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

کنترل حرکت در راستای یک مسیر در ماشینهای CNC در واحد درونیاب صورت می گیرد. اکثر درونیابهای CNC  فقط قابلیت درونیابی در راستای خط و دایره را دارا می باشند . به دلیل اینکه برای ماشینکاری یک مسیر منحنی شکل در حالت عمومی با بکارگیری این نوع درونیابها نیاز به شکسته شدن منحنی به قطعاتی از خط و دایره می باشد، لذا این دو نوع درونیابی به تنهایی پاسخگوی همه کاربردها از جمله ماشینکاری در سرعتهای بالا، نیستند «۴». بنابراین بکارگیری نوع دیگری از درونیابها یعنی درونیابی در راستای یک منحنی ضروری به نظر می رسد. محققین مختلفی در این زمینه به تحقیق پرداخته اند و الگوریتمهای مختلفی را بر مبنای بکارگیری منحنی های پارامتری چند جمله ای در حالت عمومی ارائه داده اند.

قرارداد محورها در ماشینهای ابزار CNC

استاندارد RS-367A مربوط به EIA تا ۱۴ محور حرکت را در انواع ماشین های مختلف مشخص می کند. تعداد محورهای حرکت در ماشینهای ابزار معمولی عموماً تا پنج محور و در ماشینهای سنگ زنی تا چهارده محور نیز می رسد. ماشینهای ابزار در دستگاه مختصات کارتزین برنامه ریزی می شوند. سه محور اصلی حرکت با نامهای z,y,x شناخته می شوند که محور z عمود بر y,x بوده و سه محور یک سیستم مختصات دست راست را تشکیل می دهند حرکت مثبت محور z باعث دور شدن ابزار برش از قطعه کار می گردد.  جهت های مشخص شده در هر شکل نمایانگر جهت مثبت محورها در هر یک از ماشینها می باشد. در فرزکاری و سوراخکاری دو محور x,y در صفحه افقی قرار دارند. در ماشین سوراخکاری حرکت مثبت محور z باعث بالا رفتن اسپیندل می شود در حالیکه در فرز این حرکت بر عکس است. در تراش فقط دو محور برای ایجاد حرکت و ماشینکاری کافی است و چون اسپیندل بصورت افقی قرار دارد محور z نیز افقی است. همچنین حروف C,B,A نیز برای حرکت زاویه ای به ترتیب حول محورهای X,Y,Z  بکار می روند.

ساختمان یک برنامه NC:

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  M07

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

 طبقه بندی سیستم های کنترل عددی

سیستم های کنترل عددی را می توان بر اساس چهار گروه زیر طبقه بندی کرد:

۱-                  با توجه به نوع ماشین: ماشینکاری نقطه به نقطه در مقابل ماشینکاری پیوسته.

۲-                  بر اساس ساختمان کنترلر: سخت افزار یا NC در مقابل CNC .

۳-                  بر اساس روش برنامه سازی: روش نموی در مقابل روش مطلق.

۴-                  بر اساس نوع حلقه های کنترل: حلقه باز در مقابل حلقه بسته.

 ماشینکاری نقطه به نقطه در مقابل ماشینکاری پیوسته 

ساده ترین مثال از ماشین ابزار NC نقطه به نقطه (PTP) ماشین سوراخکاری است در سوراخکاری، قطعه کار در راستای محورها به حرکت در می آید تا محلی که می خواهد مرکز سوراخ در آنجا واقع شود دقیقاً زیر ابزار قرار گیرد. سپس اسپیندل بصورت اتوماتیک به سمت قطعه کار حرکت کرده و عملیات سوراخکاری انجام می شود. پس از اتمام سوراخ مورد نظر ماشین بدون کنترل پیشروی و با حرکت سریع به سمت بالا حرکت می کند و قطعه کار به نقطه جدیدی که می باید سوراخ شود منقل شده عملیات تکرار می گردد.

