Numeerinen ohjaus

Numeerinen ohjaus (NC, numerical control tai computer numerical control eli CNC) tarkoittaa työstö- tai muun koneen ohjaamista yksiselitteisillä symboleilla, jotka koneen ohjauselektroniikka toteuttaa muuntamalla ne tarvittaviksi servo-ohjattujen moottorien liikkeiksi. Numeerista ohjausta käytetään esimerkiksi metalliteollisuudessa ohjaamaan työstökoneita kuten sorveja, jyrsimiä, poria ja polttoleikkauskoneita.

 Historia 
Alussa NC:llä (numerical control) tarkoitettiin työstökonetta, jota ohjatiin reikänauhalla tai reikäkortilla: työstökoneessa oli vain lukija reikänauhalle tai -kortille. Noin vuoden 1974 jälkeen alettiin valmistaa CNC-työstökoneita (computerized numerical control - tietokoneistettu numeerinen ohjaus), joiden ohjaukseen kuului minitietokone ja ohjelmamuisti. CNC-termin on nykyisin korvannut NC. . CNC-työstökoneissa saattoi olla esimerkiksi PDP-8-minitietokone.http://www.dvq.com/oldcomp/dec/pdp8m.html 

Tarve CNC:lle syntyi 1940-luvulla, kun helikopterin roottorin lapojen koneistaminen riittävän tarkasti laskelmien mukaan ei enää onnistunut silloin käytettävissä olleilla laitteilla. Vaikka tarvittava numeerinen ohjauskoodi oli laskettu tietokoneella, se jouduttiin antamaan koneistajalle, joka käänsi syöttöruuvien kampia ohjeen mukaan, mikä oli epätarkkaa ja hidasta. Silloiset automaattiset NC-sarjatuotantokoneet oli suunniteltu ja rakennettu valmistamaan vain yhtä osaa, eivätkä ne soveltuneet kyseiseen tarkoitukseen. 

1940-luvun lopulla John T. Parsonsin Parsons Corporationin kanssa tehdyn sopimuksen johdosta MIT:n Servomechanisms Laboratory aloitti kehityksen numeeriselle ohjaukselle. Laboratoriossa kehitettiin kokeellinen numeerisesti ohjattu jyrsintäkone, joka sai käskyjä reikänauhalta. Ensimmäistä toimivaa mallia esiteltiin vuonna 1952, jonka jälkeen jatkotutkimusta tehtiin Yhdysvaltain ilmavoimien tuella. Myös Automatically Programmed Tool (APT) täsmäkieli kehitettiin laboratoriossa ja siitä tuli standardi tietokoneohjaukseen.
CNC-yläjyrsimen patenttihakemus jätettiin 1952, ja patentti myönnettiin 1958.

Suomen ensimmäinen numeerisesti ohjattu kone, avarruskone, otettiin käyttöön Valmetin lentokonetehtaalla 1962.

NC-koneita ohjataan yleisesti G-koodilla. Komentokielen kehitti Gerber Scientific Instruments valmistamiaan kynäpiirtureita varten 1960-luvulla. Moni kielen komento alkaa G-kirjaimella, mistä seurasi kielen nimi. Kielen käyttö yleistyi ja sitä laajennettiin paremmin jyrsimiin soveltuvaksi lisäämällä hallittavien akselien määrää alkuperäisestä kahdesta (X, Y). Electronic Industries Alliance standardoi G-koodin RS274D:ksi helmikuussa 1980. Harva laitevalmistaja enää noudattaa tarkalleen tätä standardia.

 G-koodi 
G-koodi on matalan tason komentokieli. Monimutkaisen liikeradan ohjelmointi suoraan G-koodilla on työlästä, ja jos työkalun mallia muutetaan, pitää kirjoittaa G-koodi uudelleen. Kuitenkin pienet työkalun pituusmuutokset voidaan hoitaa mitta- ja teräkorjaimilla. 
G-koodin kirjoittamisen voi antaa CAM-ohjelman tehtäväksi valmistettavan kappaleen CAD-mallin ja käytettävissä olevan työkalun mittojen perusteella.

