شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
ماشین کاری

ماشین کاری CNC

ماشین کاری CNC

ارسالی از : اسحاق کاظمی

ماشین کاری

مقدمه
همانطور که باپیشرفت تکنولوژی انتظار می رود قطعات صنعتی دارای پیچیدگی های هندسی متفاوتی باشند و صنعت توان تولید اینگونه قطعات را داشته باشد، بالطبع فقط با استفاده از ماشین ابزارهایی با دقت بالا این امرتحقق می یابد. با پیشرفت چشمگیری که در صنعت الکترونیک در دهه هفتاد میلادی به وجود آمد بکارگیری مینی کامپیوتر ها در صنعت ماشینکاری مرسوم گردید.
ماشین ابزارهایی که به کمک کامپیوتر هدایت می شدند CNC نام گرفتند. به کمک CNC به تدریج دقت مورد نیاز برای تولید قطعات پیچیده در صنایع مختلف مانند هوافضا و قالب سازی حاصل شد. با دست یابی به تلرانسهای بسیار دقیق برای تولید یک قطعه تدریجا اندیشه بالاتر بردن سرعت تولید نیز قوت یافت. با ساخت ابزارهایی با سختی زیاد، شرایط برای بالا بردن نرخ تولید نیز بهبود یافت. تا اینکه امروزه با بکارگیری تکنیکهای ماشینکاری با سرعتهای بالا قطعاتی با تلرانسهای دقیق در زمان بسیار کوتاهی تولید می گردند. برای دست یابی به قابلیت ماشین کاری با سرعتهای بالا می باید در زمینه های مختلف مانند طراحی سازه ای، کنترل ارتعاشات خود برانگیخته، یافتن بهترین نرخ براده برداری و کنترل حرکت و سرعت در راستای مسیر مورد نظر به پیشرفتهایی دست یافت.

CNC ماشینکاری
سیستم های تولید پیشرفته و رباتهای صنعتی سیستم های اتوماتیک پیشرفته ای هستند که از کامپیوترها به عنوان واحد کنترل استفاده می کنند. کامپیوترها امروزه اصلی ترین قسمت اتوماسیون می باشند که سیستم های مختلف تولید مانند ماشینهای ابزار پیشرفته، ماشین های جوشکاری دستگاههای برش لیزری و غیره را کنترل می کنند.
پس از اینکه مکانیزم تولید اتوماتیک و تولید انبوه در اواخر قرن ۱۸ توسعه یافت اولین ماشینهای ابزار اتوماتیک مانند ماشینهای کپی تراش بوجود آمدند نخستین ماشین ابزار کنترل عددی بوسیله شرکت پارسونز در سال ۱۹۵۲ ساخته شد.
اولین نسل ماشین های کنترل عددی از مدارهای الکترونیکی دیجیتال استفاده می کردند و در حقیقت در آنها هیچ واحد پردازش مرکزی وجود نداشت در دهه ۱۹۷۰ با بکارگیری مینی کامپیوترها به عنوان واحد کنترل ماشین های ابزار با کنترل عددی به کمک کامپیوتر گسترش یافتند.
این ماشینها توانایی ماشینکاری انواع شکلهای پیچیده در صنعت قالب سازی و هوافضا را به خوبی دارا بودند. از اواسط دهه ۸۰ با توسعه صنعت ساخت ابزارهایی با سختی بالا ماشینکاری با سرعتهای بالا به منظور افزایش نرخ تولید رواج یافت. بکارگیری این قابلیت نیاز به داشتن اطلاعات ویژه ای درباره نرخ براده برداری بهینه پیش بینی وقوع ارتعاشات خود برانگیخته طراحی سازه ای و نحوه کنترل محورها را بیش از پیش ضروری ساخت.
امروزه علاوه بر این موارد انتخاب صحیح نرخ پیشروی و شتاب گیری محورها در ماشینکاری با سرعت بالا حایز اهمیت می باشد بطوری که سعی می شود به نحوی مقادیر بهینه آنها در ماشینکاری بکار گرفته شود.
هم اکنون با پیشرفت در صنعت الکترونیک و کامپیوتر، ماشینهای سی ان سی با بکارگیری چندین میکروپرسسور و کنترل کننده های منطقی بطور موازی قابلیت های بسیاری را دارا می باشند بطوری که این Real-Time ماشینها قابلیت کنترل موقعیت و سرعت چندین محور و قابلیت برنامه ریزی بصورت و نمایش گرافیکی مراحل مختلف کار و پروسه برش و نمایش تغییر اندازه قطعه در حل ماشینکاری را دارا می باشند.