در یک سیستم PTP مسیر ابزار برش و نرخ پیشروی آن هنگام عبور از یک نقطه به نقطه بعدی اهمیت چندانی ندارد و مسیر حرکت از نقطه ابتدا تا نقطه انتهایی احتیاج به کنترل ندارد (شکل (۳-۲)). بنابراین سیستم فقط احتیاج به کنترل موقعیت در نقطه نهایی دارد یعنی جایی که در قطعه باید سوراخ شود. این نوع عملیات PTP بوسیله تابع G00 صورت می گیرد [۱].

در سیستم ماشینکاری یک مسیر پیوسته مانند عملیات فرزکاری در حالیکه ابزار عملیات برش را انجام می دهد محورها نیز قطعه کار را در مسیر خاصی حرکت می دهند. همه محورها می باید قادر باشند که بطور همزمان و با سرعتهای متفاوت حرکت کنند تا پروفیل مسیر مورد نظر را ایجاد کنند. مخصوصا وقتی یک مسیر غیر خطی مورد نظر باشد تغییر سرعت هر یک از محورها بسیار مهم است.

در سیستم های پیوسته موقعیت ابزار برشی در انتهای هر قسمت به همراه نسبت بین سرعت های محوری، مسیر صحیح را در ماشینکاری قطعه مورد نظر معین می کنند. همچنین پیشروی منتجه بر کیفیت سطح نهایی تأثیر می گذارد. به دلیل اینکه در این سیستم ها خطا در سرعت یک محور باعث ایجاد خطا در مسیر ماشینکاری می گردد. سیستم می باید دارای حلقه های کنترل موقعیت پیوسته نیز باشد. در ماشینهای CNC هر محور مجهز به یک حلقه کنترل موقعیت جداگانه و یک شمارنده برای دریافت اطلاعات ابعادی قطعه می باشد که این اطلاعات به همراه نرخ پیشروی مورد نظر به واحد پردازش داده ها DPU برای درونیابی مناسب منتقل می گردند.

پارامترهای مهم ماشینکاری و براده برداری در دستگاه فرز CNC

توسط نویسنده1 · منتشر شده · بروزشده 2016-10-04

بدیهی است برنامه نویسی جهت فرزکاری در دستگاه های کنترل عددی CNC پیش از هر چیز نیازمند شناخت روشهای مختلف کارکرد ماشین ابزار و پارامترهای موثر در آن می باشد . بر همین اساس در مقاله حاضر ابتدا به معرفی دو پارامتر مهم در ماشینکاری با دستگاههای فرز CNC که تحت عنوان Step Over و Step Down شناخته می شوند ,می پردازیم و سپس دو روش متداول ماشینکاری در این دستگاه ها یعنی روشهای براده برداری Raster و Offset را بررسی می کنیم.

مقدار جابجایی ابزار Step Over

مقدار جابجایی ابزار برای ماشین کاری یک قطعه کار بستگی به نوع ابزار دارد و بدین معنی است که ابزار بعد از طی یک مسیر مستقیم ماشین کاری چه مقدار جابجا شود. مقدار این پارامتر در مراحل خشن کاری و پرداخت یک قطعه کار می تواند متفاوت باشد و در کیفیت سطح و دقت ساخت سطوح شیب دار موثر است.

مقدار باردهی ابزار Step Down

مقدار باردهی ابزار (Step Down) به عمق نفوذ ابزار در قطعه در هر مرحله از حرکت گفته می شود و بستگی به موارد زیر دارد :

1-  مرحله ماشینکاری (خشن کاری ، پیش پرداخت ، پرداخت)

2-  جنس و فرم قطعه کار

3-  فرم و جنس ابزار

البته لازم به ذکر است تجربه برنامه نویس و ماشینکار در تعیین مقدار پارامتر Step Down تاثیر قابل ملاحظه ای دارد.

تعیین مسیر ماشین کاری  Tool Path

در تعیین مسیر حرکت ابزار روی قطعه در فرزکاری CNC , دو روش عمده وجود دارد که عبارتند از  :

روش Raster :

در این روش معمولا ابزار حرکت مستقیم دارد و به صورت رفت و برگشتی ماشین کاری را انجام می دهد. در این روش :

– حرکت ابزار به صورت منظم تری انجام می شود.