 Esimerkkiohjelmia CNC-sorville 
pienoiskuva|Työkalun liikkeen simulointikuva.

 Koodi Toiminnon selitys G50 s700  Karanpyörimisnopeuden rajoitus 700 r/min G95 F0.2  työkalun syötöksi 0,2 millimetriä per kierros G96 S200  Vakiolastuamisnopeus 200 m/min - pyörimisnopeus vaihtelee T0101  valitaan työkalu 1 M3  karan moottori päälle - työkappale pyörimään G0 X52.Z2.  siirretään työkalu pikaliikkeellä lähelle kappaletta G1 Z0.  lähestytään kappaletta vaakasuoraan 0,2 mm/kierros G1 X-2  työstetään kappaleen pääty pystysuoralla liikkeellä G0 X50.Z2.  siirrytään pikaliikkeellä halkaisijaan 50 mm G1 Z-100.  työstetään vaakasuoralla liikkeellä 100 mm G0 X200.Z200.  siirrytään pikaliikkeellä pois M5  Karanpysäytys  M30  ohjelman lopetus - moottori seis

Täydellinen ohjelma G70- ja G71-työkierroilla ja rouhintatyökalulla ja viimeistely-silitystyökalulla. Teräksisen aihion halkaisija on 40 mm, johon olisi tarkoitus tehdä 20 mm pitkä olake halkaisijaan 20 mm.

 Koodi Toiminnon selitys O1120  ohjelmanumero G00 T0101  valitaan työkalu 1 (rouhintaterä G96 S120 M3  valitaan vakiolastuamisnopeus 120 m/min ja käynnistetään kara M8  lastuamisnestepumppu päälle G00 Z0.  liikutaan Z-akselilla nollapisteeseen (pikaliikkeellä) G00 X41.  liikutaan X-akselilla halkaisijaan 41 mm (pikaliikkeellä) G01 X-0.5 F0.3  liikutaan X-askelilla halkaisijaan -0,5 mm (syöttöliike, syöttö 0,3 mm/r) G01 X41. Z1.  liikutaan X-akselilla halkaisijaan 41 mm ja Z-akselilla 1 mm irti G71 U3.  rouhintatyökierto, lastun vahvuus 3 mm G71 P10 Q11 U0.25 W0.25 F0.3 S120  rouhintatyökierto, alkaa riviltä (P)10 ja loppuu riville (Q)11, säteensuuntainen työvara (U)0,25 mm ja pituussuntainen työvara (W)0,25 mm N10 G00 X20.  työkierron liikerataa G01 Z-20.  työkierron liikerataa N11 G01 X41.  työkierron liikerataa G28 U0.W0. M9  terän vienti koneen X- ja Z-referenssipisteeseen ja lastuamisneste pois päältä G00 T0303  valitaan työkalu 3 (silitysterä) G96 S150 M3  valitaan vakiolastuamisnopeus 150 m/min ja käynnistetään kara G00 Z1. M8  siirrytään 1 mm irti kappaleesta (pikaliike) ja lastuamisneste päälle G00 X41.  siirrytään halkaisijaan 41 mm (pikaliike) G70 P10 Q11 S150 F0.15  silitystyökierto, alkaa riviltä 10 ja loppuu riville 11 G28 U0. M9  terän vienti koneen X, 0 -pisteeseen ja lastuamisneste pois päältä G28 W0.  terän vienti koneen Z, 0 -pisteeseen M30  ohjelman lopetus, ja paluu ohjelman alkuun

 Tänään 
Tällä hetkellä CNC-ohjausjärjestelmä valmistustuotannon alalla on tullut hyvin laaja, ei vain perinteinen jyrsintä ja sorvaus, muut koneet ja laitteet on myös asennettu vastaavalla CNC: llä, joka tukee valmistusteollisuutta, parantaa huomattavasti laatua ja tehokkuutta. CNC:n uusin suuntaus on tietysti perinteisen subtraktiivisen valmistuksen yhdistäminen additiiviseen valmistukseen (3D-tulostukseen) uuden valmistusmenetelmän luomiseksi - hybridi additiivinen subtraktiivinen valmistus (HASM). Toinen suuntaus on yhdistää tekoäly ja suuri määrä antureita valmistuksen joustavuuden saavuttamiseksi.

