Czym są maszyny CNC?

Historia maszyn CNC
John T. Parsons (1913-2007) z Parsons Corporation w Traverse City, MI jest uważany za pioniera sterowania numerycznego, prekursora nowoczesnej maszyny CNC.Za swoją pracę John Parsons został nazwany ojcem drugiej rewolucji przemysłowej.Musiał produkować złożone łopaty helikopterów i szybko zdał sobie sprawę, że przyszłością produkcji jest połączenie maszyn z komputerami.Obecnie części produkowane na maszynach CNC można znaleźć w niemal każdej branży.Dzięki maszynom CNC mamy tańsze towary, silniejszą obronę narodową i wyższy standard życia niż jest to możliwe w nieuprzemysłowionym świecie.W tym artykule przyjrzymy się pochodzeniu maszyn CNC, różnym typom maszyn CNC, programom maszyn CNC i powszechnym praktykom stosowanym w warsztatach CNC.

Maszyny spotykają komputer
W 1946 roku słowo „komputer” oznaczało maszynę liczącą obsługiwaną za pomocą karty dziurkowanej.Chociaż firma Parsons Corporation produkowała wcześniej tylko jedno śmigło, John Parsons przekonał firmę Sikorsky Helicopter, że może wyprodukować niezwykle precyzyjne szablony do montażu i produkcji śmigła.W końcu wynalazł komputerową metodę kart perforowanych do obliczania punktów na łopacie wirnika helikoptera.Następnie polecił operatorom obrócić koła do tych punktów na frezarce Cincinnati.Zorganizował konkurs na nazwę tego nowego procesu i przekazał 50 dolarów osobie, która ukuła „sterowanie numeryczne” lub NC.

W 1958 roku złożył patent na podłączenie komputera do maszyny.Jego zgłoszenie patentowe wpłynęło na trzy miesiące przed MIT, który pracował nad rozpoczętą przez siebie koncepcją.MIT wykorzystał swoje koncepcje do udzielenia sublicencji na oryginalny sprzęt i licencjobiorcę pana Parsonsa (Bendix) między innymi IBM, Fujitusu i GE.Koncepcja NC przyjęła się powoli.Według pana Parsonsa ludźmi sprzedającymi ten pomysł byli ludzie zajmujący się komputerami, a nie ludzie zajmujący się produkcją.Jednak na początku lat 70. armia amerykańska sama spopularyzowała wykorzystanie komputerów NC, budując je i dzierżawiąc je licznym producentom.Sterownik CNC ewoluował równolegle z komputerem, zwiększając produktywność i automatyzację procesów produkcyjnych, zwłaszcza obróbki skrawaniem.

Co to jest obróbka CNC?
Maszyny CNC wytwarzają części na całym świecie dla niemal każdej branży.Tworzą rzeczy z tworzyw sztucznych, metali, aluminium, drewna i wielu innych twardych materiałów.Słowo „CNC” oznacza komputerowe sterowanie numeryczne, ale dziś wszyscy nazywają je CNC.Jak zatem zdefiniować maszynę CNC?Wszystkie zautomatyzowane maszyny sterujące ruchem składają się z trzech głównych elementów – funkcji sterującej, układu napędowego/ruchu i układu sprzężenia zwrotnego.Obróbka CNC to proces wykorzystujący sterowaną komputerowo obrabiarkę do wytworzenia części z litego materiału o innym kształcie.

Sterowanie CNC opiera się na instrukcjach cyfrowych zwykle tworzonych w oprogramowaniu do komputerowego wspomagania produkcji (CAM) lub komputerowego wspomagania projektowania (CAD), takim jak SolidWorks lub MasterCAM.Oprogramowanie zapisuje kod G, który może odczytać sterownik maszyny CNC.Program komputerowy na sterowniku interpretuje projekt i przesuwa narzędzia tnące i/lub przedmiot obrabiany w wielu osiach, aby wyciąć z przedmiotu obrabianego pożądany kształt.Zautomatyzowany proces cięcia jest znacznie szybszy i dokładniejszy niż ręczne przesuwanie narzędzi i detali, które w starszym sprzęcie odbywa się za pomocą dźwigni i kół zębatych.Współczesne maszyny CNC obsługują wiele narzędzi i wykonują wiele rodzajów cięć.Liczba płaszczyzn ruchu (osi) oraz liczba i rodzaje narzędzi, do których maszyna może uzyskać automatyczny dostęp podczas procesu obróbki, określają, jak skomplikowany może być przedmiot obrabiany przez CNC.

