνος εκτέλεσης και ο χρόνος διακοπής συλλέγονται αυτόματα και συνδυάζονται με ανθρώπινα δεδομένα, όπως κωδικούς λογικής, για να παρέχουν τόσο ιστορική όσο και σε πραγματικό χρόνο κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των εργασιών.Οι σύγχρονες μηχανές CNC συλλέγουν έως και 200 ​​τύπους δεδομένων και το λογισμικό παρακολούθησης μηχανών μπορεί να κάνει αυτά τα δεδομένα χρήσιμα σε όλους, από το κατάστημα μέχρι τον τελευταίο όροφο.Εταιρείες όπως η Memex προσφέρουν λογισμικό (Tempus) που λαμβάνει δεδομένα από κάθε είδους μηχανή CNC και τοποθετεί σε μια τυποποιημένη μορφή βάσης δεδομένων που μπορεί να εμφανιστεί σε γραφήματα και γραφήματα με νόημα.Ένα πρότυπο δεδομένων που χρησιμοποιείται από τις περισσότερες λύσεις παρακολούθησης μηχανών και έχει κερδίσει έδαφος στις ΗΠΑ ονομάζεται MTConnect.Σήμερα, πολλές νέες εργαλειομηχανές CNC είναι εξοπλισμένες για να παρέχουν δεδομένα σε αυτήν τη μορφή.Τα παλαιότερα μηχανήματα μπορούν ακόμα να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες με τους προσαρμογείς.Η παρακολούθηση μηχανών για μηχανές CNC έχει γίνει mainstream μόλις τα τελευταία χρόνια και νέες λύσεις λογισμικού βρίσκονται πάντα υπό ανάπτυξη.

Ποιοι είναι οι διαφορετικοί τύποι μηχανών CNC;
Υπάρχουν αμέτρητοι διαφορετικοί τύποι μηχανών CNC σήμερα.Οι μηχανές CNC είναι εργαλειομηχανές που κόβουν ή μετακινούν υλικό όπως έχει προγραμματιστεί στον ελεγκτή, όπως περιγράφεται παραπάνω.Ο τύπος κοπής μπορεί να ποικίλλει από κοπή πλάσματος έως κοπή με λέιζερ, φρεζάρισμα, δρομολόγηση και τόρνους.Οι μηχανές CNC μπορούν ακόμη και να παραλάβουν και να μετακινήσουν αντικείμενα σε μια γραμμή συναρμολόγησης.

Ακολουθούν βασικοί τύποι μηχανών CNC:
Τόρνοι:Αυτός ο τύπος CNC περιστρέφει το τεμάχιο εργασίας και μετακινεί το εργαλείο κοπής στο τεμάχιο εργασίας.Ένας βασικός τόρνος είναι 2 αξόνων, αλλά μπορούν να προστεθούν πολλοί ακόμη άξονες για να αυξηθεί η δυνατή πολυπλοκότητα της κοπής.Το υλικό περιστρέφεται σε έναν άξονα και πιέζεται πάνω σε ένα εργαλείο λείανσης ή σκαλίσματος που κάνει το επιθυμητό σχήμα.Οι τόρνοι χρησιμοποιούνται για την κατασκευή συμμετρικών αντικειμένων όπως σφαίρες, κώνους ή κυλίνδρους.Πολλές μηχανές CNC είναι πολλαπλών λειτουργιών και συνδυάζουν όλους τους τύπους κοπής.

Δρομολογητές:Οι δρομολογητές CNC χρησιμοποιούνται συνήθως για την κοπή μεγάλων διαστάσεων σε ξύλο, μέταλλο, φύλλα και πλαστικά.Οι τυπικοί δρομολογητές λειτουργούν σε συντεταγμένες 3 αξόνων, ώστε να μπορούν να κόβουν σε τρεις διαστάσεις.Ωστόσο, μπορείτε επίσης να αγοράσετε μηχανές 4,5 και 6 αξόνων για πρωτότυπα μοντέλα και πολύπλοκα σχήματα.

Αλεσμα:Οι χειροκίνητες φρέζες χρησιμοποιούν χειροκίνητους τροχούς και μολύβδινες βίδες για την άρθρωση ενός κοπτικού εργαλείου πάνω σε ένα τεμάχιο εργασίας.Σε ένα μύλο CNC, το CNC μετακινεί σφαιρικές βίδες υψηλής ακρίβειας στις ακριβείς συντεταγμένες που έχουν προγραμματιστεί.Οι μηχανές φρεζαρίσματος CNC διατίθενται σε μεγάλη ποικιλία μεγεθών και τύπων και μπορούν να λειτουργήσουν σε πολλούς άξονες.

Κόφτες πλάσματος:Ο κόφτης πλάσματος CNC χρησιμοποιεί ένα ισχυρό λέιζερ για την κοπή.Οι περισσότεροι κόφτες πλάσματος κόβουν προγραμματισμένα σχήματα από φύλλο ή πλάκα.

