تاریخچه سی ان سی

ماشین ابزار چیست؟

ساده ترین تعریف برای ماشین ابزار (machine tools)، یک ماشین ساخته شده به دست بشر است که برای تولید محصولات دیگری بعنوان یک ابزارکار مورد استفاده قرار می گیرد. یک دریل را می توان ماشین ابزار در نظر گرفت. امروزه ماشین ابزارها بسیار پیچیده تر و بزرگتر از یک دریل می باشد. مهمترین ماشین ابزار ساخته شده که همچنان نیز کاربرد دارد، ماشین های تراش و فرز می باشد. یک ماشین ابزار معمولی عمدتا توسط انسان کنترل می شود و اگر اهرم ها و چرخ های آن بدرستی هدایت نگردد، محصول مورد نظر تولید نخواهد شد.



وقتی که بشر به تولیدات دقیق تر و پیچیده تر نیازمند شد، دیگر تولید دستی بوسیله انسان امری ملال آور، کم دقت و در بسیاری موارد غیر ممکن شد. به همین دلیل و با گسترش فن آوری های حوزه الکترونیک و کامپیوتر، این ایده اساسی به ذهن مخترعین رسید تا کنترل یک ماشین بوسیله برنامه هایی دقیق و کم اشتباه صورت بگیرد. این مقدمه ای بود برای تولید ماشین های قابل کنترل بوسیله غیر بشر!


 
ماشین کنترل عددی (NC) چیست؟

فرض کنید که اپراتور ماشین (یک تراشکار) بخواهد روزی پنجاه عدد بوش سه پله تولید کند. کار ساده است اما تکرار یک کار ساده برای انسان ملال آور است و همین ملال، باعث بروز خطا می شود. به همین دلیل ماشین سازان دنبال راهی برای انجام اتوماتیک این نوع فرآیندهای تکراری افتادند. نتیجه آن ساخت ماشین هایی بود که بوسیله منطق عددی کنترل می شدند. این منطق توسط یک دستگاه واسطه تولید می شد و به ماشین فرمان می داد. کارت های پانچ شده و نوارهای مغناطیسی یک نوع پرکاربرد و مناسب برای ماشین های NC اولیه بوده است.



با توسعه صنایع الکترونیک، حافظه اطلاعات از نوارهای مغناطیسی به صورت دیجیتالی تبدیل شد و نوع جدیدتری از ماشین های NC را ایجاد کرد. هرچند این یک تحول بزرگ محسوب می شد، ولی هنوز چشم طمع انسان بلندپرواز و راحت طلب را پر نمی کرد.


 
سی ان سی چیست؟

همانطور که در ابتدا گفته شد، CNC مخفف سه کلمه Computer Numerical Control به معنای کنترل عددی بوسیله کامپیوتر است. سی ان سی توسعه مفهوم NC یا کنترل عددی است. سی ان سی یعنی کنترل ماشین های ابزار بوسیله کامپیوتر. استفاده از سی ان سی به سرعت رشد کرد چراکه دیگر نیازی به دخالت لحظه به لحظه اپراتور برای کنترل ماشین ابزار نبود و بسیاری از کنترل ها بصورت خودکار و با دقت بسیار زیاد انجام می شد. مفهوم سی ان سی منجر به توسعه مفاهیم دیگری مانند CAD (طراحی بوسیله کامپیوتر) و CAM (تولید بوسیله کامپیوتر) شده است. امروز کلمات سی ان سی (CNC) و کد کم (CADCAM) کنار هم وجود دارد. به کمک این تکنولوژی ها تولید بسیار راحت است، با نرم افزار طراحی کنید، فایل را به سی ان سی منتقل کنید و قطعه کار را طبق نقشه دریافت نمایید.



ماشین های سی ان سی انواع و کاربردهای مختلفی دارند، از تراش و برش فلزات گرفته تا حکاکی بر روی شیشه و جوشکاری. اما تمام سی ان سی ها در یک اصل مشترک هستند: حرکت دقیق و سریع محورهای ماشین و انجام یک فرآیند از پیش تعیین شده روی قطعه کار.
 
