کنترل عددی

کنترل عددی (انگلیسی: Numerical control؛ کوته‌نوشت: NC یا ان‌سی) به خودکارسازی ماشین‌های ابزاری گفته می‌شود که توسط دستورهای با دقت برنامه‌ریزی‌شده روی یک رسانه ذخیره‌سازی، بر خلاف وارسی دستی کار می‌کند.
کنترل عددی رایانه‌ای (انگلیسی :Computer Numerical Controlَ؛ کوته‌نوشت: CNC یا سی‌ان‌سی)  اتوماسیون ابزار و ماشین‌آلات با استفاده از رایانه‌هایی است که توانایی اجرای فرامین کنترلی ماشین‌آلات را دارند. این روش در مقابل ماشین‌هایی است که به صورت دستی کار می‌کنند.
در دستگاه‌های ماشین ابزار سی‌ان‌سی مدرن، طراحی یک قطعهٔ مکانیکی و برنامه تولید آن کاملاً خودکار انجام می‌شود. هندسه مکانیکی جسم با استفاده از نرم‌افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) تعریف شده و پس از آن به وسیله نرم‌افزارهای تولید به کمک کامپیوتر(CAM) به دستورات تولیدی و ساختی تبدیل می‌شود. سرانجام این دستورات که برای سیستم یک ماشین تولیدی قابل فهم است، روی یک ماشین کنترل عددی (CNC) بارگذاری می‌شوند.
از آن‌جایی که یک جزء خاص برای ساخته شدن ممکن است به ابزارهای متفاوتی چون:مته، ارّه، تراش و … نیاز داشته باشد؛ ماشین آلات مدرن اغلب ترکیبی از ابزارهای متعدد در یک سلول واحد هستند.

تفاوت دستگاه‌های CNC با NC

سیستم‌های NC، از سخت‌افزار الکترونیکی بر پایه تکنولوژی مدارهای دیجیتالی استفاده می‌کنند. CNC یک مینی کامپیوتر یا میکرو کامپیوتر را برای کنترل ماشین ابزار بکار می‌گیرد و تا حد امکان مدارهای سخت‌افزار اضافی را در واحد کنترل حذف می‌کند. گرایش از NC بر پایه سخت‌افزار، به CNC مبتنی بر نرم‌افزار، انعطاف‌پذیری سیستم را افزایش داد و امکان تصحیح برنامه‌ها را در حین استفاده فراهم ساخت. در دستگاه NC چیزی به نام کامپیوتر یا سنسور وجود ندارد؛ ولی در دستگاه CNC قطعه کار را روی صفحهٔ سنسور دار گذاشته و در اصطلاح آن را بند می‌کنیم. دستگاه به کمک هوش مصنوعی خود و با دادن طرح به کامپیوتر دستگاه، می‌تواند با وجود ۳ محور خود طرح مورد نظر را روی قطعه کار پیاده کند.

تاریخچه

بعد از جنگ جهانی دوم ضرورت وجود دستگاه‌هایی که توانایی ساخت قطعات پیچیده و دقیق رابرای صنایع هوافضا داشته باشند احساس می‌شد. از سال ۱۹۵۰ جان پارسانگ از شرکت پارسونز قرارداد خود را بانیروی هوایی آمریکا جهت ساخت اولین دستگاه کنترل عددی (NC) منعقد کرد. بعد از ساخت اولین دستگاه کنترل عددی توسط پارسانگ، انیستیتو ام‌آی‌تی آمریکا (Massachusetts Institute of Technology) اقدام به ساخت سری کامل تر از دستگاه اولی کرد. بعد از گذشت ۲ سال از این اقدام در سال ۱۹۵۲ و با تلاش و کوشش۱۰۰ نفر از بهترین مهندسان الکترونیک و مکانیک جهان، توانستند دستگاهی با کنترل سه محوری، دقت و سرعت و قدرت بالا اختراع کنند که نام آن را (NC1) گذاشتند.
پس از تولید انبوه ماشین آلات (NC) محققان و منتقدان این دستگاه دریافتند که این دستگاه قابلیت ارتقا دارد. در همان زمان بود که صنعت کامپیوتر رشد و نمو قابل توجهی کرده بود. رشد دنیای رایانه‌ها محققان را به این فکر انداخت که کلیهٔ دستگاه‌ها را به کمک کامپیوترها کنترل کنند که دستگاه‌های (NC)هم از این قاعده مستثنا نبودند. یک سری از مهندسان از اقصا نقاط جهان در شرکت ام آی تی جمع شدند و روی پروژهٔ فرمان‌گیری دستگاه‌های (NC) از طریق کامپیوتر بحث و گفتگو کردند. پس از ۲ ماه گفتگو و بحث در این باره که آیا این دستگاه‌ها ارزش ارتقا را دارند یانه، در آخر دستور ساخت سری جدید این دستگاه‌ها از طرف رئیس شرکت ام آی تی صادر شد؛ و بعد از ۳ سال کار روی این پروژه، دستگاه کنترل عددی کامپیوتری (CNC) در سال ۱۹۵۹ اختراع شد.

G-کد

جی-کد (G-code) زبان مورد استفاده برای کنترل دستگاه‌های ماشین ابزار سی‌ان‌سی است. اپراتور با استفاده از این زبان برنامه‌نویسی، دستورات لازم برای ایجاد طرح مورد نظر را به دستگاه می‌دهد. مثلاً با دریافت دستور G1 X100 Y100، ابزار روی یک خط مستقیم به مختصات (۱۰۰٬۱۰۰) حرکت می‌کند. این حرکت با دقت زیاد و بدون نیاز به اندازه‌گیری توسط اپراتور انجام می‌شود. به همین دلیل ماشین‌های سی‌ان‌سی، سرعت و دقت ماشین‌کاری را به مراتب افزایش می‌دهند.
نمونه‌ای از کد راهبری ماشین‌ها به شرح زیر است:
N0080 ...
N0090 G00 X100 Y100
N0100 G00 Z-2
N0110 G01 X110 F20
N0120 Y200 F15
N0130 G00 Z10
N0140 ...

تشریح دستگاه CNC

حرکت ابزار دستگاه سی‌ان‌سی عموماً در راستای محورهای X(طول)،Y(عرض) وZ(عمق) کنترل می‌شود. حرکت ابزار به صورت مستقیم توسط موتورهای پله‌ای یا سروو موتورها به منظور ارائه حرکت‌های بسیار دقیق تعیین می‌شود. سیستم کنترلی این دستگاه‌ها از نوع حلقه باز یا حلقه‌بسته است. در سیستم حلقه‌باز ارتباط فقط در جهت کنترلر به موتور برقرار می‌شود. در حالی که در سیستم حلقه بسته بازخوردهایی از خروجی‌های سیستم (موقعیت، سرعت و …) به کنترلر داده می‌شود به‌طوری‌که بتواند خطاهای صورت گرفته را اصلاح کند. این خطاها ممکن است ناشی از تغییرات بار، درجه حرارت، کالیبره‌نبودن دستگاه یا خطاهای سیستمی باشد. موتورهای پله‌ای را می‌توان در هر دو نوع سیستم استفاده کرد در حالی که سروو موتورها فقط در سیستم‌های حلقه بسته استفاده می‌شوند.

سیستم موقعیت یابی در کنترل عددی

موقعیت یابی یکی از کارهایی است که در جریان کنترل عددی و در دستگاه های سی ان سی باید انجام گیرد تا دقت انجام کار برش و حکاکی در دستگاه در بالاترین سطح ممکن قرار گیرد. دستگاه های CNC و NC از دو شیوه متفاوت برای موقعیت یابی استفاده می کنند که یکی از آنها سامانه کنترل حلقه باز (Open-loop controller) و دیگری سامانه کنترل حلقه بسته (closed loop system) است.
سیستم کنترل حلقه باز که تحت عنوان سیستم بدون پسخورد نیز نامیده می‌شود، یک سیستم کنترلی است که در آن خروجی کار تاثیری بر گام‌های بعدی ندارد. در واقع در این سیستم، خروجی کار نه اندازه گیری می شود و نتیجه آن بر کارهای بعدی دستگاه تاثیر گذاری می شود. این روش در دستگاه های کنترل عددی بسیار ارزان قیمت است و امروزه در دستگاه‌های پیشرفته کمتر از آن استفاده می شود. نکته مهم در این روش، سهولت کار دستگاه است که نیازی به تنظیمات پیشرفته ندارد. اگر کالیبراسیون دستگاه به شکل مناسب انجام نگیرد و یا اغتشاشاتی در انجام کار به وجود بیاید، سیستم حلقه باز چندان مطلوب نیست و به جای آن از سیستم حلقه بسته استفاده می شود.
سیستم کنترل حلقه بسته یا سیستم پسخوردی به سیستمی گفته می شود که حرکت بعدی سیستم تحت تأثیر خروجی آن قرار دارد. در واقع بازخورد هر کدام از فعالیتهای دستگاه به کنترل کننده ارائه می شود تا بتواند از این طریق اشتباه در موقعیت یابی، سرعت و شتاب خود را درست کند و تغییرات لازم را به وجود بیاورد. این سیستم در دستگاه سی ان سی پیشرفته به کار گرفته می‌شود و معمولاً باعث افزایش قیمت دستگاه می شود.
نکته جالب در مورد هر دو سیستم، استفاده از موتور های استپر در آن هاست که با هر دو سیستم سازگاری دارد.

