Gia công điều khiển số bằng máy tính (CNC) là gì?

Chương 1: CNC là gì?

Quy trình CNC (Computer Numerical Control) là một kỹ thuật sản xuất trong đó phần mềm được lập trình kiểm soát hoạt động của các công cụ và máy móc trong nhà máy. Phương pháp này quản lý một loạt các máy móc phức tạp, bao gồm máy mài, máy tiện, máy phay và máy phay định tuyến. Công nghệ CNC giải quyết những hạn chế của hoạt động máy thủ công, trong đó các nút, cần gạt và bộ điều khiển phải được kích hoạt thủ công. Về cơ bản, CNC cho phép cắt ba chiều chính xác thông qua một bộ hướng dẫn được lập trình duy nhất, hợp lý hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả.

Máy CNC hoạt động bằng hệ thống điều khiển số, trong đó chương trình phần mềm điều khiển sản xuất. Ngôn ngữ cho quy trình được viết bằng mã G và điều khiển nhiều hoạt động của máy. CNC cho phép người vận hành lập trình trước hiệu suất của máy để hoàn thành các chức năng lặp lại, có thể dự đoán được. Độ chính xác và hiệu quả của CNC đã biến nó thành phương pháp sản xuất phổ biến chủ yếu trong ngành chế tạo kim loại và sản xuất nhựa.

Lập trình CNC bắt đầu bằng thiết kế CAD, được chuyển đổi thành ngôn ngữ máy tính tương thích với hệ thống CNC. Để đánh giá độ chính xác của chương trình, máy sẽ chạy thử để xác định và sửa bất kỳ vấn đề nào. Sau khi giải quyết mọi lỗi, chương trình hoàn thiện sẽ được tải lên máy và bắt đầu sản xuất.

Hệ thống máy vòng hở và vòng kín

Việc thao tác vật liệu trên Máy CNC được xác định bởi hệ thống vòng hở hoặc vòng kín. Hệ thống vòng hở chạy theo một hướng cho đến khi hoàn tất quy trình trong khi hệ thống vòng kín có khả năng chấp nhận phản hồi và sửa bất kỳ lỗi nào có thể xảy ra, có thể là tốc độ cấp liệu hoặc vị trí của vật liệu.

Hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, độ chính xác phụ thuộc vào cách hiệu chuẩn. Vật liệu được đưa vào hệ thống và một bộ phận hoàn thiện được trả lại. Không có bất kỳ hiệu chỉnh nào trong quá trình thực hiện, nhưng hiệu chuẩn phải được hoàn thành một cách tỉ mỉ và cẩn thận để tránh lỗi của con người. Một ví dụ điển hình về hệ thống vòng hở là máy giặt, trong đó quần áo được cho vào máy và lấy ra khi đã giặt xong. Máy không dừng lại để tự hiệu chuẩn hoặc xác định xem quần áo đã đủ sạch chưa.

Hệ thống vòng kín phức tạp hơn hệ thống vòng hở vì nó dựa vào bộ điều khiển và bao gồm các thành phần bổ sung như bộ khuếch đại và cơ chế phản hồi. Không giống như hệ thống vòng hở, chỉ thực hiện lệnh, hệ thống vòng kín liên tục giám sát quá trình. Ví dụ, trong hệ thống sưởi ấm gia đình, lò sưởi sẽ bật nếu nhiệt độ xuống dưới điểm đặt và điều chỉnh hoặc tắt khi đạt đến nhiệt độ mong muốn. Mặc dù hệ thống vòng kín hoạt động chậm hơn do giám sát liên tục, nhưng chúng dễ hiệu chỉnh hơn vì hệ thống tự động quản lý hầu hết các điều chỉnh.

Thiết bị CNC hoạt động bằng cách tham chiếu nhiều điểm trục để loại bỏ vật liệu khỏi phôi. Số lượng trục có thể thay đổi và bao gồm 3, 4 hoặc 5 trục. Với ba điểm trục cơ bản, vật liệu vẫn ở cùng một vị trí trong khi được gia công bởi máy, di chuyển dọc theo mặt phẳng XYZ. Bốn điểm trục hoạt động chính xác như phương pháp ba trục với việc bổ sung thêm thao tác thứ tư có thể bao gồm cắt lỗ hoặc thực hiện một đường cắt đặc biệt. Phương pháp năm điểm trục phức tạp hơn bất kỳ phương pháp nào trong hai phương pháp kia. Phương pháp này thao tác năm mặt của vật liệu và được sử dụng trên các thành phần phức tạp có tính kỹ thuật cao.

Quy trình sản xuất CNC

Quy trình CNC khác với quy trình gia công truyền thống vì đây là quy trình trừ đi, trong đó các lớp vật liệu được loại bỏ để tạo ra các hình dạng tùy chỉnh. Quy trình gia công thêm các lớp. CNC là quy trình sản xuất hoàn toàn tự động với độ tin cậy cao và gia công chính xác.

Sự thành công của sản xuất CNC phụ thuộc vào lập trình ban đầu chính xác. Phần mềm phải được mã hóa với các hướng dẫn chính xác để đảm bảo máy hoạt động trong các thông số đã chỉ định. Chức năng của thiết bị CNC được quyết định bởi các hướng dẫn được cung cấp trong CAD (Thiết kế hỗ trợ máy tính), một phần mềm kỹ thuật cơ bản. Để ngăn ngừa lỗi và giảm thiểu thời gian chết, điều quan trọng là phải phát triển cẩn thận các hướng dẫn được lập trình này. Việc chú ý đúng mức đến quy trình lập trình này là điều cần thiết để đạt hiệu quả sản xuất tối ưu.

Thiết kế CAD đã được phê duyệt được gửi đến định dạng tệp tương thích với CNC như STEP hoặc IGES. Tệp STEP, tiêu chuẩn để trao đổi dữ liệu sản phẩm, chứa dữ liệu ba chiều có thể được nhiều chương trình đọc. Tệp này được thiết kế theo cách tạo tệp PDF để lưu và chia sẻ tài liệu từ các định dạng khác nhau. IGES, thông số kỹ thuật trao đổi đồ họa ban đầu, tương tự như STEP và được sử dụng để chia sẻ tệp CAD dưới dạng sơ đồ mạch, khung dây hoặc mô hình hóa khối. Cả hai dạng đều được chấp nhận để xử lý CNC.

Máy CNC sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, bao gồm G-code và M-code. Ngôn ngữ chính được sử dụng là G-code, quản lý các hoạt động của máy như tốc độ di chuyển, điều khiển bật/tắt và đường di chuyển. M-code hoặc mã hỗn hợp xử lý các chức năng liên quan đến việc bắt đầu và kết thúc quy trình CNC.

Trước khi máy có thể được kích hoạt để đọc chương trình CNC, máy phải được thiết lập và chuẩn bị. Điều này bao gồm việc lắp phôi vào các thiết bị sẽ giữ phôi tại chỗ trong quá trình hoàn tất thao tác và thêm các công cụ cần thiết như máy tiện, máy cắt plasma hoặc máy cắt tia nước. Mỗi công cụ phải được lắp đặt cẩn thận và căn chỉnh chính xác.

Tương tự như cách hướng dẫn bằng lời nói hướng dẫn một người, một chương trình CNC chỉ đạo máy thông qua một loạt các lệnh chỉ thị các hành động và chuyển động của công cụ. Khi chương trình được bắt đầu, quy trình sản xuất diễn ra từng bước theo chương trình. Vào cuối quy trình này, một bộ phận hoặc sản phẩm được thiết kế riêng sẽ được tạo ra.

Chương 2: Có những loại máy CNC nào và hoạt động liên quan của chúng?

Quy trình CNC kết hợp nhiều kỹ thuật gia công khác nhau, bao gồm các phương pháp cơ học, điện, hóa học và nhiệt. Mỗi kỹ thuật được thiết kế riêng để loại bỏ vật liệu khỏi phôi. Sau đây là một số thao tác máy phổ biến được sử dụng.

Máy tiện

Trong gia công CNC, máy tiện được sử dụng để tạo ra các thiết kế phức tạp mà khó hoặc không thể thực hiện được bằng tay. Tuy nhiên, một hạn chế chính của máy tiện là nó chỉ hoạt động trên hai trục: trục X và trục Y.

Máy cắt Plasma

Máy cắt plasma sử dụng mỏ hàn plasma để cắt kim loại. Chúng tạo ra tốc độ và nhiệt cần thiết bằng cách kết hợp khí nén hoặc khí với hồ quang điện để tạo ra plasma.

Máy phóng điện

Gia công bằng tia lửa điện (EDM) , gia công chìm khuôn hoặc gia công tia lửa điện, đúc phôi thành hình dạng bằng tia lửa điện. EDM phóng điện giữa hai điện cực, loại bỏ các phần của phôi. Khi khoảng cách giữa các điện cực nhỏ lại, trường điện trở nên mạnh hơn và mạnh hơn, loại bỏ các phần của phôi bằng điện cực.

Máy cắt tia nước

Tia nước cắt các vật liệu cứng, như đá granit và kim loại, bằng cách sử dụng nước áp suất cao. Trong một số trường hợp, nước được trộn với cát hoặc các chất mài mòn khác. Các bộ phận máy móc của nhà máy được định hình bằng quy trình này. Tia nước là một giải pháp thay thế mát hơn cho các vật liệu không chịu được các quy trình đòi hỏi nhiều nhiệt. Chúng cũng hữu ích cho các ứng dụng đòi hỏi các vết cắt phức tạp vì việc thiếu nhiệt ngăn ngừa các thay đổi về tính chất của vật liệu.

