Η ταχύτατη και διαρκής εξέλιξη τόσο της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών όσο και της ηλεκτρονικής, οδήγησε στην ανάπτυξη νέων τεχνικών σχεδίασης και παραγωγής προϊόντων, οι οποίες υιοθετήθηκαν με ταχύτατους ρυθμούς από τις βιομηχανίες λόγω του διαρκώς αυξανόμενου διεθνούς ανταγωνισμού και της μειωμένης διαθεσιμότητας εξειδικευμένου προσωπικού, αφήνοντας στο περιθώριο την παραδοσιακή παραγωγή προϊόντων.
Τα συστήματα CAD (Computer Aided Design:
Σχεδίαση με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή) και CAM (Computer Aided Manufacturing: Παραγωγή με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή) αποτελούν θεμελιώδες και αναπόσπαστο τμήμα της σύγχρονης προσέγγισης παραγωγής προϊόντων.
Η εξέλιξη της τεχνολογίας των συστημάτων CAD / CAM δημιούργησε την ανάγκη για την επινόηση αυτοματοποιημένων μηχανών παραγωγής, οι οποίες δημιουργήθηκαν εξελίσσοντας τις μηχανές «χειρωνακτικής εργασίας» σε πλήρως αυτοματοποιημένα και ψηφιακά ελεγχόμενα σύνολα παραγωγής.
Η ανάπτυξη και η εφαρμογή του αριθμητικού ελέγχου (Numerical Control [NC]) στις συμβατικές εργαλειομηχανές σήμανε μια νέα τεχνολογική πρόοδο. Η εξέλιξη των μηχανών NC είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μηχανών CNC (Computer ή Computerised Νumerical Control: Αριθμητικός έλεγχος με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή) με την προσθήκη ηλεκτρονικών υπολογιστών.
Τι ονομάζουμε «εργαλειομηχανή»
«Εργαλειομηχανή» είναι η μηχανή που χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή εξαρτημάτων, με την απομάκρυνση υλικού. Ο όρος «εργαλειομηχανή» χρησιμοποιείται για μηχανές που έχουν ως κινητήρια δύναμη οποιαδήποτε πηγή εκτός από τον άνθρωπο. Αρχικά οι εργαλειομηχανές χρησιμοποιούσαν ως κινητήρια δύναμη τα ζώα και το νερό και ακολούθως τον ατμό στην βιομηχανική επανάσταση, ενώ σήμερα όλες πλέον κινούνται με ηλεκτρική ενέργεια.
Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών
Ο έλεγχος των εργαλειομηχανών γίνεται είτε χειροκίνητα είτε αυτόματα. Οι πρώτες εργαλειομηχανές είχαν μεγάλους σφονδύλους για να σταθεροποιήσουν την κίνηση, καθώς και ένα πολύπλοκο σύστημα γραναζιών και μοχλών για τον έλεγχό τους.
Η πρώτη φάση μετεξέλιξής τους ήταν οι μηχανές αριθμητικού ελέγχου οι οποίες χρησιμοποιούσαν διάτρητες κάρτες ή ταινίες για τον έλεγχό τους. Με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών που χρησιμοποιήθηκαν στον αριθμητικό έλεγχο, οι μηχανές αυτές ονομάστηκαν «μηχανές αριθμητικού ελέγχου με υπολογιστή». Με τις νέες δυνατότητες κατέστη δυνατή η κατασκευή εξαρτημάτων με μια επαναλαμβανόμενη ακολουθία εντολών, επιτυγχάνοντας μεγάλη επαναληψιμότητα με ακρίβεια κατασκευής εξαιρετικά υψηλής ποιότητας, που ήταν αδύνατο να επιτευχθεί ακόμη και από άρτια εκπαιδευμένους και εξειδικευμένους χειριστές.
Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών έδωσε τη δυνατότητα αυτόματης αλλαγής του εργαλείου κοπής, άρα και του είδους της εκτελούμενης κατεργασίας. Το επόμενο στάδιο εξέλιξης κατάφερε να συνδυάσει διάφορες μηχανές υπό τον έλεγχο ενός υπολογιστικού συστήματος, δημιουργώντας τις μηχανές που ονομάζονται πλέον «κέντρα κατεργασίας».
Προοδευτικά, επινοήθηκε και η κατασκευή εξαρτημάτων που μπορεί να υλοποιηθεί με προσθήκη υλικού, όπου τα εξαρτήματα φτιάχνονται κατά κύριο λόγο από πλαστικό. Οι μηχανές κατασκευής που χρησιμοποιούνται για αυτού του είδους την κατασκευή ονομάζονται «μηχανές ταχείας προτυποποίησης».