– براده برداری به صورت موافق ( Climb Milling) و مخالف ( Conventional Milling) انجام می شود.

– مقدار جابجایی ابزار در این روش بوسیله Step Over تعیین می شود.

– حرکت ابزار تابع مدل قطعه کار نمی باشد.

روش Offset :

در این روش معمولا حرکت ابزار از شکل قطعه کار و پروفیل تبعیت می کند و ابزار با شروع حرکت از درون یا بیرون قطعه کار بصورت چرخشی (در یک جهت) به براده برداری می پردازد. در این روش :

– حرکت ابزار تابعی از شکل قطعه کار است و معمولا حرکت منظمی ندارد.

– زمان ماشینکاری در این روش نسبت به روش Raster کمتر است.

– حرکات اضافی ابزار نسبت به روش Raster بیش تر است.

– مقدار Step Over با توجه به جبران شعاع ابزار طبق محاسبات قبلی انجام می شود.

تعیین مسیر و نوع ماشینکاری (روش موافق ،مخالف یا ترکیبی) و همچنین انتخاب ابزار بر عهده برنامه نویس می باشد و لازم است در این جهت به نکات زیر توجه شود :

– زمان ماشین کاری قطعه به حداقل برسد.

– مقدار حرکات اضافی ابزار حذف شود.

– جهت کاهش زمان ماشین کاری، از بزرگترین ابزار موجود ممکن استفاده شود. (جهت آشنایی با مفهوم طراحی برای ماشینکاری این مقالات را مطالعه کنید)

– برنامه نویس با توجه به شکل قطعه کار می تواند برنامه ماشین فرز CNC را به صورت مطلق یا نسبی بنویسد.

 در ماشینهای فرز CNC به هر ابزاری که بتواند قطعه کار را در زمان ماشینکاری روی میز ماشین محکم ببندد , نگه دارنده یا Work.holder گفته می شود. نگه داشتن و بستن قطعه کار روی میز ماشین به دو جزء تقسیم می شود:

در این مقاله به روشهای مختلف موقعیت دهی ابزارهای نگه دارنده و انتخاب آنها خواهیم پرداخت.

تعیین موقعیت ابزارهای نگه دارنده

شیار T شکل (T Slot)

این نوع شیارها متداول ترین وسیله برای موقعیت دهی و نگه داشتن ابزارهای نگه دارنده روی میز دستگاه محسوب می شوند. شیارهای T شکل ساده و محکم بوده و کار خود را بخوبی انجام می دهند. برای اتصال قطعات به آنها از مهره های T شکل و Stud مناسب و یا هر نوع پیچ هم اندازه دیگر می توان استفاده نمود.

علی رغم اینکه آنها بسیار متداول هستند در مقایسه با روشهای دیگر ,معایبی نیز دارند. این شیارها فضای مناسبی را جهت جمع شدن براده ها فراهم می کنند ولی در عین حال این ایراد را نیز دارند که نمی توان به کمک آنها ,یک گیره

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

کنترل حرکت در راستای یک مسیر در ماشینهای CNC در واحد درونیاب صورت می گیرد. اکثر درونیابهای CNC  فقط قابلیت درونیابی در راستای خط و دایره را دارا می باشند . به دلیل اینکه برای ماشینکاری یک مسیر منحنی شکل در حالت عمومی با بکارگیری این نوع درونیابها نیاز به شکسته شدن منحنی به قطعاتی از خط و دایره می باشد، لذا این دو نوع درونیابی به تنهایی پاسخگوی همه کاربردها از جمله ماشینکاری در سرعتهای بالا، نیستند «۴». بنابراین بکارگیری نوع دیگری از درونیابها یعنی درونیابی در راستای یک منحنی ضروری به نظر می رسد. محققین مختلفی در این زمینه به تحقیق پرداخته اند و الگوریتمهای مختلفی را بر مبنای بکارگیری منحنی های پارامتری چند جمله ای در حالت عمومی ارائه داده اند.

