در گذشته انسان ها تمامی کارهای خود را با دست و نهایتا ابزارهای ساده کمکی انجام میدادند. از این رو ساخت بناها و سازه های مختلف بسیار زمان گیر و هزینه بر بود. انسان های زیادی باید سال های زیادی را مشغول میشدند تا می توانستند یک اثر ساده را خلق کنند. همچنین به دلیل محدودیت های ابزارهای سادهای که وجود داشت، بشر نمیتوانست تمامی ایده های ذهنی خود را پیاده سازی کند. این روال ادامه داشت تا اینکه در عصر انقلاب صنعتی، یک جهش بزرگ ایجاد شد. بسیاری از ماشین های غول پیکر و ابزارهای مختلف به یاری انسانها در بخشهای مختلف صنعت آمدند که ثمره آن افزایش کارایی و خلاقیت در تولیدات جدید بود.

با گذشت زمان و رسیدن انسان ها به دستاوردهای گوناگون در زمینه های مختلف، این حرکت همواره در جهت ساخت ابزار و وسایلی برای کمک به زندگی بهتر انسان بوده است. این روال بهینه سازی در ابزارهای صنعتی مختلف نیز اتفاق افتاده است و انسانها امروزه به دستگاه ها و ابزار های دست یافته اند که می توانند بشر را در زمینه های گوناگون مانند کشاورزی ، صنایع غذایی، ساختمان سازی، الکتریکی و… یاری کنند. در ادامه بشر به دنبال ابزاری بود که علاوه بر انجام کارهای عظیم از دقت و صحت بالایی نیز برخوردار باشد و لازمه این موضوع استفاده از یک اپراتور یا پردازنده دقیق بود، این مهم با روی کار آمدن رایانه ها در کنار دیگر دستگاه های صنعتی در صنعت مهیا شد.

CNC یکی از ابزار آلات صنعتی رایانهای است که در قرن بیستم ظهور کرد و در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار گرفت. در ادامه به معرفی این دستگاه، انواع آن، کاربردها و بررسی مزایا و معایب آن میپردازیم.

دستگاه CNC چیست؟

CNC فرم کوتاه شده مخفف Computer numerical control یا کنترل عددی رایانه ای است. کنترل عددی رایانه ای (CNC) روشی برای کنترل خودکار ابزارهای دستگاه از طریق استفاده از نرم افزار نصب شده در یک میکرو رایانه متصل به ابزار است. معمولاً در ساخت و ماشینکاری قطعات فلزی و پلاستیکی و چوبی، شیشه ای و کامپوزیتی استفاده می شود. این تکنولوژی نرم افزاری تمام وظایف کار را به عهده دارد، به گونه ای که در طول فرایند ماشین کاری یا ساخت نیازی به انجام عملیات های دستی و حضور اپراتور در پای دستگاه نیست.

تاریخچه دستگاه CNC

جان تی پارسونز (2007-1913) از شرکت پارسونز در تراورس سیتی، MI را پیشگام کنترل عددی و پیشبرد دستگاه CNC مدرن می دانند. او در کار خود نیاز به ساخت پره های پیچیده هلی کوپتر داشت و به سرعت متوجه شد که آینده تولید اتصال ماشین ها به رایانه وابسته است. جان پارسونز هلیکوپتر سیکورسکی (Sikorsky Helicopter) را متقاعد کرد که می توانند الگوهای بسیار دقیق برای مونتاژ و ساخت پره طراحی کرده و به کار ببرند. او در پایان یک روش رایانه ای را برای محاسبه نقاط روی تیغه روتور هلیکوپتر اختراع کرد. سپس او مجبور شد اپراتورها چرخ های چرخشی را به آن نقاط بر روی دستگاه فرز سینسیناتی بچرخانند. او به نام این فرآیند جدید مسابقه ای برگزار کرد و 50 دلار به شخصی که کنترل عددی یا NC را ایجاد کرد، اهدا کرد.

در سال 1958، وی حق ثبت اختراع برای اتصال کامپیوتر به دستگاه را ثبت کرد. کنترل کننده CNC به موازات کامپیوتر تکامل یافته و باعث افزایش بهره وری و اتوماسیون بیشتر در فرآیندهای تولید ، به ویژه ماشینکاری شد. جان پارسونز برای این کار ، پدر انقلاب صنعتی دوم نامیده شده است. امروزه قطعات تولید شده توسط CNC را تقریبا در هر صنعتی می توان یافت.