Τι είναι το CNC;
Τα CNC είναι διάταξη αξόνων οι οποίοι με κατάλληλο συνδυασμό κινήσεων και βάση προκαθορισμένων συντεταγμένων κινούν κάποιο σημείο (κεφαλή).
Στο παρακάτω σκίτσο απεικονίζεται διάταξη 3 αξόνων , δηλαδή CNC που κινείται σε τρεις άξονες X, Y, Z.
Είδη εργαλειομηχανών
Βάσει του είδους της κατεργασίας, οι πιο κοινές εργαλειομηχανές είναι:
Δράπανα
Γραναζοκόπτες
Μηχανές ρεκτιφιέ
Τόρνοι
Φρέζες
Μηχανές κοπής
Μηχανές πλανίσματος.
Οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές αφαίρεσης υλικού σε ένα αντικείμενο υπό κατεργασία, είναι:
Λείανση
Με κοπτικό εργαλείο
Με ηλεκτρικό τόξο
Υδατοκοπή
Ακτίνα Laser.
Σύνθεση εργαλειομηχανών CNC
Τα βασικά στοιχεία που συνθέτουν μια μηχανή CNC είναι τα εξής:
Μονάδα ελέγχου
Ηλεκτροκινητήρας κίνησης με σερβοσύστημα
Μηχανικά και πνευματικά συστήματα κίνησης.
Λειτουργία εργαλειομηχανών CNC
Αριθμητικός έλεγχος
Ο αριθμητικός έλεγχος χρησιμοποιεί αριθμητικές τιμές για τον ορισμό της κίνησης των αξόνων και τον ορισμό των εργαλείων, όπως και των υπολοίπων συστημάτων λειτουργίας, και παρέχει τη δυνατότητα στο χειριστή να επικοινωνεί με την εργαλειομηχανή και να την καθοδηγεί μέσω ενός κώδικα που αποτελείται από μια ακολουθία γραμμάτων και αριθμών.
Βηματικοί κινητήρες
Για τη βελτιστοποίηση της ποιότητας και την αυτοματοποίηση της κατεργασίας χρησιμοποιούνται βηματικοί κινητήρες υψηλής ακρίβειας, οι οποίοι, λόγω των πολλών πόλων που διαθέτουν, έχουν τη δυνατότητα να δημιουργούν μαγνητικό πεδίο το οποίο περιστρέφεται κατά συγκεκριμένη γωνία (βήμα).
Με κάθε παλμό τάσης με τον οποίο τροφοδοτείται ο βηματικός κινητήρας, ο άξονάς του περιστρέφεται κατά συγκεκριμένη γωνία, αναλόγως των κατασκευαστικών χαρακτηριστικών του, κι έτσι έχουμε ακριβή έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής και της θέσης του άξονα.
Πρόγραμμα κατεργασίας εξαρτήματος
Το πρόγραμμα κατεργασίας του εξαρτήματος περιλαμβάνει ένα σύνολο εντολών τις οποίες μπορεί να ερμηνεύσει το σύστημα ελέγχου της μηχανής και να τις μετατρέψει σε ηλεκτρικά σήματα που θα κινήσουν τους μηχανισμούς και τις ατράκτους του μηχανήματος.
Περιέχει επίσης, τις γεωμετρικές πληροφορίες που αφορούν το εξάρτημα και τις κινήσεις των εργαλείων κοπής σε σχέση με αυτό, και καθορίζονται οι συνθήκες κοπής όπως το βάθος κοπής, η ταχύτητα κοπής αλλά και άλλες βοηθητικές λειτουργίες.
Επίτευξη ακρίβειας και διόρθωση σφαλμάτων
Η λειτουργία των εργαλειομηχανών CNC βασίζεται στην αρχή των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου με τη χρήση ανατροφοδότησης η οποία χρησιμοποιείται για τη διόρθωση κάποιου πιθανού σφάλματος.
Συστήματα κατεργασίας DNC
Η δημιουργία ολοκληρωμένων συστημάτων παραγωγής υλοποιήθηκε με τη δημιουργία παραγωγικού συστήματος τεχνολογίας DNC (Direct [στο παρελθόν] Distributed [στο παρόν] Numerical Control: πλέον σημαίνει κατανεμημένος [distributed] και όχι άμεσος [direct] αριθμητικός έλεγχος), το οποίο σύστημα αποτελείται από μηχανές CNC που συνεργάζονται με έναν εξωτερικό κεντρικό υπολογιστή, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να τις ελέγχει όλες μαζί.
Το πρόγραμμα κατεργασίας δημιουργείται στον κεντρικό υπολογιστή και στη συνέχεια διανέμεται στις μηχανές CNC σε μία ή περισσότερες φάσεις.
Η ανάπτυξη και η εφαρμογή του αριθμητικού ελέγχου (Numerical Control [NC]) στις συμβατικές εργαλειομηχανές σήμανε μια νέα τεχνολογική πρόοδο. Η εξέλιξη των μηχανών NC είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μηχανών CNC (Computer ή Computerised Νumerical Control: Αριθμητικός έλεγχος με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή) με την προσθήκη ηλεκτρονικών υπολογιστών.
Τι ονομάζουμε «εργαλειομηχανή»
«Εργαλειομηχανή» είναι η μηχανή που χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή εξαρτημάτων, με την απομάκρυνση υλικού. Ο όρος «εργαλειομηχανή» χρησιμοποιείται για μηχανές που έχουν ως κινητήρια δύναμη οποιαδήποτε πηγή εκτός από τον άνθρωπο. Αρχικά οι εργαλειομηχανές χρησιμοποιούσαν ως κινητήρια δύναμη τα ζώα και το νερό και ακολούθως τον ατμό στην βιομηχανική επανάσταση, ενώ σήμερα όλες πλέον κινούνται με ηλεκτρική ενέργεια.
Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών
Ο έλεγχος των εργαλειομηχανών γίνεται είτε χειροκίνητα είτε αυτόματα. Οι πρώτες εργαλειομηχανές είχαν μεγάλους σφονδύλους για να σταθεροποιήσουν την κίνηση, καθώς και ένα πολύπλοκο σύστημα γραναζιών και μοχλών για τον έλεγχό τους.
Η πρώτη φάση μετεξέλιξής τους ήταν οι μηχανές αριθμητικού ελέγχου οι οποίες χρησιμοποιούσαν διάτρητες κάρτες ή ταινίες για τον έλεγχό τους. Με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών που χρησιμοποιήθηκαν στον αριθμητικό έλεγχο, οι μηχανές αυτές ονομάστηκαν «μηχανές αριθμητικού ελέγχου με υπολογιστή». Με τις νέες δυνατότητες κατέστη δυνατή η κατασκευή εξαρτημάτων με μια επαναλαμβανόμενη ακολουθία εντολών, επιτυγχάνοντας μεγάλη επαναληψιμότητα με ακρίβεια κατασκευής εξαιρετικά υψηλής ποιότητας, που ήταν αδύνατο να επιτευχθεί ακόμη και από άρτια εκπαιδευμένους και εξειδικευμένους χειριστές.
Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών έδωσε τη δυνατότητα αυτόματης αλλαγής του εργαλείου κοπής, άρα και του είδους της εκτελούμενης κατεργασίας. Το επόμενο στάδιο εξέλιξης κατάφερε να συνδυάσει διάφορες μηχανές υπό τον έλεγχο ενός υπολογιστικού συστήματος, δημιουργώντας τις μηχανές που ονομάζονται πλέον «κέντρα κατεργασίας».
Προοδευτικά, επινοήθηκε και η κατασκευή εξαρτημάτων που μπορεί να υλοποιηθεί με προσθήκη υλικού, όπου τα εξαρτήματα φτιάχνονται κατά κύριο λόγο από πλαστικό. Οι μηχανές κατασκευής που χρησιμοποιούνται για αυτού του είδους την κατασκευή ονομάζονται «μηχανές ταχείας προτυποποίησης».
Τι είναι το CNC;
Τα CNC είναι διάταξη αξόνων οι οποίοι με κατάλληλο συνδυασμό κινήσεων και βάση προκαθορισμένων συντεταγμένων κινούν κάποιο σημείο (κεφαλή).
Στο παρακάτω σκίτσο απεικονίζεται διάταξη 3 αξόνων , δηλαδή CNC που κινείται σε τρεις άξονες X, Y, Z.
Είδη εργαλειομηχανών
Βάσει του είδους της κατεργασίας, οι πιο κοινές εργαλειομηχανές είναι:
Δράπανα
Γραναζοκόπτες
Μηχανές ρεκτιφιέ
Τόρνοι
Φρέζες
Μηχανές κοπής
Μηχανές πλανίσματος.
Οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές αφαίρεσης υλικού σε ένα αντικείμενο υπό κατεργασία, είναι:
Λείανση
Με κοπτικό εργαλείο
Με ηλεκτρικό τόξο
Υδατοκοπή
Ακτίνα Laser.
Σύνθεση εργαλειομηχανών CNC
Τα βασικά στοιχεία που συνθέτουν μια μηχανή CNC είναι τα εξής:
Μονάδα ελέγχου
Ηλεκτροκινητήρας κίνησης με σερβοσύστημα
Μηχανικά και πνευματικά συστήματα κίνησης.