قرارداد محورها در ماشینهای ابزار CNC

استاندارد RS-367A مربوط به EIA تا ۱۴ محور حرکت را در انواع ماشین های مختلف مشخص می کند. تعداد محورهای حرکت در ماشینهای ابزار معمولی عموماً تا پنج محور و در ماشینهای سنگ زنی تا چهارده محور نیز می رسد. ماشینهای ابزار در دستگاه مختصات کارتزین برنامه ریزی می شوند. سه محور اصلی حرکت با نامهای z,y,x شناخته می شوند که محور z عمود بر y,x بوده و سه محور یک سیستم مختصات دست راست را تشکیل می دهند حرکت مثبت محور z باعث دور شدن ابزار برش از قطعه کار می گردد.  جهت های مشخص شده در هر شکل نمایانگر جهت مثبت محورها در هر یک از ماشینها می باشد. در فرزکاری و سوراخکاری دو محور x,y در صفحه افقی قرار دارند. در ماشین سوراخکاری حرکت مثبت محور z باعث بالا رفتن اسپیندل می شود در حالیکه در فرز این حرکت بر عکس است. در تراش فقط دو محور برای ایجاد حرکت و ماشینکاری کافی است و چون اسپیندل بصورت افقی قرار دارد محور z نیز افقی است. همچنین حروف C,B,A نیز برای حرکت زاویه ای به ترتیب حول محورهای X,Y,Z  بکار می روند.

ساختمان یک برنامه NC:

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  M07

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

 طبقه بندی سیستم های کنترل عددی

سیستم های کنترل عددی را می توان بر اساس چهار گروه زیر طبقه بندی کرد:

۱-                  با توجه به نوع ماشین: ماشینکاری نقطه به نقطه در مقابل ماشینکاری پیوسته.

۲-                  بر اساس ساختمان کنترلر: سخت افزار یا NC در مقابل CNC .

۳-                  بر اساس روش برنامه سازی: روش نموی در مقابل روش مطلق.

۴-                  بر اساس نوع حلقه های کنترل: حلقه باز در مقابل حلقه بسته.

 ماشینکاری نقطه به نقطه در مقابل ماشینکاری پیوسته 

ساده ترین مثال از ماشین ابزار NC نقطه به نقطه (PTP) ماشین سوراخکاری است در سوراخکاری، قطعه کار در راستای محورها به حرکت در می آید تا محلی که می خواهد مرکز سوراخ در آنجا واقع شود دقیقاً زیر ابزار قرار گیرد. سپس اسپیندل بصورت اتوماتیک به سمت قطعه کار حرکت کرده و عملیات سوراخکاری انجام می شود. پس از اتمام سوراخ مورد نظر ماشین بدون کنترل پیشروی و با حرکت سریع به سمت بالا حرکت می کند و قطعه کار به نقطه جدیدی که می باید سوراخ شود منقل شده عملیات تکرار می گردد.

در یک سیستم PTP مسیر ابزار برش و نرخ پیشروی آن هنگام عبور از یک نقطه به نقطه بعدی اهمیت چندانی ندارد و مسیر حرکت از نقطه ابتدا تا نقطه انتهایی احتیاج به کنترل ندارد (شکل (۳-۲)). بنابراین سیستم فقط احتیاج به کنترل موقعیت در نقطه نهایی دارد یعنی جایی که در قطعه باید سوراخ شود. این نوع عملیات PTP بوسیله تابع G00 صورت می گیرد [۱].

در سیستم ماشینکاری یک مسیر پیوسته مانند عملیات فرزکاری در حالیکه ابزار عملیات برش را انجام می دهد محورها نیز قطعه کار را در مسیر خاصی حرکت می دهند. همه محورها می باید قادر باشند که بطور همزمان و با سرعتهای متفاوت حرکت کنند تا پروفیل مسیر مورد نظر را ایجاد کنند. مخصوصا وقتی یک مسیر غیر خطی مورد نظر باشد تغییر سرعت هر یک از محورها بسیار مهم است.