Jak korzystać z maszyny CNC?
Aby w pełni wykorzystać moc maszyny CNC, operatorzy CNC muszą zdobyć umiejętności zarówno w zakresie programowania, jak i obróbki metali.Techniczne szkoły branżowe i programy praktyk zawodowych często rozpoczynają naukę od obsługi tokarek ręcznych, aby nabrać doświadczenia w cięciu metalu.Mechanik powinien być w stanie wyobrazić sobie wszystkie trzy wymiary.Obecnie oprogramowanie sprawia, że ​​tworzenie skomplikowanych części staje się łatwiejsze niż kiedykolwiek wcześniej, ponieważ kształt części można narysować wirtualnie, a następnie oprogramowanie może zasugerować ścieżki narzędzia w celu wykonania tych części.

Rodzaj oprogramowania powszechnie używanego w procesie obróbki CNC
Rysowanie wspomagane komputerowo (CAD)
Oprogramowanie CAD jest punktem wyjścia dla większości projektów CNC.Istnieje wiele różnych pakietów oprogramowania CAD, ale wszystkie są używane do tworzenia projektów.Do popularnych programów CAD należą AutoCAD, SolidWorks i Rhino3D.Istnieją również rozwiązania CAD oparte na chmurze, a niektóre oferują możliwości CAM lub integrują się z oprogramowaniem CAM lepiej niż inne.

Produkcja wspomagana komputerowo (CAM)
Maszyny CNC często korzystają z programów stworzonych za pomocą oprogramowania CAM.CAM umożliwia użytkownikom skonfigurowanie „drzewa zadań” w celu zorganizowania przepływu pracy, ustawienia ścieżek narzędzi i przeprowadzenia symulacji cięcia, zanim maszyna wykona jakiekolwiek rzeczywiste cięcie.Często programy CAM działają jako dodatki do oprogramowania CAD i generują kod G, który informuje narzędzia CNC i ruchome części przedmiotu obrabianego, dokąd mają się udać.Kreatory w oprogramowaniu CAM sprawiają, że programowanie maszyny CNC jest łatwiejsze niż kiedykolwiek.Popularne oprogramowanie CAM obejmuje Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks i Solidcam.Według raportu z 2015 roku Mastercam i Edgecam mają prawie 50% udziału w rynku wysokiej klasy rozwiązań CAM.

Co to jest rozproszona kontrola numeryczna?
Bezpośrednie sterowanie numeryczne, które stało się rozproszonym sterowaniem numerycznym (DNC)
Do zarządzania programami NC i parametrami maszyny zastosowano bezpośrednie sterowanie numeryczne.Umożliwiło to programom przenoszenie się przez sieć z komputera centralnego do komputerów pokładowych zwanych jednostkami sterującymi maszyny (MCU).Pierwotnie nazywało się to „Bezpośrednim sterowaniem numerycznym” i pozwalało uniknąć konieczności stosowania taśmy papierowej, ale kiedy komputer przestał działać, wszystkie jego maszyny przestały działać.

Rozproszone sterowanie numeryczne wykorzystuje sieć komputerów do koordynowania działania wielu maszyn poprzez dostarczanie programu do CNC.Pamięć CNC przechowuje program, a operator może go zebrać, edytować i zwrócić.