Khoan

Khoan sử dụng mũi khoan đa điểm để tạo ra các lỗ hình trụ. Máy CNC đưa mũi khoan vuông góc vào mặt phẳng của phôi tạo ra các lỗ thẳng hàng theo chiều dọc. Các hoạt động khoan góc được thực hiện bằng cách sử dụng các cấu hình máy chuyên dụng sử dụng các thiết bị giữ phôi. Các khả năng của quy trình khoan bao gồm khoan ngược, khoét lõm, doa và tarô.

Xay xát

Phay sử dụng các công cụ cắt đa điểm quay. Máy CNC đưa phôi vào công cụ cắt theo cùng hướng với vòng quay của công cụ cắt. Quá trình phay bao gồm phay mặt, cắt các bề mặt phẳng nông và các khoang đáy phẳng vào phôi trong khi phay ngoại vi cắt các khoang sâu, chẳng hạn như khe và ren.

Quay

Tiện là một công cụ cắt một điểm. Công cụ cắt được đưa vào theo chuyển động tuyến tính dọc theo bề mặt của phôi quay, loại bỏ vật liệu xung quanh chu vi cho đến khi đạt được đường kính mong muốn, tạo ra các bộ phận hình trụ có các đặc điểm bên ngoài và bên trong. Quá trình tiện được sử dụng để khoan, phay mặt, tạo rãnh và cắt ren.

Chương 3: Có những loại phần mềm CNC nào?

Mặc dù CAD là một trong những định dạng trung tâm để lập trình thiết bị CNC , nhưng nó không phải là loại phần mềm duy nhất có sẵn. Như bất kỳ kỹ sư nào cũng sẽ giải thích, có nhiều chương trình phần mềm có thể tạo hình ảnh ba chiều để đưa vào thiết bị CNC. Việc lựa chọn phần mềm có nhiều hướng và phụ thuộc vào sở thích của kỹ sư.

CAD

Phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) được sử dụng để phác thảo các mô hình vector 2D và rắn 3D chi tiết, cùng với tài liệu kỹ thuật và thông số kỹ thuật. Các thiết kế và mô hình CAD này sau đó được các hệ thống sản xuất hỗ trợ máy tính (CAM) sử dụng để phát triển các chương trình cần thiết cho máy CNC sản xuất các bộ phận. Phần mềm CAD giúp xác định các thuộc tính của bộ phận, đánh giá và xác minh thiết kế, mô phỏng sản phẩm mà không cần nguyên mẫu vật lý và cung cấp dữ liệu thiết kế cần thiết.

CAM

Phần mềm sản xuất hỗ trợ máy tính (CAM) trích xuất dữ liệu kỹ thuật từ thiết kế CAD và tạo ra các chương trình máy cần thiết để vận hành máy CNC và kiểm soát dụng cụ. Phần mềm này cho phép máy CNC hoạt động tự động, giảm nhu cầu can thiệp của người vận hành và hợp lý hóa việc tự động hóa đánh giá thành phẩm.

CAE

Phần mềm kỹ thuật hỗ trợ máy tính (CAE) hỗ trợ các kỹ sư trong suốt các giai đoạn tiền xử lý, phân tích và hậu xử lý của quá trình phát triển sản phẩm. Nó hỗ trợ nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau, bao gồm thiết kế, mô phỏng, lập kế hoạch, sản xuất, chẩn đoán và sửa chữa, bằng cách giúp đánh giá và tinh chỉnh các thiết kế sản phẩm. Các loại phần mềm CAE chính bao gồm phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA), động lực học chất lưu tính toán (CFD) và động lực học đa vật thể (MDB). Mỗi công cụ này đều đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và cải thiện hiệu suất và hiệu quả của sản phẩm.

Phần mềm CAD/CAM/CAE kết hợp cả ba nền tảng phần mềm thành một định dạng dễ truy cập. Hình thức kết hợp các nền tảng tích hợp này là một phần mềm duy nhất có khả năng quản lý quy trình chế tạo từ thiết kế đến phân tích đến sản xuất.

Chương 4: Máy CNC là gì?

Máy CNC là máy tự động được điều khiển bằng số sử dụng một bộ công cụ để tạo ra một bộ phận chính xác tùy chỉnh bằng quy trình loại bỏ vật liệu tiếp cận và định hình. Một hình ảnh ba chiều được lập trình bằng phần mềm CAD được tải xuống máy tính của máy CNC. Một phôi làm bằng kim loại, nhựa, gỗ, gốm hoặc vật liệu tổng hợp được đặt trong máy CNC để xử lý bằng các hướng dẫn được lập trình mã hóa. Ngoài việc thiết lập ban đầu của thiết bị, không cần người vận hành thủ công.