دستگاه CNC چگونه کار می کند؟

در این دستگاه یکسری کدها و برنامه ها با توجه به عملیات ماشینکاری مدنظر توسط برنامه نویس طراحی و به نرم افزار داده می شود. کد یک دستورالعمل گام به گام با مختصات خاص و دستورات است که دستگاه CNC می تواند بخواند و اجرا کند.

اغلب فرایندهای ماشین‌کاری نیاز به استفاده از ابزارهای مختلف (مانند انواع مته‌) برای برش و اجرای طرح مورد نظر دارند. دستگاه CNC به طور معمول قابلیت ترکیب این ابزارها را در یک واحد یا سلول مشترک دارد. ماشین‌های پایه توانایی حرکت در طول یک یا دو محور را دارند، در حالی که ماشین‌های پیشرفته‌تر در طول محور x ،y و z حرکت کرده و اغلب حول بیشتر از یک محور چرخ زده و حرکت میکنند. ماشین‌های چند محوری توانایی چرخاندن قطعه را به صورت خودکار داشته و اجازه خارج شدن موادی که در زیر قطعه انباشته شده بودند را می‌دهند.

ماهیت اتوماتیک ماشینکاری CNC امکان تولید با دقت بالا و کاهش قابل توجه مدت زمان تولید را به خصوص در تولید قطعات ساده و همچنین عدم نیاز به نیروی کار زیاد فراهم می کند. با این حال، در حالی که ماشینکاری CNC مزایای خاصی را نسبت به سایر فرایندهای تولید نشان می دهد، اما کار با آن مشکل بوده و به مهارت بالایی نیاز دارد.

نرم افزارهای مورد استفاده در فرایند ماشینکاری CNC

در فرایند ماشینکاری CNC معمولا از دو نرم افزار زیر استفاده می شود:

نرم افزار Computer Aided Drawing (CAD)

نرم افزار CAD نقطه شروع بیشتر پروژههای CNC است. بسته های نرم افزاری CAD مختلفی وجود دارند، اما همه آنها برای ایجاد طرح و طراحی استفاده می شوند. برنامههای محبوب CAD شامل اتوکد، SolidWorks و Rhino3D هستند. راه حل های CAD مبتنی بر ابر نیز وجود دارد و برخی از آنها توانایی CAM را دارند که بهتر از دیگر برنامه ها با نرم افزار CAM ادغام می شوند.

نرم افزار Computer Aided Manufacturing (CAM)

دستگاههای CNC اغلب از برنامه های ایجاد شده توسط نرم افزار CAM استفاده می کنند. CAM به کاربران اجازه می دهد تا “درخت کار” را برای سازماندهی گردش کار ، تنظیم مسیرهای ابزار و اجرای شبیه سازی های برش قبل از اینکه دستگاه برش واقعی ایجاد کند، تنظیم کنند. اغلب برنامه های CAM به عنوان افزونه های نرم افزار CAD کار میکنند و کد g را تولید می کنند که به ابزارهای CNC و قطعه کار میگوید قطعات را به کجا برسانند. نرم افزارهای محبوب CAM شامل Mastercam ، Edgecam ، OneCNC ، HSMWorks و Solidcam هستند. طبق گزارشی در سال 2015 ، Mastercam و Edgecam تقریباً 50 درصد از سهم بازار گران قیمت CAM را تشکیل میدهند.

انواع ماشین های CNC

5 نوع ماشینکاری CNC وجود دارد که توسط 5 دستگاه مختلف CNC انجام میشوند. این فرایندها در بسیاری از کاربردها در طیف وسیعی از صنایع از جمله پزشکی، هوافضا، صنعتی، نفت و گاز، هیدرولیک، سلاح گرم و غیره استفاده میشوند. همانطور که در بالا اشاره شد ماشینکاری CNC در تولید و یا ماشینکاری انواع مختلفی از مواد از جمله فلز، پلاستیک، شیشه، کامپوزیت و چوب استفاده می شود. در ادامه به طور مختصر به معرفی این دستگاه ها میپردازیم.