Λειτουργία εργαλειομηχανών CNC
Αριθμητικός έλεγχος
Ο αριθμητικός έλεγχος χρησιμοποιεί αριθμητικές τιμές για τον ορισμό της κίνησης των αξόνων και τον ορισμό των εργαλείων, όπως και των υπολοίπων συστημάτων λειτουργίας, και παρέχει τη δυνατότητα στο χειριστή να επικοινωνεί με την εργαλειομηχανή και να την καθοδηγεί μέσω ενός κώδικα που αποτελείται από μια ακολουθία γραμμάτων και αριθμών.
Βηματικοί κινητήρες
Για τη βελτιστοποίηση της ποιότητας και την αυτοματοποίηση της κατεργασίας χρησιμοποιούνται βηματικοί κινητήρες υψηλής ακρίβειας, οι οποίοι, λόγω των πολλών πόλων που διαθέτουν, έχουν τη δυνατότητα να δημιουργούν μαγνητικό πεδίο το οποίο περιστρέφεται κατά συγκεκριμένη γωνία (βήμα).
Με κάθε παλμό τάσης με τον οποίο τροφοδοτείται ο βηματικός κινητήρας, ο άξονάς του περιστρέφεται κατά συγκεκριμένη γωνία, αναλόγως των κατασκευαστικών χαρακτηριστικών του, κι έτσι έχουμε ακριβή έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής και της θέσης του άξονα.
Πρόγραμμα κατεργασίας εξαρτήματος
Το πρόγραμμα κατεργασίας του εξαρτήματος περιλαμβάνει ένα σύνολο εντολών τις οποίες μπορεί να ερμηνεύσει το σύστημα ελέγχου της μηχανής και να τις μετατρέψει σε ηλεκτρικά σήματα που θα κινήσουν τους μηχανισμούς και τις ατράκτους του μηχανήματος.
Περιέχει επίσης, τις γεωμετρικές πληροφορίες που αφορούν το εξάρτημα και τις κινήσεις των εργαλείων κοπής σε σχέση με αυτό, και καθορίζονται οι συνθήκες κοπής όπως το βάθος κοπής, η ταχύτητα κοπής αλλά και άλλες βοηθητικές λειτουργίες.
Επίτευξη ακρίβειας και διόρθωση σφαλμάτων
Η λειτουργία των εργαλειομηχανών CNC βασίζεται στην αρχή των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου με τη χρήση ανατροφοδότησης η οποία χρησιμοποιείται για τη διόρθωση κάποιου πιθανού σφάλματος.
Συστήματα κατεργασίας DNC
Η δημιουργία ολοκληρωμένων συστημάτων παραγωγής υλοποιήθηκε με τη δημιουργία παραγωγικού συστήματος τεχνολογίας DNC (Direct [στο παρελθόν] Distributed [στο παρόν] Numerical Control: πλέον σημαίνει κατανεμημένος [distributed] και όχι άμεσος [direct] αριθμητικός έλεγχος), το οποίο σύστημα αποτελείται από μηχανές CNC που συνεργάζονται με έναν εξωτερικό κεντρικό υπολογιστή, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να τις ελέγχει όλες μαζί.
Το πρόγραμμα κατεργασίας δημιουργείται στον κεντρικό υπολογιστή και στη συνέχεια διανέμεται στις μηχανές CNC σε μία ή περισσότερες φάσεις.
Ο στόχος των συστημάτων DNC είναι η μεγιστοποίηση της χρήσης και της παραγωγικότητας του συστήματος και όχι κάθε εργαλειομηχανής χωριστά.
Ευέλικτα συστήματα παραγωγής (Flexible Manufacturing System [FMS])
Είναι ένα σύνολο μηχανών συνδεμένων μέσω ενός αυτόματου τροφοδότη, το οποίο σύνολο ελέγχεται από έναν κεντρικό υπολογιστή κι έτσι επιτυγχάνεται χαμηλό κόστος για τα παραγόμενα προϊόντα, ακόμη και σε μικρές ποσότητες.
Το κύριο χαρακτηριστικό των FMS είναι η ικανότητά τους να παράγουν διαφορετικό εξάρτημα χωρίς διακοπή της διαδικασίας παραγωγής. Επίσης είναι εφικτή η αλλαγή στη γεωμετρία των αντικειμένων, η ρύθμιση του ρυθμού παραγωγής, όπως και η προσθήκη ή αφαίρεση λειτουργικών τμημάτων.
Η ευελιξία τους καθορίζεται από το πλήθος των πιθανών συνδυασμών – προσαρμογών που μπορεί να δεχθούν.
Δείτε μερικές ενδιαφέρουσες αναρτήσεις
Αναρτήσεις