چگونه سی ان سی امروزی متولد شد؟ (تاریخچه علمی)

ماشین کنترل عددی یا سی ان سی با این مفهوم امروزی که آن را می شناسیم، بعد از جنگ دوم جهانی توسعه پیدا کرده است. مهمترین دلیل توسعه و ارتقای سی ان سی امروزی، تمایل شدید صنایع هوایی جهت تولید قطعات بسیار دقیق و پیچیده بوده است. این قطعات در هواپیماها و جنگ افزارهای هوایی کاربرد زیادی دارند. در زیر بخش هایی از یک مقاله را ذکر می کنیم که در اوت سال 1996 توسط انجمن ماشین سازان آمریکا منتشر شده است. این مقاله بهتر از هرچیز دیگر تارخچه علمی سی ان سی را بیان کرده است. مفهوم سی ان سی در ذهن آقای جان پارسونز (John Parsons) توسعه پیدا کرد. هدف ابتدایی تولید بدنه و پوسته های یکپارچه و سفت درهواپیما بود. این تفکر منجر به ایجاد پروژه های تحقیقاتی به پشتیبانی نیروی هوایی آمریکا در سال 1949 و در موسسه تکنولوژیک ماساچوست یا MIT شد....


اولین مرحله برنامه ریزی و مطالعات، با ساخت یک نمونه ماشین فرز تجربی در آزمایشگاه سروو مکانیزم (Servomechanisms) دانشگاه MIT آغاز و پیگیری شد. پروفسور رینجس (J.F. Reintjes) مدیر آزمایشگاه، مک دونا (James O. McDonough)، لاری (Richard W. Lawrie)، ساسکیند (A.K. Susskind)، گراسیمون (H.P. Grossimon) اولین کسانی بودند که روی این پروژه کار کردند.... نقطه شروع استفاده از یک ماشین فرز با اسپیندل (موتور تراش دهنده) عمودی مدل 28 اینچی Cincinnati HydroTel بود. این فرز به صورت زیر اصلاح شد: تمام میزها، ریلها، موتورها و کنترل ها حذف شد. سه مولد حرکتی هیدرولیکی با قابلیت تنظیم سرعت به سر پیچ های حرکت دهنده (lead-screw) متصل شد. با استفاده از گیربکس و گام پیچ ها دقتی حدود 0.0005 اینچ (تقریبا 13 میکرون) ایجاد شد. با هر پالس الکتریکی تولید شده از مدیر الکتریکی، میزها و سر دستگاه (head) با دقت ذکر شده حرکت می کردند. همچنین یک سیستم بازخورد یا فیدبک (feedback) تعبیه شده تا از حرکت محورها مطمئن شوند. این سیستم به این صورت کار می کرد که چند موتور الکتریکی سنکرون (همگام) را به پیچ های حرکتی متصل کردند و جریان ایجاد شده در موتورها را که هنگام حرکت تولید میشد را به مدیرالکتریکی بر گشت می داد و مدیر آن را با پالس های ارسال شده مقایسه می نمود….



در سال 1951 سیستم مونتاژ شده بود و مطالعات پروژه آغاز شد. تا سال 1953 اطلاعات کافی جمع آوری شد تا پشتوانه عملی تلاش های آینده باشد. در 25 اکتبر 1954 در نشریه ماشین سازان امریکا یک گزارش 24 صفحه ای منتشر گردید که باعث ایجاد تکاپو جهت توسعه بیشتر شد. این مقاله به یک چیز دست و پاچلفتی و کم دقتی اشاره کرده بود! ماشینی که اطلاعات را توسط یک کارت خوان هشت ستونی دریافت می کرد و پس از پردازش بوسیله یک سیستم الکترونیکی مجهز به لامپ خلاء به حرکت مکانیکی تبدیل می کرد، ماشینی که قرار است نمونه اولیه ای برای تحلات آینده باشد.... این مقاله شامل یک نمونه عکس از ماشین بود با این عنوان: آزمایشگاه سروومکانیزم MIT، پیشرو در راه اندازی سیستم های کنترلی که ماشین های فرز را همه جانبه کنترل خواهد کرد. در عکس سیستم های کنترلی را مشاهده می کنید که داخل کابینت های بزرگ فلزی به اندازه کمد لباس قرار گرفته اند و پر از قطعات الکتریکی هستند. سیستم کنترل از خود ماشین فرز بزرگتر است!



همزمان شرکت پارسونز که توسط پروفسور جان پارسونز تاسیس شده بود، بر روی طراحی مدلی برای محاسبه و ساخت تیغه های هلی کوپتر تلاش می کرد و اطلاعات دقیقی را توسط پردازشگر IBM مدل 602 دریافت نمودند و به فرز منتقل کردند. در اواخر سال 1984 نیروی هوایی یک تیم را به مقر شرکت پارسونز ارسال نمود. در آن جا مشاهده کردند که محققان اطلاعات را بر روی کارت ها پانچ می کنند و به دستگاه تراش ارسال می کنند....



بخاطر این خدمات فنی ارزنده که توسط جان پارسونزارائه شده بود، وی اولین شخصی بود که در سال 1968 انجمن کنترل عددی برای دریافت جایزه جوزف ماری ژاکارد معرفی کرد و در سال 1975 انجمن مهندسان ساخت به جان لقب افتخاری پدر انقلاب دوم صنعتی را اهدا نمود.
 
تاریخچه تجاری سی ان سی

اولین استفاده از ماشین ابزار های ان سی در دهه 1950 میلادی صورت گرفت. با توسعه سریع این صنعت نیاز به اتوماسیون و افزایش سرعت باعث شد که کامپیوتر وظیفه کنترل ماشین افزارها را انجام دهد و مفهوم سی ان سی در دهه 1960 کاربردی شد. در ابتدا ماشین های سی ان سی مختلف روش کار و برنامه ریزی خاص خود را داشتند و در این حین ماشین سازان و پیشکسوتان تصمیم به استاندارد سازی برنامه ها گرفتند و مفهوم جی کد (g-code) را بنا نهادند و همه ملزم به استفاده از کدهای استاندارد شدند. در زیر تعدادی از پیشرفت های کلیدی صنعت سی ان سی در دهه 1960 و 1970 بیان شده است: 1- زبان برنامه نویسی استاندارد جی کد برای برنامه نویسی قطعات: نقطه تولد جی کد بر می گردد به سال 1958 که در آزمایشگاه سروومکانیزم دانشگاه MIT طراحی شد. چند سال بعد در سال های 1960 توسط انجمن صنایع الکترونیک کدهای جی کد استاندارد سازی شد. 2- مفهوم CAD یا طراحی بوسیله کامپیوتر به سرعت در سال های 1960 توسعه یافت و جاگزین نقشه های کاغذی و دستی شد. 3- کامپیوترهای کوچکتری مانند DEC PDP-8 و Data General Nova در اواخر دهه 1960 در دسترس قرار گرفتند و ماشین های سی ان سی را ارازنتر و قویتر ساختند. در سالهای 1970 اقتصاد در اکثر کشورهای غربی کم رونق بود و هزینه های اشتغال زیاد شده بود. دانش پایه ای سی ان سی که در سال های قبل شکل گرفته بود، کم کم جاگزین روش های کم سرعت و دستی صنعت شد و به تولید صنعتی کمک بزرگی کرد. دیگر عمر استفاده از سیستم های هیدرولیکی بزرگ و پر اصطهلاک و ماشین افزارهای دستی و ملال آور به سر آمده بود. هر چند شرکت های آمریکایی با مزایای ماشین های سی ان سی و تحولات صورت گرفته آشنا شده بودند و علاقه مند به تغییر رویه بودند، ولی خطوط تولید آن ها طوری طراحی شده بود که به سرعت امکان تغییر آن ها وجود نداشت و علاوه بر این، آمریکایی ها فقط به فکر محصول نهایی تولید خودشان بودند که با روش های قدیمی نیز میسر بود. آلمان ها اولین شرکت هایی بودند که به مزایای بزرگ تکنولوژی سی ان سی پی بردند و خرید ماشین های سی ان سی آنها در سال 1979 بیشتر از آمریکایی ها بود. جالب اینجاست که ژاپنی ها نیز به سرعت دست به کار شدند و حتی به درجه موفقیت بیشتری نسبت به آلمان ها و آمریکایی ها در سال 1980 دست یافتند. با وجود اینکه در سال 1970 ده شرکت برتر سی ان سی دنیا آمریکایی ها بودند، ولی در سال 1987 تنها شرکت Cincinnati Milacron باقی مانده بود و این شرکت نیز در جایگاه هشتم دنیا قرار داشت.