در سیستم های پیوسته موقعیت ابزار برشی در انتهای هر قسمت به همراه نسبت بین سرعت های محوری، مسیر صحیح را در ماشینکاری قطعه مورد نظر معین می کنند. همچنین پیشروی منتجه بر کیفیت سطح نهایی تأثیر می گذارد. به دلیل اینکه در این سیستم ها خطا در سرعت یک محور باعث ایجاد خطا در مسیر ماشینکاری می گردد. سیستم می باید دارای حلقه های کنترل موقعیت پیوسته نیز باشد. در ماشینهای CNC هر محور مجهز به یک حلقه کنترل موقعیت جداگانه و یک شمارنده برای دریافت اطلاعات ابعادی قطعه می باشد که این اطلاعات به همراه نرخ پیشروی مورد نظر به واحد پردازش داده ها DPU برای درونیابی مناسب منتقل می گردند.

پارامترهای مهم ماشینکاری و براده برداری در دستگاه فرز CNC

توسط نویسنده1 · منتشر شده · بروزشده 2016-10-04

بدیهی است برنامه نویسی جهت فرزکاری در دستگاه های کنترل عددی CNC پیش از هر چیز نیازمند شناخت روشهای مختلف کارکرد ماشین ابزار و پارامترهای موثر در آن می باشد . بر همین اساس در مقاله حاضر ابتدا به معرفی دو پارامتر مهم در ماشینکاری با دستگاههای فرز CNC که تحت عنوان Step Over و Step Down شناخته می شوند ,می پردازیم و سپس دو روش متداول ماشینکاری در این دستگاه ها یعنی روشهای براده برداری Raster و Offset را بررسی می کنیم.

مقدار جابجایی ابزار Step Over

مقدار جابجایی ابزار برای ماشین کاری یک قطعه کار بستگی به نوع ابزار دارد و بدین معنی است که ابزار بعد از طی یک مسیر مستقیم ماشین کاری چه مقدار جابجا شود. مقدار این پارامتر در مراحل خشن کاری و پرداخت یک قطعه کار می تواند متفاوت باشد و در کیفیت سطح و دقت ساخت سطوح شیب دار موثر است.

مقدار باردهی ابزار Step Down

مقدار باردهی ابزار (Step Down) به عمق نفوذ ابزار در قطعه در هر مرحله از حرکت گفته می شود و بستگی به موارد زیر دارد :

1-  مرحله ماشینکاری (خشن کاری ، پیش پرداخت ، پرداخت)

2-  جنس و فرم قطعه کار

3-  فرم و جنس ابزار

البته لازم به ذکر است تجربه برنامه نویس و ماشینکار در تعیین مقدار پارامتر Step Down تاثیر قابل ملاحظه ای دارد.

تعیین مسیر ماشین کاری  Tool Path

در تعیین مسیر حرکت ابزار روی قطعه در فرزکاری CNC , دو روش عمده وجود دارد که عبارتند از  :

روش Raster :

در این روش معمولا ابزار حرکت مستقیم دارد و به صورت رفت و برگشتی ماشین کاری را انجام می دهد. در این روش :

– حرکت ابزار به صورت منظم تری انجام می شود.

– براده برداری به صورت موافق ( Climb Milling) و مخالف ( Conventional Milling) انجام می شود.

– مقدار جابجایی ابزار در این روش بوسیله Step Over تعیین می شود.

– حرکت ابزار تابع مدل قطعه کار نمی باشد.

روش Offset :

در این روش معمولا حرکت ابزار از شکل قطعه کار و پروفیل تبعیت می کند و ابزار با شروع حرکت از درون یا بیرون قطعه کار بصورت چرخشی (در یک جهت) به براده برداری می پردازد. در این روش :

– حرکت ابزار تابعی از شکل قطعه کار است و معمولا حرکت منظمی ندارد.

– زمان ماشینکاری در این روش نسبت به روش Raster کمتر است.

– حرکات اضافی ابزار نسبت به روش Raster<