 Työkalu/kone kaatuu 
CNC:ssä "törmäys" tapahtuu, kun kone liikkuu tavalla, joka on haitallista koneelle, työkaluille tai työstettäville osille, mikä joskus johtaa leikkaustyökalujen, tarvikkeiden puristimien, ruuvipenkkien ja kiinnikkeiden taipumiseen tai rikkoutumiseen tai aiheuttaa itse koneen vaurioituminen johtuen ohjauskiskojen taipumisesta, käyttöruuvien rikkoutumisesta tai rakenteellisten osien halkeilusta tai muodonmuutoksesta rasituksen vaikutuksesta. Lievä törmäys ei välttämättä vahingoita konetta tai työkaluja, mutta voi vahingoittaa koneistettavaa osaa, joten se on romutettava. Monilla CNC-työkaluilla ei ole luontaista käsitystä pöydän tai työkalujen absoluuttisesta sijainnista, kun ne on kytketty päälle. Niiden on oltava manuaalisesti "kotitettu" tai "nollaus", jotta niillä on viittaus työskentelyyn, ja nämä rajat on tarkoitettu vain sen osan sijainnin selvittämiseen, eivätkä ne ole mekanismin kovan liikkeen rajoituksia. Usein on mahdollista ajaa konetta sen käyttömekanismin fyysisten rajojen ulkopuolella, mikä johtaa törmäykseen itsensä kanssa tai käyttömekanismin vaurioitumiseen. Monet koneet toteuttavat fyysisten rajakytkimien lisäksi ohjausparametreja, jotka rajoittavat akselin liikettä tietyn rajan yli. Käyttäjä voi kuitenkin usein muuttaa näitä parametreja.

Kaupalliset CNC-metallintyöstökoneet käyttävät suljetun silmukan takaisinkytkentäsäätimiä akselin liikkeelle. Suljetussa järjestelmässä säädin tarkkailee kunkin akselin todellista sijaintia absoluutti- tai inkrementtianturilla. Oikea ohjausohjelmointi vähentää törmäyksen mahdollisuutta, mutta on silti käyttäjän ja ohjelmoijan tehtävä varmistaa, että konetta käytetään turvallisesti. Kuitenkin 2000- ja 2010-luvuilla koneistuksen simulointiohjelmistot ovat kypsyneet nopeasti, eikä ole enää harvinaista, että koko työstökoneen kuori (mukaan lukien kaikki akselit, karat, istukat, torneja, työkalunpitimet, takatuet, kiinnikkeet, kiinnikkeet, ja stock) mallinnettava tarkasti 3D solid -malleilla, jolloin simulointiohjelmisto voi ennustaa melko tarkasti, liittyykö sykliin törmäys. Vaikka tällainen simulointi ei ole uusi, sen tarkkuus ja markkinaosuus muuttuvat huomattavasti tietojenkäsittelyn kehityksen vuoksi.

 Paikannuksen ohjausjärjestelmä 
Numeerisissa ohjausjärjestelmissä työkalun asento määritetään osaohjelmaksi kutsutun ohjejoukon avulla. 
 Kartesiankoordinaatit 
Kaikki G&M-koodien sijainnit perustuvat kolmiulotteiseen kartesiolaiseen koordinaattijärjestelmään. Tämä järjestelmä on tyypillinen taso, johon törmätään usein matematiikassa kuvaajien kuvaajien kuvaamisessa. 

 Katso myös 
 FMS
 Lastuava työstö
 Tietokoneavusteinen valmistus (CAM)
 Teollisuusrobotti
 Valmistustekniikka
 Ohjelmoitava logiikka

 Lähteet 

 Aiheesta muualla 

NC-tekniikka –oppimateriaalin etusivu

*
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit