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 on wyprodukować skomplikowane łopaty do helikoptera i szybko zdał sobie sprawę, że przyszłością produkcji jest połączenie maszyn z komputerami. Dziś części wytwarzane za pomocą 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 poznamy początki maszyn CNC, różne typy maszyn CNC, programy maszyn CNC i powszechne praktyki stosowane przez sklepy z maszynami CNC.
Maszyny spotykają komputer
W 1946 roku słowo „komputer” oznaczało maszynę obliczeniową obsługiwaną kartą dziurkowaną. Mimo, że Parsons Corporation wyprodukowała wcześniej tylko jedno śmigło, John Parsons przekonał firmę Sikorsky Helicopter, że może stworzyć niezwykle precyzyjne szablony do montażu i produkcji śmigieł. W końcu wynalazł komputerową metodę obliczania punktów na łopatce śmigła helikoptera za pomocą kart perforowanych. Następnie kazał operatorom obracać koła do tych punktów na frezarce Cincinnati. Zorganizował konkurs na nazwę tego nowego procesu i dał 50 dolarów osobie, która wymyśliła „sterowanie numeryczne” lub NC.
W 1958 roku złożył patent na połączenie komputera z maszyną. Jego wniosek patentowy dotarł trzy miesiące przed MIT, który pracował nad koncepcją, którą on sam zapoczątkował. MIT wykorzystał jego koncepcje do stworzenia oryginalnego sprzętu, a licencjobiorca pana Parsonsa (Bendix) udzielił sublicencji między innymi IBM, Fujitusu i GE. Koncepcja NC powoli się przyjmowała. Według pana Parsonsa, ludzie sprzedający ten pomysł byli ludźmi od komputerów, a nie od produkcji. Jednak na początku lat 70. armia amerykańska sama spopularyzowała wykorzystanie komputerów NC, budując je i wynajmując licznym producentom. Sterownik CNC ewoluował równolegle z komputerem, wprowadzając coraz większą produktywność i automatyzację do procesów produkcyjnych, zwłaszcza obróbki skrawaniem.
Czym jest obróbka CNC?
Maszyny CNC wytwarzają części na całym świecie dla niemal każdej gałęzi przemysłu. Tworzą one rzeczy z tworzyw sztucznych, metali, aluminium, drewna i wielu innych twardych materiałów. Słowo „CNC” oznacza Computer Numerical Control, ale dziś wszyscy nazywają je CNC. Jak więc można zdefiniować maszynę CNC? Wszystkie zautomatyzowane maszyny sterowane ruchem mają trzy podstawowe komponenty – funkcję sterowania, system napędu/ruchu oraz system sprzężenia zwrotnego. Obróbka CNC jest procesem używania obrabiarki sterowanej komputerowo do produkcji części z materiału stałego w innym kształcie
Centrum CNC zależy od cyfrowych instrukcji zazwyczaj wykonywanych w oprogramowaniu CAM (Computer Aided Manufacturing) lub CAD (Computer Aided Design), takim jak SolidWorks lub MasterCAM. Oprogramowanie pisze kod G, który sterownik maszyny CNC może odczytać. Program komputerowy na kontrolerze interpretuje projekt i przesuwa narzędzia tnące i/lub przedmiot obrabiany na wielu osiach, aby wyciąć pożądany kształt z przedmiotu obrabianego. Zautomatyzowany proces cięcia jest znacznie szybszy i dokładniejszy niż ręczne przesuwanie narzędzi i obrabianych przedmiotów, które odbywa się za pomocą dźwigni i przekładni w starszych urządzeniach. Współczesne maszyny CNC posiadają wiele narzędzi i wykonują wiele rodzajów cięć. Liczba płaszczyzn ruchu (osi) oraz liczba i typy narzędzi, do których maszyna może uzyskać dostęp automatycznie podczas procesu obróbki, określają, jak skomplikowany przedmiot CNC może wykonać.
Jak używać maszyny CNC
Maszyniści CNC muszą zdobyć umiejętności zarówno w zakresie programowania, jak i obróbki metalu, aby w pełni wykorzystać moc maszyny CNC. Techniczne szkoły handlowe i programy praktyk często rozpoczynają studentów na ręcznych tokarkach, aby uzyskać wyczucie, jak ciąć metal. Mechanik powinien być w stanie wyobrazić sobie wszystkie trzy wymiary. Dzisiaj oprogramowanie sprawia, że łatwiej niż kiedykolwiek można wykonać skomplikowane części, ponieważ kształt części może być narysowany wirtualnie, a następnie ścieżki narzędzia mogą być sugerowane przez oprogramowanie do wykonania tych części.
Typ oprogramowania powszechnie używanego w procesie obróbki CNC
Computer Aided Drawing (CAD)
Oprogramowanie CAD jest punktem wyjścia dla większości projektów CNC. Istnieje wiele różnych pakietów oprogramowania CAD, ale wszystkie są używane do tworzenia projektów. Popularne programy CAD to AutoCAD, SolidWorks i Rhino3D. Istnieją również rozwiązania CAD oparte na chmurze, a niektóre z nich oferują możliwości CAM lub integrują się z oprogramowaniem CAM lepiej niż inne.
Produkcja wspomagana komputerowo (CAM)
Maszyny CNC często używają programów stworzonych przez oprogramowanie CAM. CAM pozwala użytkownikom skonfigurować „drzewo zadań”, aby zorganizować przepływ pracy, ustawić ścieżki narzędzia i uruchomić symulacje cięcia, zanim maszyna wykona jakiekolwiek prawdziwe cięcie. Często programy CAM działają jako dodatki do oprogramowania CAD i generują g-kod, który mówi narzędziom CNC i ruchomym częściom obrabianego przedmiotu gdzie mają się udać. Kreatory w oprogramowaniu CAM sprawiają, że programowanie maszyn CNC jest łatwiejsze niż kiedykolwiek. Popularne oprogramowanie CAM zawiera Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks i Solidcam. Mastercam i Edgecam stanowią prawie 50% udziału w rynku CAM high-end według raportu z 2015 roku.
Co to jest Distributed Numeric Control?
Direct Numeric Control, które stało się Distributed Numeric Control (DNC)
Direct Numeric Controls były używane do zarządzania programami NC i parametrami maszyn. Umożliwiało ono przesyłanie programów przez sieć z komputera centralnego do komputerów pokładowych znanych jako jednostki sterujące maszyny (MCU). Pierwotnie nazywana „bezpośrednim sterowaniem numerycznym”, omijała potrzebę stosowania taśmy papierowej, ale kiedy komputer przestawał działać, przestawały działać wszystkie maszyny.
Dystrybuowane sterowanie numeryczne wykorzystuje sieć komputerów do koordynowania pracy wielu maszyn poprzez podawanie programu do CNC. W pamięci CNC znajduje się program, a operator może go odebrać, edytować i zwrócić.
Nowoczesne programy DNC mogą wykonywać następujące czynności:
- Edycja – Może uruchomić jeden program NC, podczas gdy inne są edytowane
- Porównanie – Porównać oryginalny i edytowany program NC obok siebie i zobaczyć edycje
- Restart – Gdy narzędzie się zepsuje, program może zostać zatrzymany i uruchomiony ponownie w miejscu, w którym został przerwany
- Śledzenie zadań – Operatorzy mogą taktować zadania i śledzić ustawienia i czas pracy, na przykład
- Wyświetlanie rysunków – Pokazać zdjęcia, rysunki CAD narzędzi, zamocowań i wykończeń części
- Zaawansowane interfejsy ekranowe – Obróbka jednym dotknięciem
- Zaawansowane zarządzanie bazą danych – Organizuje i utrzymuje dane w miejscu, z którego można je łatwo wyszukać
Zbieranie danych produkcyjnych (MDC)
Oprogramowanie MDC może zawierać wszystkie funkcje oprogramowania DNC plus zbierać dodatkowe dane i analizować je pod kątem ogólnej efektywności wyposażenia (OEE). Całkowita Efektywność Wyposażenia zależy od następujących czynników: Jakość – liczba produktów spełniających normy jakościowe spośród wszystkich wyprodukowanych produktów Dostępność – procent planowanego czasu, w którym określony sprzęt pracuje lub produkuje części Wydajność – rzeczywista prędkość pracy w porównaniu z planowaną lub idealną prędkością pracy sprzętu.
OEE = Jakość x Dostępność x Wydajność
OEE jest kluczową metryką wydajności (KPI) dla wielu warsztatów maszynowych.
Otwory do monitorowania maszyn
Otwory do monitorowania maszyn mogą być wbudowane w oprogramowanie DNC lub MDC lub zakupione oddzielnie. Dzięki rozwiązaniom do monitorowania maszyn, dane dotyczące maszyn, takie jak ustawienia, czas pracy i przestoje są automatycznie gromadzone i łączone z danymi ludzkimi, takimi jak kody przyczyn, aby zapewnić zarówno historyczne, jak i rzeczywiste zrozumienie przebiegu zadań. Nowoczesne maszyny CNC gromadzą aż 200 rodzajów danych, a oprogramowanie do monitorowania maszyn może sprawić, że dane te będą przydatne dla wszystkich, 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 znormalizowanym formacie bazy danych, który można wyświetlać w postaci znaczących wykresów i diagramów. Standard danych wykorzystywany przez większość rozwiązań do monitorowania maszyn, który zyskał popularność w USA, nosi nazwę 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 dla maszyn CNC stało się głównym nurtem w ciągu ostatnich kilku lat, a nowe rozwiązania programowe są zawsze w fazie rozwoju.
Jakie są różne typy maszyn CNC?