در سال های اخیر با استفاده از میکروپروسسورها و کنترلرهای قدرتمند، ماشین های سی ان سی بسیار ارزان و قدرتمند شده اند و این صنعت تا جایی اوج یافته است که افراد زیادی برای سرگرمی یا تولیدات شخصی، اقدام به ساخت سی ان سی کرده اند. پروژهEMC2 یک پروژه منبع باز جهت تولید و ارائه سی ان سی بود که توسط موسسه ملی استاندارد و فن آوری ایالات متحده (NIST) آغاز شد. در سال 2000 این پروژه جهت استفاده عمومی توسعه یافت و در سال 2003 بصورت علنی ظاهر شد تا از آن استفاده شود. در این حین شرکت Artsoft یک نسخه تحت ویندوز EMC را بنام Mach3 توسعه داد و امکانات خوبی را برای سی ان سی در آن تعبیه کرد. این شرکت در سال 2001 تاسیس شد. هر دو نرم افزار Mach3 و EMC2 امروزه بسیار پر رونق است و توسط بسیاری از شرکت های تازه پا که قدرت طراحی نرم افزار را ندارند مورد استفاده قرار می گیرد.
 


یک ماشین سی ان سی از سه واحد اصلی تشکیل شده است: 1- واحد نرم افزار، شامل نرم افزارهای طراحی، تحلیل و کنترل 2- واحد برق و کنترل ، موتور های حرکتی، بردهای الکترونیکی و دستگاه های برقی جانبی 3- واحد مکانیک شامل بدنه ماشین، محورهای حرکتی و کارگیر هریک از واحدها مجموعه وظایف خاصی را انجام می دهند و از طریق تعامل برنامه ریزی شده به واحدهای دیگر، نتیجه نهایی حاصل می شود. این یک سیستم نسبتا پیچیده است! نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا اولین کسی بود که عملا از ماشین های CNC استفاده کرد. این سیستم شبیه بدن یک هنرمند مجسمه تراش عمل می کند: ابتدا طرحی در ذهن ایجاد می کند (واحد نرم افزار)، سپس از طریق سیستم های عصبی فرمان ها به ماهیچه های بدنش ارسال می شود (واحد برق و کنترل) و سپس توسط دستان، چکش و مغار آن تصویر ذهنی به واقعیت فیزیکی تبدیل می شود (واحد مکانیک). واحد نرم افزار: نرم افزار وظیفه دارد طرحی که قبلا طراحی شده است را تحلیل کرده و پس از تایید اعتبار آن به زبان ماشین تبدیل کند. همچنین واحد نرم افزار تنها رابط بین انسان و ماشین می باشد و ما می توانیم فرمان ها را از این طریق به ماشین بفهمانیم و اطلاعات و وضعیت ماشین را مشاهده نموده و اقدامات لازم را انجام دهیم. در بسیاری از موارد واحد نرم افزار متصل به کنترلر سی ان سی می باشد، مانند کنترلرهای جدید شرکت زیمنس بنام SINUMERIK. سی ان سی های ارزان قیمت تر از یک نرم افزار نصب شده بر روی یک کامپیوتر معمولی جهت کنترل سی ان سی استفاده می کنند، مانند نرم افزار مچ3 یا mach3. شرکت من ماشین در ایران یکی از قوی ترین نرم افزارهای کنترل به زبان فارسی را طراحی و آماده دارد ولی فقط بر روی ماشین های خودش نصب می کند و برای فروش در بازار هنوز برنامه ای وجود ندارد.