مختصات دکارتی

موقعیت کد G & M بر اساس یک سیستم مختصات سه بعدی دکارتی است. این سیستم یک نوع سیستم مختصات معمولی است که اغلب هنگام محاسبات در ریاضی دیده می شود. این سیستم برای نقشه مسیرهای ماشین ها و هر گونه اقدام دیگری را که باید در یک مختصات خاص اتفاق بیافتد، طراحی شده است. مختصات مطلق چیزی است که به طور معمول برای ماشین آلات استفاده می شود و نشان دهنده نقطه (0،0،0) در طرح کلی است. (منبع: صفحه دستگاه cnc در پاورکم)

دستگاه فرز

فرز یک دستگاه ماشین‌کاری است که از ابزار تراش دوّار برای براده برداری از جسم مورد نظر استفاده می‌کند. محور ابزار تراش توسط برنامه‌های داده شده به دستگاه با پیشروی در یک جهت و زاویهٔ مشخص عمل براده برداری مورد نظر را انجام می‌دهد. بسیاری از فرزهای CNC از G-کد که یک کد استاندارد بین تمامی دستگاه‌های ماشین کاری سی‌ان‌سی است استفاده می‌کنند. حرکت دستگاه‌های فرز، اغلب به سه راستای X(طول)،Y(عرض) وZ(عمق) محدود شده‌است. اما امروزه فرزهای CNC چهار تا شش محوره نیز در بازار وجود دارند.

دستگاه تراش

دستگاه تراش، ماشین ابزاری است که برای تراشیدن و شکل‌دهی به قطعات چوبی و فلزی به کار می‌رود. این دستگاه مناسب برای قطعه‌هایی است که مقاطع دایروی دارند. دستگاه قطعه را حول محور خود می‌چرخاند و عملیات شکل‌دهی را با تیغهٔ نصب شده انجام می‌دهد. به صورت کلی ماشین تراش در دو مدل معمولی (دستی) و CNC وجود دارد. ماشین‌های تراش عمدتاً دارای دو محورX و Z هستند ولی امروزه دستگاه‌های پیشرفته تر با محورهای حرکتی بیشتر نیز ساخته شده‌اند.

دستگاه برش پلاسما

دستگاهی است که به کمک آن قطعات (عموماً فلزی) را با استفاده از یک جت شتاب‌دهندهٔ پلاسمای داغ برش می‌دهند. در این روش یک گاز نجیب یا هوای فشرده با سرعت بالا از نازل دستگاه دمیده می‌شود و در همان لحظه یک قوس الکتریکی اجاد شده و گاز به حالت پلاسما در می‌آید. پلاسما به اندازهٔ کافی گرم است تا فلز را ذوب کند. هوای فشرده دمیده شده نیز به اندازه‌ای فشار دارد که فلز ذوب شده را از جای خود خارج کند. دستگاه‌های برش پلاسما با استفاده از کامپیوتر خود الگوی برش را به زبان قابل فهم خود، دریافت کرده و عمل برش را به صورت خودکار و یکنواخت انجام می‌دهند.

دستگاه ماشین کاری تخلیهٔ الکتریکی

در این دستگاه از تخلیه الکتریکی به منظور براده برداری استفاده می‌شود. فرایند براده برداری به وسیلهٔ جرقه‌های متناوب و کنترل شده‌ای است که بین دو الکترود (فلز دستگاه و قطعه کار) زده می‌شود. در این روش هیچ‌گونه تماس مستقیمی بین الکترود و قطعه‌کار برقرار نمی‌شود. مبنای ایجاد تخلیهٔ الکتریکی پدیده شکست خازن است. هنگامی که فاصله بین دو الکترود (صفحه‌های خازن) کاهش می‌یابد شدت میدان الکتریکی افزایش یافته و تخلیهٔ الکتریکی رخ می‌دهد.

طرح سی ان سی

طرح سی ان سی یا به انگلیسی CNC Pattern، که در واقع نسبت به کاربرد طرح می‌تواند تک بعدی، دو بعدی و یا سه بعدی باشد. طرح سی ان سی توسط کامپیوتر، به کنترلر سی ان سی منتقل می‌شود، عموماً دستگاه  سی ان سی توسط کابل usb، همچون یک پرینتر به کامپیوتر وصل است، و وظیفه اجرای طرح را دستگاه CNC انجام میدهد. طرح‌های زیادی در اینترنت رایگان و یا به ازای پرداخت هزینه وجود دارند. همچنین یک طراح و یا برنامه‌نویس می‌تواند طرح دلخواه شما را طراحی کند.