دستگاه تراش و تراشکاری CNC

مشخصه دستگاه تراش CNC و یا ماشینهای تراشکاری CNC توانایی چرخش (چرخش) مواد در حین کار ماشین کاری است. ابزارهای برش این ماشین ها با یک حرکت خطی در امتداد میله چرخان تغذیه می شوند.

این نوع CNC قطعه کار را چرخانده و ابزار برش را به قطعه کار منتقل میکند. این نوع دستگاه تراش یک تراش اساسی 2 محوره است، اما می توان محورهای بیشتری را برای افزایش پیچیدگی برش اضافه کرد. این ماده روی یک اسپیندل میچرخد و به یک ابزار سنگ زنی یا کنده کاری که شکل دلخواه را میدهد، فشار داده می شود. از تراش برای ساخت اشیا متقارن مانند کره ، مخروط یا استوانه استفاده می شود. بسیاری از دستگاه های CNC چند منظوره هستند و انواع برش ها را با هم ترکیب می کنند.

زیر مجموعه دستگاههای تراشCNC، دستگاههای تراش CNC سوئیسی هستند (این نوع دستگاه ها در ارائه خدمات نسبت به هم نوعان خود پیشگام هستند). در دستگاه تراش CNC سوییسی، میله مواد می چرخد و از طریق بوش راهنما (مکانیزم نگهدارنده) به صورت محوری به داخل دستگاه می لغزد. دستگاه CNC سوییسی پشتیبانی بسیار بهتری از مواد را به عنوان یک ماشین فراهم می کند.

دستگاه فرز CNC

یکی از پرکاربرد ترین نوع ماشین های CNC ماشین های فرز هستند. ماشین های فرز CNC در انواع مختلفی ساخته می شوند و تنوع بسیار زیادی دارند. دستگاه فرز یک ماشین ابزار است و کاربرد آن در برش، تراشکاری، سوراخکاری، ضربه زدن، چرخاندن یک شی یا یک قطعه است. این دستگاه ظاهری شبیه دریل ها میزی دارد، با این تفاوت که داری حداقل سه محور حرکتی X، Y و Z است.

دستگاه فرز CNC دستگاهی است که توسط نوک فرز بر روی مواد مختلف مانند چوب، سنگ و فلزات کار می کند. از دستگاه فرز CNC بر روی مواد دیگر مانند شیشه و انواع پلاستیک نیز استفاده میشود و در صنایع مختلفی مانند منبت کاری، برش و حکاکی سنگ، تولید مصنوعات چوبی مانند کابینت، درب، میز، پایه مبل و … کاربرد دارد.

دستگاه های فرز CNC می توانند طیف گستردهای از اشکال را ایجاد کنند، اما اجزای تولید شده در دستگاه های فرز CNC به طور معمول مربع یا مستطیل با ویژگی های متنوع هستند.

دستگاه برش لیزر CNC

دستگاه های CNC برش لیزری در سال 1965 معرفی شدند. این دستگاه برای برش، پرداخت، ذوب و حکاکی مواد مورد استفاده قرار می گیرند. قابلیت های آنها تقریباً مشابه ماشین های فرز و تراشکاری است، اما تفاوت آنها در استفاده از لیزر به عنوان ابزار کار است. دستگاه های لیزر CNC دارای یک روتور نوک تیز با پرتوی لیزر بسیار متمرکز هستند که برای برش دقیق ، برش یا حکاکی مواد استفاده میشود. لیزر مواد را گرم کرده و باعث ذوب یا بخار شدن آنها میشود و برشی در مواد ایجاد میکند. به طور معمول، این ماده به صورت ورق است و پرتوی لیزر به سمت جلو و عقب حرکت میکند تا یک برش دقیق ایجاد کند.

این فرایند می تواند طیف وسیع تری از طرحها را نسبت به دستگاههای برش معمولی (تراش و فرز) تولید کند و اغلب برش هایی تولید می کند که نیازی به فرآیندهای تکمیل اضافی ندارند.

از حکاکی های لیزر CNC اغلب برای مارک گذاری و تزئینات قطعات و اجزای ماشینکاری شده استفاده می شود. همچنین می توان از برش لیزری برای افزودن یک جز به قطعه کار حتی پس از اتمام عملیات ماشینکاری استفاده کرد.