Chương trình của máy CNC được thiết kế bằng phần mềm CAD, tạo ra một bộ hướng dẫn đầu vào được cung cấp thông qua mã hóa chung hoặc chuyên biệt. Gần đây, in 3D đã trở nên phổ biến để tạo nguyên mẫu cho máy CNC. Không giống như CAD, nơi các bộ phận thường được hoàn thiện, các bộ phận in 3D phải được cắt lát trước khi nhập hướng dẫn bằng G-Code. Mặc dù máy in 3D vượt trội với vật liệu mềm, các bộ phận thường cần được hoàn thiện thêm sau khi được lấy ra khỏi máy, trong khi các bộ phận được sản xuất bằng CAD thường sẵn sàng để sử dụng sau khi hoàn thành.

Máy CNC là một quy trình hoàn toàn tự động không yêu cầu bất kỳ thao tác thủ công nào đối với vật liệu trong quá trình sản xuất. Kích thước và thông số kỹ thuật của một bộ phận được xác định trước bằng phần mềm CAD, được dịch thành chỉ thị bằng phần mềm CAM và được gửi đến tệp STEP hoặc IGES để tương thích với máy CNC.

Hầu hết các máy CNC sử dụng nhiều công cụ để đạt được các đường cắt chính xác. Thông thường, các máy này hoạt động dọc theo trục X và Y. Trong cấu hình này, máy được coi là một ô đơn, vì phôi vẫn đứng yên và không quay. Tuy nhiên, khi cần nhiều công cụ, máy sẽ kết hợp chuyển động dọc theo trục X, Y và Z. Những máy như vậy được gọi là nhiều ô, có khả năng thay đổi hướng của phôi và xoay nó. Máy nhiều trục có thể tự động lật và xoay một bộ phận, tăng cường độ chính xác và độ tin cậy. Đối với các thành phần phức tạp hơn, thường cần lập trình mở rộng để đáp ứng tất cả các tính năng cần thiết.

Gia công CNC là điều cần thiết cho việc sản xuất các bộ phận máy tính và ốc vít cũng như các bộ phận ô tô và linh kiện hàng không vũ trụ. Công nghệ tiên tiến của quá trình gia công CNC đã nâng cao quy trình sản xuất và cho phép sản xuất các sản phẩm gia dụng và sản xuất tinh vi. Phương pháp phức tạp để phát triển mã cho máy CNC là một thách thức và đòi hỏi phải thao tác thông minh nhiều biến số.

Máy CNC cung cấp tính linh hoạt đặc biệt, cho phép thiết kế, lập trình và sản xuất chính xác các bộ phận để đáp ứng các thông số kỹ thuật chính xác, thậm chí đến từng chi tiết nhỏ nhất. Mặc dù có một số hạn chế, khả năng của chúng là rất lớn. Chúng thực hiện hiệu quả các đường cắt phức tạp ở nhiều góc độ khác nhau với tốc độ và độ chính xác, với sự lập kế hoạch cẩn thận và lập trình chính xác. Sau khi xử lý dữ liệu và hoàn tất quá trình gia công, máy CNC tạo ra một sản phẩm hoàn thiện hoàn hảo.

Phần kết luận

Quy trình CNC là sự kết hợp hoàn hảo cho sản xuất trong thế kỷ 21. Nó kết hợp các thành phần của máy công cụ đã được chứng minh và các yếu tố của thời đại máy tính để tạo ra một thiết bị có thể tạo ra các sản phẩm hoàn hảo. Trong năm mươi năm qua, máy CNC đã có những bước tiến vượt bậc và trở thành một phần thiết yếu của một số ngành công nghiệp. Rất có thể công nghệ này sẽ tiếp tục phát triển khi tích hợp các quy trình xử lý vật liệu AGV.

Có nhiều lợi thế đối với gia công CNC. Nó chính xác hơn và lặp lại từng thao tác theo cùng một cách. Các quy trình được coi là không thể và vượt quá khả năng của máy móc đang dễ dàng được hoàn thành bằng máy CNC. Nó có thể thực hiện bất kỳ dự án nào và biến nó thành một bộ phận chính xác đã hoàn thiện, sẵn sàng cho ứng dụng của bộ phận đó.

Gia công CNC được sử dụng cho các công việc đòi hỏi độ chính xác cao như trong việc tạo ra các nguyên mẫu và các bộ phận thử nghiệm. Độ chính xác, không có sự thay đổi, là lý do khiến nó trở thành nền tảng của sản xuất hiện đại. Gia công CNC là một bước và quy trình đưa chúng ta đến tương lai của sản xuất và chế tạo.