Nowoczesne programy DNC mogą wykonywać następujące czynności:
● Edycja – Można uruchomić jeden program NC, podczas gdy inne są edytowane.
● Porównaj – Porównaj oryginalne i edytowane programy NC obok siebie i zobacz zmiany.
● Uruchom ponownie – gdy narzędzie ulegnie uszkodzeniu, program można zatrzymać i uruchomić ponownie od miejsca, w którym został przerwany.
● Śledzenie zadań – operatorzy mogą na przykład rejestrować zadania oraz śledzić konfigurację i czas działania.
● Wyświetlanie rysunków – Pokaż zdjęcia, rysunki CAD narzędzi, osprzętu i części wykończeniowych.
● Zaawansowane interfejsy ekranowe – obróbka jednym dotknięciem.
● Zaawansowane zarządzanie bazami danych – Organizuje i utrzymuje dane w miejscu, w którym można je łatwo odzyskać.

Zbieranie danych produkcyjnych (MDC)
Oprogramowanie MDC może zawierać wszystkie funkcje oprogramowania DNC oraz gromadzić dodatkowe dane i analizować je pod kątem ogólnej efektywności sprzętu (OEE).Ogólna efektywność sprzętu zależy od następujących czynników: Jakość – liczba produktów spełniających standardy jakości spośród wszystkich wyprodukowanych produktów Dostępność – procent planowanego czasu pracy określonego sprzętu lub produkcji części Wydajność – rzeczywista prędkość robocza w porównaniu z planowaną lub idealną pracą stawka za sprzęt.

OEE = jakość x dostępność x wydajność
OEE to kluczowy wskaźnik wydajności (KPI) dla wielu warsztatów mechanicznych.

Rozwiązania do monitorowania maszyn
Oprogramowanie do monitorowania maszyn można wbudować w oprogramowanie DNC lub MDC lub zakupić osobno.Dzięki rozwiązaniom do monitorowania maszyn dane maszynowe, takie jak konfiguracja, czas pracy i przestoje, są automatycznie zbierane i łączone z danymi ludzkimi, takimi jak kody przyczyn, w celu zapewnienia zrozumienia przebiegu zadań zarówno w przeszłości, jak i w czasie rzeczywistym.Nowoczesne maszyny CNC gromadzą aż 200 rodzajów danych, a oprogramowanie do monitorowania maszyn może sprawić, że dane te będą przydatne dla każdego, od hali produkcyjnej po najwyższe piętro.Firmy takie jak Memex oferują oprogramowanie (Tempus), które pobiera dane z dowolnego rodzaju maszyny CNC i umieszcza je w standardowym formacie bazy danych, który można wyświetlić w postaci znaczących wykresów i wykresów.Standard danych używany w większości rozwiązań do monitorowania maszyn, który zyskał popularność w USA, nazywa się MTConnect.Obecnie wiele nowych obrabiarek CNC jest wyposażonych w możliwość dostarczania danych w tym formacie.Starsze maszyny mogą nadal dostarczać cennych informacji dzięki adapterom.Monitorowanie maszyn CNC stało się głównym nurtem w ciągu ostatnich kilku lat, a nowe rozwiązania programowe są stale opracowywane.

Jakie są różne typy maszyn CNC?
Obecnie istnieje niezliczona ilość różnych typów maszyn CNC.Maszyny CNC to obrabiarki, które wycinają lub przesuwają materiał zgodnie z zaprogramowaniem na sterowniku, jak opisano powyżej.Rodzaj cięcia może się różnić, od cięcia plazmowego po cięcie laserowe, frezowanie, frezowanie i tokarki.Maszyny CNC mogą nawet podnosić i przenosić elementy na linii montażowej.

Poniżej podstawowe typy maszyn CNC:
Tokarki:Ten typ CNC obraca przedmiot obrabiany i przesuwa narzędzie tnące do przedmiotu obrabianego.Podstawowa tokarka jest dwuosiowa, ale można dodać o wiele więcej osi, aby zwiększyć złożoność cięcia.Materiał obraca się na wrzecionie i jest dociskany do narzędzia szlifierskiego lub rzeźbiarskiego, które nadaje mu pożądany kształt.Tokarki służą do wykonywania symetrycznych obiektów, takich jak kule, stożki lub cylindry.Wiele maszyn CNC jest wielofunkcyjnych i łączy w sobie wszystkie rodzaje cięcia.