انواع بسیار گوناگونی دارند که هر کدام عملکردی مخصوص به خود دارند.CNC ماشین های در این دستگاه ها که توسط کامپیوتر هدایت می شوند ابتدا طرح مورد نظر را تولید کرده،در کامپیوتر آن طرح را به در می آوریم و پس از قرار دادن ماده مورد نظر ، دستگاه آن طرح را بر روی ماده انجام می دهد صورت جی کد تعریف می شود. X Y Z جی کد در سه محور معروفترین دستگاه های سی ان سی، لیزر و فرز سی ان سی هستند. دستگاه های لیزر فلزات می توانند انواع حکاکی ، برش لیزر و جوش لیزری را روی فلزات مختلف انجام دهد. نوع دیگر ، دستگاه لیزر غیر فلزات است که می توان از آن برای حکاکی وبرش روی نواد بسیار مختلفی مانند چوب ، فلکسی گلاس،شیشه ،پارچه،فلز و… استفاده کرد. و وسایلی نظیر ساعت دیواری ، تابلوهای معرق، قطعات صنعتی پیچیده و … را تولید کرد.
است ، که در آن بجای لیزر CNC نوع دیگر ماشین های سی ان سی که از آن استفاده زیادی می شود دستگاه فرز از تیغه یا نوک فرز استفاده می شود. این ماشین ها نیز توسط کامپیوتر کنترل شده و می تواند بر روی چوب ،سنگ،فلزات برش و حکاکی را انجام دهند.
مزیت دستگاه فرز سی ان سی نسبت به سی ان سی لیزر غیر فلزات ،عمق برش و حکاکی آن است که با آن می توان وسایل زیادی مانند کابینت ،درب،میز،کمد و… را تولید کرد. انواع دیگر ماشین های سی ان سی دستگاه برش پلاسما، واترجت،یا برش واتر جت،دستگاه هوابرش و… هستند که کاربردهای زیادی در صنایع محتلف دارند.

CNC اجزا
یک ماشین ابزار CNC از سه قسمت اصلی تشکیل شده است: واحد مکانیکی ماشین ابزار، واحد تولید قدرت (شامل موتورها و تقویت کننده ها) و واحد CNC .
واحد مکانیکی ماشین شامل بستر، ستونها، اسپیندل و سیستم محرک پیشروی می باشد. همچنین موتورهای محرک، تقویت کننده ها، منبع تغذیه ولتاژ بالا، سویچ های حدی از اجزای واحد الکترونیکی دستگاه می باشند. قسمت CNC دستگاه که بعنوان مرکز محاسبه و صدور فرمان حرکت محورها مطرح می گردد شامل حس گرهای موقعیت و سرعت و واحد کنترل دستگاه MCU می باشد.
واحد MCU از دو قسمت اصلی به نامهای واحد پردازش اطلاعات DPU و واحد حلقه های کنترل CLU تشکیل شده است وظیفه DPU رمزگشایی اطلاعات رسیده از برنامه قطعه کار و انتقال آن به CLU می باشد این اطلاعات شامل موقعیت ها و سرعت های مورد نیاز هر یک از محورها و همچنین سیگنالهای کنترل توابع کمکی می باشد از طرف دیگر CLU نیز به محض اتمام عملیات لازم برای ماشینکاری یک قسمت، اطلاعات لازم برای ماشینکاری قسمت بعدی را با فرستادن یک سیگنال درخواست می کند. همچنین CLU موتورهای هر یک از محورهای ماشین دارای یک موتور محرک و یک وسیله پس خور مجزا می باشند در سیستم های NC کل واحد MCU بصورت مدارهای سخت افزاری می باشند در حالیکه در CNC وظیفه قسمت DPU را نرم افزار انجام می دهد اما CLU همانند سیستم های NC از قطعات سخت افزاری تشکیل شده است.