W dzisiejszych czasach istnieje niezliczona ilość różnych typów maszyn CNC. Maszyny CNC są obrabiarkami, które tną lub przesuwają materiał zgodnie z programem na kontrolerze, jak opisano powyżej. Rodzaj cięcia może się różnić od cięcia plazmowego do cięcia laserowego, frezowania, trasowania i toczenia. Maszyny CNC mogą nawet podnosić i przenosić elementy na linii montażowej.
Poniżej podano podstawowe typy maszyn CNC:
Tokarki: Ten typ CNC obraca obrabiany przedmiot i przenosi narzędzie tnące na obrabiany przedmiot. Podstawowa tokarka jest 2-osiowa, ale wiele więcej osi może być dodanych w celu zwiększenia złożoności możliwego cięcia. Materiał obraca się na wrzecionie i jest dociskany do narzędzia szlifującego lub rzeźbiącego, które nadaje mu pożądany kształt. Tokarki są używane do tworzenia symetrycznych obiektów, takich jak kule, stożki lub cylindry. Wiele maszyn CNC jest wielofunkcyjnych i łączy wszystkie rodzaje cięcia.
Routery: Plotery CNC są zwykle używane do cięcia dużych wymiarów w drewnie, metalu, arkuszach i tworzywach sztucznych. Standardowe plotery działają na współrzędnych 3-osiowych, więc mogą ciąć w trzech wymiarach. Jednak można również kupić maszyny 4,5 i 6-osiowe do modeli prototypowych i skomplikowanych kształtów.
Frezowanie: Frezarki ręczne wykorzystują kółka ręczne i śruby prowadzące, aby wyartykułować narzędzie tnące na obrabianym przedmiocie. We frezarce CNC, CNC porusza śruby kulowe o wysokiej dokładności do dokładnych współrzędnych zaprogramowanych zamiast nich. Maszyny CNC do frezowania są dostępne w szerokiej gamie rozmiarów i typów i mogą działać na wielu osiach.
Przecinarki plazmowe: Wycinarka plazmowa CNC wykorzystuje potężny laser do cięcia. Większość przecinarek plazmowych wycina zaprogramowane kształty z arkusza lub płyty.
Drukarka 3D: Drukarka 3D wykorzystuje program, aby powiedzieć, gdzie położyć małe kawałki materiału, aby zbudować pożądany kształt. Części 3D są budowane warstwa po warstwie za pomocą lasera w celu zestalenia cieczy lub energii, gdy warstwy rosną.
Maszyna typu „wybierz i umieść”: Maszyna CNC „wybierz i umieść” działa podobnie do routera CNC, ale zamiast cięcia materiału, maszyna ma wiele małych dysz, które podnoszą komponenty za pomocą podciśnienia, przenoszą je w żądane miejsce i odkładają. Są one używane do produkcji stołów, płyt głównych komputerów i innych zespołów elektrycznych (między innymi).
Maszyny CNC mogą robić wiele rzeczy. Dzisiaj technologia komputerowa może być umieszczona na każdej maszynie, jaką można sobie wyobrazić. CNC zastępuje ludzki interfejs potrzebny do poruszania częściami maszyny, aby uzyskać pożądany rezultat. Dzisiejsze CNC są w stanie zacząć od surowego materiału, takiego jak blok stali, i wykonać bardzo złożoną część z precyzyjnymi tolerancjami i niesamowitą powtarzalnością.
Układanie wszystkiego razem: How CNC Machine Shops Make Parts
Operating a CNC involves both the computer (controller) and a physical setup. Typowy proces w warsztacie wygląda następująco:
Inżynier projektant tworzy projekt w programie CAD i wysyła go do programisty CNC. Programista otwiera plik w programie CAM, aby zdecydować o potrzebnych narzędziach i stworzyć program NC dla CNC. On lub ona wysyła program NC do maszyny CNC i dostarcza operatorowi listę prawidłowych ustawień narzędzi. Operator ustawiający ładuje narzędzia zgodnie z instrukcjami i ładuje surowy materiał (lub przedmiot obrabiany). Następnie uruchamia próbki i mierzy je za pomocą narzędzi do zapewniania jakości, aby sprawdzić, czy maszyna CNC wykonuje części zgodnie ze specyfikacją. Zazwyczaj operator ustawiający dostarcza pierwszy element do działu jakości, który weryfikuje wszystkie wymiary i podpisuje ustawienia. Maszyna CNC lub powiązane maszyny są ładowane z wystarczającą ilością surowca, aby wykonać żądaną liczbę sztuk, a operator maszyny stoi obok, aby upewnić się, że maszyna nadal działa, wykonuje części zgodnie ze specyfikacją i ma surowiec. W zależności od zadania, często możliwe jest uruchomienie maszyn CNC „bez światła”, bez obecności operatora. Gotowe części są automatycznie przenoszone do wyznaczonego obszaru.