Routery:Routery CNC są zwykle używane do cięcia dużych wymiarów w drewnie, metalu, blachach i tworzywach sztucznych.Standardowe routery działają na współrzędnych 3-osiowych, dzięki czemu mogą ciąć w trzech wymiarach.Można jednak kupić także maszyny 4,5 i 6-osiowe do modeli prototypowych i skomplikowanych kształtów.

Przemiał:Ręczne frezarki wykorzystują koła ręczne i śruby pociągowe do przegubowego mocowania narzędzia tnącego do przedmiotu obrabianego.Zamiast tego w frezarce CNC system CNC przesuwa śruby kulowe o wysokiej dokładności do dokładnie zaprogramowanych współrzędnych.Frezarki CNC są dostępne w szerokiej gamie rozmiarów i typów i mogą pracować na wielu osiach.

Przecinarki plazmowe:Przecinarka plazmowa CNC wykorzystuje do cięcia mocny laser.Większość przecinarek plazmowych wycina zaprogramowane kształty z arkusza lub płyty.

drukarka 3d:Drukarka 3D używa programu, aby powiedzieć jej, gdzie ułożyć małe kawałki materiału, aby uzyskać pożądany kształt.Części 3D są budowane warstwa po warstwie za pomocą lasera w celu zestalenia cieczy lub mocy w miarę wzrostu warstw.

Maszyna Pick and Place:Maszyna CNC typu „pick and place” działa podobnie do routera CNC, z tą różnicą, że zamiast wycinać materiał, maszyna posiada wiele małych dysz, które za pomocą podciśnienia pobierają elementy, przesuwają je w wybrane miejsce i odkładają.Wykorzystuje się je między innymi do produkcji stołów, płyt głównych komputerów i innych zespołów elektrycznych.

Maszyny CNC mogą zrobić wiele rzeczy.Obecnie technologię komputerową można zastosować w niemal maszynie, jaką można sobie wyobrazić.CNC zastępuje interfejs człowieka potrzebny do przesuwania części maszyny w celu uzyskania pożądanego rezultatu.Dzisiejsze CNC są w stanie rozpocząć od surowca, takiego jak blok stali, i wykonać bardzo złożoną część z precyzyjnymi tolerancjami i niesamowitą powtarzalnością.

Łączenie wszystkiego w jedną całość: jak warsztaty obróbcze CNC wytwarzają części
Obsługa CNC obejmuje zarówno komputer (sterownik), jak i konfigurację fizyczną.Typowy proces w warsztacie mechanicznym wygląda następująco:

Inżynier-konstruktor tworzy projekt w programie CAD i przesyła go do programisty CNC.Programista otwiera plik w programie CAM, aby zdecydować o potrzebnych narzędziach i stworzyć program NC dla CNC.Wysyła program NC do maszyny CNC i dostarcza operatorowi listę prawidłowych ustawień oprzyrządowania.Operator ustawiający ładuje narzędzia zgodnie z zaleceniami i ładuje surowiec (lub przedmiot obrabiany).Następnie analizuje próbki i mierzy je za pomocą narzędzi zapewniających jakość, aby sprawdzić, czy maszyna CNC wytwarza części zgodnie ze specyfikacją.Zazwyczaj operator instalacji dostarcza pierwszy artykuł do działu jakości, który weryfikuje wszystkie wymiary i zatwierdza konfigurację.Maszyna CNC lub powiązane maszyny są ładowane wystarczającą ilością surowca, aby wyprodukować żądaną liczbę sztuk, a operator maszyny stoi w miejscu, aby upewnić się, że maszyna działa i wytwarza części zgodnie ze specyfikacją.i ma surowiec.W zależności od zadania często możliwe jest uruchomienie maszyn CNC przy wyłączonym świetle, bez obecności operatora.Gotowe detale automatycznie przenoszone są na wyznaczony obszar.

Dzisiejsi producenci mogą zautomatyzować prawie każdy proces, mając wystarczająco dużo czasu, zasobów i wyobraźni.Surowiec może trafić do maszyny, a gotowe części mogą zostać opakowane i gotowe do użycia.Producenci polegają na szerokiej gamie maszyn CNC, aby wykonywać prace szybko, dokładnie i ekonomicznie.