مبانی NC
کنترل یک ماشین ابزار بوسیله یک برنامه تهیه شده را کنترل عددی (NC) می نامند. یک سیستم کنترل عددی توسط (Electronic Industrial Association) EIA بصورت زیر تعریف می گردد:
سیستم کنترل عددی سیستمی است که حرکات در آن بوسیله وارد کردن اطلاعات بصورت عددی در هر نقطه صورت می گیرد و این سیستم می باید این اطلاعات را به عنوان فرمان به صورت اتوماتیک اجرا کند.
در یک سیستم NC اطلاعات عددی مورد نیاز برای تولید یک قطعه بصورت برنامه قطعه به ماشین داده می شود که این برنامه در گذشته بوسیله نوار پانچ به ماشین وارد می شد. برنامه یک قطعه به صورت بلوکهایی از اطلاعات مرتب می شود که هر بلوک حاوی اطلاعات عددی مربوط به تولید یک قسمت از قطعه کار مانند: طول قطعه، سرعت برش، نرخ پیشروی و … می باشد. اطلاعات ابعادی (طول، عرض، شعاع دوایر) و نوع درونیابی (خطی، دایره ای، در راستای منحنی) با توجه به طراحی قطعه مشخص می گردند. همچنین سرعت برش، نرخ پیشروی و توابع کمکی مانند خاموش و روشن کردن مایع خنک کننده جهت چرخش اسپیندل و … با توجه به پرداخت نهایی سطح و تلرانسهای مورد نیاز در برنامه قطعه کار وارد می گردند.
در مقایسه با ماشینهای ابزار سنتی، سیستم NC جایگزین عملیاتی می شود که اپراتور بصورت دستی انجام می دهد. در ماشینکاری سنتی یک قطعه با حرکت ابزار در طول قطعه کار بوسیله چرخاندن دستگیره متصل به پیچهای راهنما توسط اپراتور تولید می شود. بنابراین نیاز به اپراتوری با تجربه و زبردست می باشد که بتواند قطعه مورد نظر را ماشینکاری کند. اما در ماشین های NC نیازی به اپراتور با مهارت نیست در حقیقت اپراتور فقط می باید مراقب درست انجام شدن روند ماشینکاری با توجه به دستورات منتقل شده به ماشین باشد.
کلیه ابعادی که در برنامه وارد می گردند بر اساس واحد طول-مبنی (Basic Length Unit) BLU مقیاس بندی شده و به محورها ارسال می گردند. واحد طول – مبنی (BLU) به عنوان اندازه نمو نیز شناخته می شود که در عمل مربوط به دقت سیستم NC می شود و در حقیقت کوچکترین اندازه نموی می باشد که هر یک از محورهای می توانند حرکت کنند. در سیستم NC برای صدور فرمان حرکت هریک از محورها ابتدا طول حقیقی بر واحد-طول مبنی تقسیم می گردد. بعنوان مثال در یک سیستم NC که در آن BLU=0.0001 است برای حرکت ۰٫۷ mm محور x در جهت مثبت دستور حرکت x+700 صادر می شود.
در ماشینهای NC هریک از محورهای حرکت مجهز به یک وسیله محرک جداگانه می باشند. این وسیله محرک می تواند یک dc موتور، یک عمل کننده هیدرولیکی و یا یک موتور پله ای باشد که بر اساس قدرت مورد نیاز دستگاه انتخاب می شوند.
یک برنامه NC مراحل ماشینکاری یک قطعه را نمایش می دهد. این برنامه از بلوکهایی حاوی اطلاعات تشکیل شده است که هر بلوک با حرف N شروع شده و با شماره خط مشخص می گردد. بعنوان مثال یک بلوک معمولی از یک برنامه NC می بتواند به شکل زیر باشد:
N0040 G91 X25 Y10 Z-12.55 F150 S1100 T06 M03
هر بلوک از چندین کلمه تشکیل شده است و هر کلمه با یک حرف شروع می شود که عدد بعد از آن نمایانگر فرمان مشخصی برای ماشین می باشد. کلماتی که با حروف M,G شروع می شوند به ترتیب به عنوان مقدماتی و توابع متفرقه معرفی می گردند. انواع حروف مورد استفاده در ماشینهای کنترل عددی را می توان بصورت خلاصه به شکل زیر تشریح نمود:
N …… شماره خط برنامه
G …… توابع مقدماتی
X …… حرکت در راستای محور x
Y …… حرکت در راستای محور y