نکته: طرح های مورد نظر بایستی قبلا توسط طراحان آماده شده باشد. بعضی از این فایل ها مستقیما توسط نرم افزار ماشین قابل شناسایی و کار می باشد و بعضی دیگر بایستی توسط نرم افزارهای ثالث به شکل استاندارد (G-CODE) تبدیل شود تا توسط ماشین قابل فهم باشد.

طراحی سه بعدی بوسیله نرم افزار و ارسال آن بصورت کد ماشین مانند جی کد برای تولید توسط سی ان سی - نرم افزار راینو

واحد برق و الکترونیک: ارسال اطلاعات از واحد نرم افزار و تبدیل آن به سیگنالهای خاص و ارسال به موتور ها و دیگر دستگاه های حرکتی و کنترلی وظیفه واحد برق و کنترل می باشد. دریافت اطلاعات از بخش های مختلف ماشین و تحویل به واحد نرم افزار جهت نمایش به اپراتور (کسی که با ماشین کار می کند) نیز از وظایف واحد کنترل است که توسط بخش های برقی و الکترونیکی انجام می گیرد

درایورهای استپر موتور و منبع تغذیه های سوییچینگ یکی از ساده ترین و ارزان ترین سیستم های برق و الکترونیک

واحد مکانیک: بستری فیزیکی و مکانیکی برای حرکت و انجام عملیات بر روی قطعه کار و خلق یک اثر جدید و مورد نظر در جهان ماکروسکوپی ما! هر آنچه از آهن و ریل و پیچ و بلبرینگ داخل یک ماشین سی ان سی می بینید جزء واحد مکانیک محسوب می شود. واحد مکانیک از اهمیت زیادی برخوردار است و با توجه به دقت کار مورد نیاز جهت ماشین ساخته شده، بایستی طراحی و ساخت بسیار دقیق و علمی داشته باشد


 
انواع ماشین های سی ان سی

انواع زیادی از ماشین های سی ان سی وجود دارد و تمام آن ها در اینجا بررسی نمی شود، ولی گروه های اصلی سی ان سی را در اینجا معرفی می کنیم.
1- ماشین تراش سی ان سی (Lathe CNC): انواع مختلفی از ماشین های تراش وجود دارد. ماشین های تراش وسیع ترین و پرکاربردترین ماشین ابزار در سطح جهانی است و مطمئنا نوع سی ان سی آن نیز بیشترین کاربرد را دارد. یک ماشین تراش دارای یک گیره گردان (سه نظام، چهار نظام) است که قطعه کار داخل آن بسته می شود و یک ابزار تراش دهنده ثابت به آن نزدیک شده و از سطح آن مواد را بصورت براده می تراشد. این نوع ماشین برای تولید قطعاتی که دارای تقارن در یک محور گردشی هستند مورد استفاده قرار می گیرد، مانند انواع شافت ها و قطعات گرد. ماشین های تراش سی ان سی به سادگی توسط جی کد قابلیت برنامه ریزی دارند و حداقل دارای دو محور هستند. یک محور گردان X و یک محور Z دارند.



2-ماشین فرز سی ان سی (Mill CNC): در ماشین های فرز، تیغ برش داخل یک اسپیندل (شبیه دریل) قرار می گیرد و دوران می کند و قطعه کار زیر تیغ قرار گرفته و بسته به نوع ماشین روی آن کار می شود. به این فرآیند به اصطلاح فرزکاری گفته می شود. اکثر فرزهای سی ان سی امروزی توانایی حرکت سه بعد همزمان و بالاتر را دارند که به محورهای X,Y,Z معروفند. نمونه های قدیمی تر دارای دو محور 2D یا دو و نیم محور 2+1/2D بودند. فرزکاری مناسب قطعاتی است که تقارن دورانی ندارند و لازم است روی یک سطح قطعه عملیات پیچیده ای صورت بگیرد.



3-روتر سی ان سی (Router CNC) روتر سی ان سی نوع خاصی از فرز سی ان سی می باشد که به دلیل ساختار بزرگتر و دروازه ای شکل آن، روتر نام گذاری شده است. همچنین به آن های سی ان سی دروازه ای نیز گفته می شود. اکثر ماشین های ابزار زنی و برشکاری صنایع چوب و سنگ جزء دسته روتر سی ان سی قرار می گیرند ولی لزوما تمام آن ها به این دسته تعلق ندارند.