Εκτυπωτής 3D:Ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής χρησιμοποιεί το πρόγραμμα για να του πει πού να τοποθετήσει μικρά κομμάτια υλικού για να δημιουργήσει το επιθυμητό σχήμα.Τα 3D μέρη κατασκευάζονται στρώμα-στρώμα με λέιζερ για να στερεοποιηθεί το υγρό ή η ισχύς καθώς μεγαλώνουν τα στρώματα.

Μηχανή επιλογής και τοποθέτησης:Ένα μηχάνημα "διάλεξε και τοποθέτησε" CNC λειτουργεί παρόμοια με ένα δρομολογητή CNC, αλλά αντί για υλικό κοπής, το μηχάνημα έχει πολλά μικρά ακροφύσια που μαζεύουν εξαρτήματα χρησιμοποιώντας κενό, τα μετακινούν στην επιθυμητή θέση και τα αφήνουν κάτω.Αυτά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τραπεζιών, μητρικών υπολογιστών και άλλων ηλεκτρικών συγκροτημάτων (μεταξύ άλλων.)

Οι μηχανές CNC μπορούν να κάνουν πολλά πράγματα.Σήμερα η τεχνολογία των υπολογιστών μπορεί να τεθεί σε σχεδόν μηχάνημα που μπορεί κανείς να φανταστεί.Το CNC αντικαθιστά την ανθρώπινη διεπαφή που απαιτείται για τη μετακίνηση εξαρτημάτων της μηχανής για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.Τα σημερινά CNC είναι ικανά να ξεκινούν με πρώτη ύλη, όπως ένα μπλοκ από χάλυβα, και να κάνουν ένα πολύ περίπλοκο μέρος με ακριβείς ανοχές και εκπληκτική επαναληψιμότητα.

Συνδυάζοντας τα όλα μαζί: Πώς κατασκευάζουν ανταλλακτικά τα μηχανουργεία CNC
Η λειτουργία ενός CNC περιλαμβάνει τόσο τον υπολογιστή (ελεγκτή) όσο και μια φυσική εγκατάσταση.Μια τυπική διαδικασία μηχανουργείου μοιάζει με αυτό:

Ένας μηχανικός σχεδιασμού δημιουργεί το σχέδιο στο πρόγραμμα CAD και το στέλνει σε έναν προγραμματιστή CNC.Ο προγραμματιστής ανοίγει το αρχείο στο πρόγραμμα CAM για να αποφασίσει για τα εργαλεία που χρειάζονται και να δημιουργήσει το πρόγραμμα NC για το CNC.Αυτός ή αυτή στέλνει το πρόγραμμα NC στη μηχανή CNC και παρέχει μια λίστα με τις σωστές ρυθμίσεις εργαλείων σε έναν χειριστή.Ένας χειριστής εγκατάστασης φορτώνει τα εργαλεία σύμφωνα με τις οδηγίες και φορτώνει την πρώτη ύλη (ή το τεμάχιο εργασίας).Στη συνέχεια, εκτελεί τα δείγματα τεμαχίων και τα μετρά με εργαλεία διασφάλισης ποιότητας για να επαληθεύσει ότι η μηχανή CNC κατασκευάζει εξαρτήματα σύμφωνα με τις προδιαγραφές.Συνήθως, ο χειριστής εγκατάστασης παρέχει ένα πρώτο κομμάτι προϊόντος στο τμήμα ποιότητας που επαληθεύει όλες τις διαστάσεις και υπογράφει τη ρύθμιση.Το μηχάνημα CNC ή τα σχετικά μηχανήματα είναι φορτωμένα με αρκετή πρώτη ύλη για να φτιάξουν τον επιθυμητό αριθμό τεμαχίων και ένας χειριστής του μηχανήματος βρίσκεται δίπλα για να διασφαλίσει ότι το μηχάνημα συνεχίζει να λειτουργεί, κατασκευάζοντας εξαρτήματα σύμφωνα με τις προδιαγραφές.και έχει πρώτη ύλη.Ανάλογα με την εργασία, είναι συχνά δυνατό να λειτουργούν οι μηχανές CNC «σβήνουν τα φώτα» χωρίς να υπάρχει χειριστής.Τα τελικά εξαρτήματα μετακινούνται αυτόματα σε μια καθορισμένη περιοχή.

Οι σημερινοί κατασκευαστές μπορούν να αυτοματοποιήσουν σχεδόν οποιαδήποτε διαδικασία δίνοντας αρκετό χρόνο, πόρους και φαντασία.Η πρώτη ύλη μπορεί να μπει σε ένα μηχάνημα και τα ολοκληρωμένα εξαρτήματα μπορούν να βγουν συσκευασμένα έτοιμα προς χρήση.Οι κατασκευαστές εξαρτώνται από μια μεγάλη γκάμα μηχανών CNC για να κατασκευάζουν τα πράγματα γρήγορα, με ακρίβεια και οικονομικά.