Z …… حرکت در راستای محور z
A …… حرکت زاویه ای حول محور x
B …… حرکت زاویه ای حول محور y
C …… حرکت زاویه ای حول محور z
F …… نرخ پیشروی
M …… توابع کمکی
S …… سرعت اسپیندل
T …… شماره ابزار
R …… حرکت سریع محور z
انواع کلمات مجاز در NC و توابع مربوط به آنها را می توان در استاندارد بین المللی ISO1056 یافت.
ماشینکاری با سرعتهای بالا
نیاز صنعت به افزایش نرخ تولید همراه با کیفیت باای محصولات نهایی باعث بکارگیری روشهای ماشینکاری با سرعت بالا (HSM) شده است. اصولاً با پیشرفت در صنعت ساخت ابزارهایی با سختی بالا مانند CBN و Si3N4 راه برای افزایش نرخ براده برداری (MRR) هموار شد. با بکارگیری تحقیقات وسیعی که انواع سازندگان مشین انجام داده اند امروزه نرخ براده برداری بصورت چشمگیری افزایش یافته است و این به معنی کاهش زمان تولید و افزایش بازده تولید می باشد. لذا استفاده از HSM روز به روز با استقبال گسترده تری مواجه می شود.
بطور کلی با بکارگیری قابلیت HSM در یک ماشین انجام عملیات ماشینکاری سریعتر صورت می گیرد. بعنوان مثال در سوراخکاری و قلاویز کاری، HSM باعث حرکت سریع بین سوراخها و رفت و برگت سریع اسپیندل می گردد. اما عملکرد HSM در ماشینکاری سه بعدی انواع قالبها و سطوح پیچیده یعنی زمانی که نیاز به ماشینکاری در راستای میلیونها خط می باشد بهتر نمایان می شود. مثلاً در یک نمونه ماشینکاری قالب تزریق پلاستیک با بکارگیری HSM زمان ماشینکاری از ۳ ساعت و ۴۵ دقیقه به ۱۷ دقیقه کاهش یافته است.
با بکارگیری HSM علاوه بر افزایش نرخ براده برداری، سطح نهایی قطعه کار نیز مطلوبتر بوده و لذا نیاز به انجام عملیات ثانویه نظیر پرداخت کاری نخواهد بود. همچنین به علت براده برداری سریع اثرات ناشی از حرارت کاهش یافته و گرما به قطعه کار منتقل نمی گردد.
از دیگر مزایای استفاده از HSM کم شدن نیروهای برش می باشد. کاهش نیروهای برش علاوه بر تأثیر روی توان موردنیاز ماشینکاری بر روی وزن فیکسچرهای مورد استفاده نیز تأثیر می گذارد. بدین ترتیب که نیروی برش کمتر فیکسچر سبکتری را برای نگهداری قطه کار طلب می کند. همچنین کم شدن نیروی برش باعث طولانی شدن عمر ابزار نیز می شود.
مفهوم سرعتهای بالا در ماشینکاری
عبارت HSM توانایی ماشینکاری با سرعتهای سریع تر را نوید می دهد اما در ابتدا باید مفهوم کلمه سریعتر مشخص گردد.
در حقیقت همگی ما بر اساس تجربیات و نوع کاربردمان تصور متفاوتی از کلمه سریعتر داریم. از آنجایی که طبق تئوری انیشتین هر حرکتی نسبی بوده لذا هر سرعتی نیز نسبی می باشد و HSM نیز از این امر مستثنی نیست و در حقیقت یک مفهوم نسبی است. مفهوم سرعت بالا می تواند با توجه به نوع عملیات و نوع ماده متفاوت باشد به عنوان مثال در قالب سازی افزایش نرخ پیشروی از میزان ۲۵۰ mm/min در ماشینکاری قطعه از از جنس فولاد سخت شده تا ۷۶۰ mm/min واقعا به مفهوم ماشینکاری با سرعت بالاست. یا افزایش سرعت فرزکاری از ۳۸۰ mm/min تا ۲۶۰۰ mm/min در قنگام کار با یک قطعه آلومینیومی را نیز می توان به معنی استفاده از سرعتهای بالا دانست. اما در فرزکاری شابلونی از جنس نرم سرعتی حدود ۲۰۰۰۰ mm/min نیز سرعت بالایی به حساب نمی آید.
به عبارت ساده HSM ماشینکاری با سرعتهایی بیشتر از سرعتهای معمول در ماشینکاری سنتی می باشد. با این وجود تعاریف مختلفی بر اساس قطر و سرعت اسپیندل، سرعت و توان و دالانهای پایداری برای HSM ارائه شده است .