عمده بازار سی ان سی بر روی تراش و برش فلزات تمرکز دارند ولی در عین حال، سهم قابل توجهی نیز در اختیار روترهای سی ان سی صنایع چوب قرار گرفته است که ارزان قیمت و اقتصادی می باشد. سه دسته فوق اصلی ترین و پرکاربردترین سی ان سی های دنیا می باشد. در ادامه انواع دیگری از ماشین های سی ان سی را معرفی می کنیم. امروزه سی ان سی های بسیار حرفه ای و پیچیده ای وجود دارد که با افزایش تعداد محورها و با جفت شدن با روبات ها، کارهای شگفت انگیزی را انجام می دهند. سی ان سی برش هواگاز و پلاسما نوع خاصی از روتر سی ان سی که عموما دارای دو محور همزمان X,Y می باشد، جهت برشکاری صفحات فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. یک بخش برش دنده به محور Z عمود بر دو محور پایینی متصل می گردد و برش می دهد. این هد می تواند با استفاده از هواگاز برش دهند یا از قوس پلاسما استفاده کند. سی ان سی EDM یا تخلیه الکتریکی نوع دیگری از فرز سی ان سی، EDM نام دارد که بوسیله تخلیه شدید جریان الکتریکی عملیات برش قطعات فلزی بخصوص آهن و فولاد را انجام می دهد. EDM یک دسته بندی کلی است که می توان، دو زیر مجموعه وایرکات و اسپارک را نام برد. در سی ان سی وایرکات، عملیات برش بوسیله یک سیم که نقش الکترود را دارد صورت می گیرد. در سی ان سی اسپارک، سیمی وجود ندارد و عملیات برش بوسلیه تخلیه شدید اکتریکی که بین مواد الکتریک و دی-الکتریک وجود دارد، انجام می شود. هرچند ماشین های وایرکات و اسپارک کاربرد کمی دارند، ولی در موارد خاص تنها گزینه می باشند. سی ان سی واتر جت واتر جت نیز نوع خاصی از روتر سی ان سی می باشد و بوسیله دو محور همزمان X,Y و استفاده از یک نازل برش آب پر فشار، عملیات برش را انجام می دهد. سی ان سی واتر جت در صنعت کاربرد زیادی دارد، چراکه قادر به برش انواع مواد فلزی و غیر فلزی تا ضخامت های زیاد می باشد. همچنین دیگر مزیت برش واترجت، عدم ایجاد تنش مکانیکی و تنش حرارتی در قطعه کار می باشد. مهمترین بخش یک سی ان سی واترجت، پمپ فشار دهنده و نازل و ریزمواد ساینده آن می باشد که در برخی موارد، فشار نقطه برش تا هفتاد هزار بار می رسد. در ادامه انواع دیگر سی ان سی را فهرست وار معرفی می کنیم:

    سی ان سی برش دهنده بوسیله تیغ: مانند صنایع تابلو سازی و برش شبرنگ ها و برچسب ها
    سی ان سی برش دهنده شیشه بوسیله الماس
    سی ان سی چهار محور منبت کاری چوب و سنگ
    دریل سی ان سی جهت سوراخکاری
    سی ان سی برش بوسیله سیم داغ برای برش فوم و پارچه
    قیچی سی ان سی برش پارچه
    سی ان سی حکاکی و برش بوسیله پرتو لیزر
    پانچ سی ان سی جهت سوراخکاری سریع و تکرار صفحات فلزی
    سی ان سی های جوشکار

سی ان سی های تولید سه بعدی یا پرینترهای سه بعدی امروزه دستگاه های جدیدی بنام پرینترهای سه بعدی تولید و روانه بازار شده است. این پرینترهای نوع خاصی از سی ان سی می باشند که با توجه به مواد پایه ای تعبیه شده در آن و به مدد نانو تکنولوژی، الگوهای بسیار دقیقی را که بصورت سه بعدی در کامپیوتر طراحی شده است را به دنیای واقعی می آورد. به جرات می توان این پرینترها را نوعی سی ان سی در نظر گرفت.