دستگاه های تخلیه الکتریکی CNC (EDM)

دستگاه تخلیه الکتریکی CNC از جرقه های الکتریکی بسیار کنترل شده برای دستکاری مواد به شکل دلخواه استفاده میکند. همچنین می توان آن را فرسایش جرقه ، غرق شدن قالب ، ماشینکاری جرقه یا سوزاندن سیم نامید.

یک قطعه در زیر سیم الکترود قرار می گیرد و دستگاه برای تولید تخلیه الکتریکی از سیم که گرمای شدید (تا 21000 درجه فارنهایت) تولید می کند، برنامه ریزی شده است. این ماده ذوب شده یا با مایع دور میشود تا شکل یا ویژگی مورد نظر ایجاد شود.

EDM اغلب برای ایجاد میکرو سوراخ های دقیق، اسلات ها، ویژگیهای مخروطی یا زاویه دار و انواع دیگر از ویژگیهای پیچیده تر در یک جز از قطعه کار استفاده می شود. این ماده معمولاً برای فلزات بسیار سختی استفاده میشود که ساخت آنها با توجه به شکل یا ویژگی مورد نظر دشوار است. نمونه بارز آن دنده معمولی است.

دستگاه برش پلاسمای CNC

برای برش مواد از دستگاههای برش پلاسما CNC نیز استفاده میشود. دستگاههای برش پلاسما این عملیات را با استفاده از مشعل پلاسمای پرقدرت (گاز یونیزه الکترونیکی) انجام میدهند که توسط رایانه کنترل می شود. عملکرد مشابه مشعل دستی و مجهز به گازی است که برای جوشکاری تا دمای 10000 درجه فارنهایت استفاده میشود، با این تفاوت که مشعل های پلاسما تا 50 هزار درجه فارنهایت گرم میشوند. مشعل پلاسما باعث ذوب قطعه کار ذوب میشود و در این صورت برش ایجاد میشود.

باید ذکر شود که زمانی که قرار است از برش پلاسما CNC استفاده شود، مواد برش خورده باید رسانایی الکتریکی داشته باشند ، موادی که به طور معمول استفاده می شوند شامل فولاد، فولاد زنگ نزن، آلومینیوم، برنج و مس هستند.

مزایای دستگاه CNC

دقت ماشین کاری بالا
قابلیت تکرار پذیری و ماشینکاری قطعات به صورت سری
سرعت بالای ماشینکاری قطعات
کاهش زمان تولید و قیمت تمام شده آن
کاهش خطای انسانی
کاهش زمان تنظیمات اولیه ماشین
کاهش زمان اندازه گیری و کنترل قطعات تولیدی
نظارت کمتر اپراتور حین عملیات ماشینکاری
ماشینکاری قطعات مطابق برنامه نوشته شده نه تجربه اپراتور
انعطاف پذیری بالا در تعویض یا ارتقای تولید
حفظ و در دسترس بودن برنامه قطعات به صورت بانک اطلاعاتی
کنترل برنامه دستگاه به صورت گرافیکی قبل از تولید واقعی (امکان تست غیر مخرب)
امکان طراحی قطعه کار و برنامه ماشینکاری آن توسط کامپیوتر و برنامه های کمکی
امکان ماشینکاری قطعات پیچیده منجمله قالب های صنعتی
افزایش قابل توجه راندمان و کاهش ضایعات
امکان شبکه کردن چند دستگاه و نظارت بر همه آنها به صورت متمرکز

معایب دستگاه CNC

گران هستند.
اپراتور آموزش دیده برای کار با ماشین مورد نیاز است.
در صورت خرابی ، نیاز به حضور یک متخصص بسیار ماهر برای حل مشکل زاست.

کاربردهای دستگاه CNC

ساخت اجزای مدل‌های سه بعدی
ساخت مدل‌های مومی مورد استفاده در جواهر سازی
ساخت قطعات تزئینی کوچک چوبی
برش چوب برای ساخت مصنوعات چوبی
برش علائم برای ساخت تابلو
حکاکی متن بر روی فلزات
حکاکی سه بعدی بر روی چوب
حکاکی بر روی سنگ
ساخت ماکت
ساخت قالب‌های غیرفلزی
سوراخکاری PCB
ساخت انواع محصولات چوبی
ساخت نمونه (prototype) محصول قبل از ساخت قالب‌های تزریق پلاستیک با استفاده از CNC و SLA
منبت کاری روی چوب