اثر قسمت بندی بر روی زمان ماشینکاری
همانطوری که در قسمتهای قبلی نیز اشاره شد اکثر ماشینهای CNC فقط دارای قابلیت درونیابی خطی و دایره ای می باشند. در نتیجه برای ماشینکاری یک مسیر منحنی، درابتدا این مسیر به قطعاتی از خط و یا دایره شکسته شده و سپس بر مبنای این قطعات ماشینکاری می گردد.
به این ترتیب برای ماشینکاری یک منحنی نیاز به ماشینکاری تعداد زیادی مسیر خطی و دایره ای می باشد که این عمل علاوه بر اینکه بر روی صافی سطح و دقت منحنی تأثیر می گذارد برروی زمان ماشینکاری نیز مؤثر است. با وجود اینکه درک تأثیر قطعه بندی یک منحنی بر روی روند ماشینکاری بسیار حائز اهمیت است اما اکثر مراجع از بیان و توضیح این مطلب چشم پوشی نموده اند. در این مبحث سعی می گردد این مطلب دقیق تر بررسی گردد .
تأثیر تقسیم بندی منحنی به قطعات کوچکتری از خط و دایره در ماشینکاری در سرعت های بالا (HSM) اهمیت بیشتری پیدا می کند. زیرا یکی از اهداف اساسی استفاده از HSM کاهش زمان ماشینکاری می باشد در حالیکه این عمل باعث افزایش زمان تولید می گردد. دلایل افزایش زمان ماشینکاری در هنگام تقریب یک منحنی توسط خط و یا دایره را می توان به صورت زیر بیان نمود:
الف) با شکسته شدن یک منحنی به تعداد زیادی خط و یا دایره حجم برنامه قطعه کار به مقدار زیادی افزایش می یابد. لذا نیاز به زمان پردازش بیشتر، مقدار حافظه بالاتر و کامپیوتر های سریعتر برای تولید فرمان می باشد. این مسأله در هنگام ماشینکاری سطوح اهمیت بیشتری پیدا می کند. زیرا در این حالت یک سطح از تعداد زیادی منحنی تشکیل شده که هر یک از منحنی ها خود شامل هزاران خط می باشند.
ب) در هنگام ماشینکاری یک خط راست با سرعت ثابت به دلیل اینکه همواره طول خط مضرب صحیحی از تعداد BLU لازم برای پیمودن یک گام نمی باشد. لذا گام آخر برای طی شدن مسیر خطی از سایر گام ها کوچکتر است. در نتیجه با توجه به ثابت بودن T در طول مسیر، سرعت ثابت نرخ پیشروی به صورت اتوماتیک کاهش می یابد. برای بررسی دقیقتر این موضوع از یک مثال عددی استفاده می کنیم :
یک ماشین CNC را در نظر بگیرید که توانایی حرکت ۰٫۰۱ میلی‌متر به ازاء هر پالس را دارا بوده (BLU=0.01mm) و زمان هر بازه درونیابی آن T=0.01 sec باشد. فرض کنیم می خواهیم یک خط راست را که در راستای یک محور قرار دارد با سرعت V=4 mm/sec ماشینکاری کنیم (یعنی BLU/T4). وقتی که درونیاب خطی CNC طول l مربوط به خط و نرخ پیشروی۴ V= را دریافت می کند شروع به فرستادن فرمان حرکت به میزان BLU 4در هر بازه زمانی T می نماید. در نتیجه با توجه به سرعت مشخص شده، مسیر l طی می گردد. آخرین فرمان حرکت برای طی شدن کامل مسیر ممکن است کمتر از مقدار BLU 4باشد. مثلاً اگر طول خط مورد نظر۲۲ l= BLU باشد.
آخرین نمو حرکت در این شکل کوچکتر از بقیه است. زیرا طول خط ( BLU22) مضرب صحیحی از میزان حرکت در هر بازه زمانی ( BLU4) نیست.
در طول پنج مرحله اول درونیابی سرعت برابر است. اما در مرحله آخر سرعت فقط خواهد بود . زیرا با توجه به ثابت بودن Ti با کاهش سرعت در مرحله آخر مقدار نمو طی شده در این مرحله نیز کاهش می یابد. قاعدتاً سرعت کوچکتر در آخرین گام، امری واضح به حساب می آید.
اکنون برای درک بهتر اثر قسمت بندی یک منحنی در حالت عمومی، تقسیم بندی خطی با طول۵۵ l= BLU را به قطعات کوچکتر در نظر می گیریم. اثر تقسیم بندی این خط را در حالات زیر بررسی می کنیم:
a) خطی یک تکه با طول BLU55
b) خط راست را به سه قسمت تقسیم می کنیم: دو قسمت با طولهای BLU 18و یک قسمت با طول ۱۹ BLU.
c) خط راست را به شش قسمت تقسیم می کنیم: پنج قسمت با طول BLU 9و یک قسمت با طول ۱۰ BLU.
d) خط را به یازده قسمت تقسیم می کنیم که هر قسمت دارای طول BLU 5می باشد.
اگر طول هر قسمت مضرب صحیح از ۴ نباشد آخرین نمو حرکت از BLU4کمتر خواهد بود، که به معنی کاهش سرعت در آخرین بازه زمانی است. همانطوری که مشخص است تقسیم خط به تعداد قطعات بیشتر تغییرات نرخ پیشروی را افزایش داده و باعث پایین آمدن سرعت میانگین و افزایش زمان مورد نیاز برای ماشینکاری مسیر می گردد. زمان ماشینکاری برای یک تکه خط با طول ۵۵ BLU برابر T 14می باشد. در حالیکه این زمان به ۲۲T T ,15 T18برای تقسیمات مختلف در حالتهای به ترتیب (b) ، (c) و (d) افزایش می یابد.
وضعیتی که در مورد تقسیم بندی خط به تعدادی خطوط کوچکتر بیان شد می تواند در مواردی که یک خط در دو بعد یا در فضا در نظر گرفته می شود حتی بحرانی تر نیز باشد. مخصوصاً وقتی این وضعیت در حالت کلی برای یک منحنی می تواند بسیار پیچیده تر می باشد. لذا برای دوری جستن از این معایب، بسط و توسعه الگوریتم هایی با قابلیت درونیابی در راستای یک منحنی مخصوصاً در ماشینکاری با سرعت های بالا ضروری بنظر می رسد.

منابع وماخذ :
ماشینهای کنترل عددی cnc مهندس محسن لطفی
سایت ویکی پدیا
سایت ابزار دانش
سایر پایگاه های اینترنتی

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

برش واترجت

گرد آورندگان:حسن شمشیری،رضا ذبیحی،محمد فرزانه،بهزاد حامد،ابوالفضل فیضی،هادی زنوزی استاد راهنما:جناب آقای سازگاران دانشگاه فناوری های …

پاسخ دهید

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

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.