امروزه قطعات صنعتي داراي پيچيدگي هاي هندسي متفاوتي مي باشند كه فقط با استفاده از ماشين ابزارهايي با دقت بالا قابل توليد اند. با پيشرفت چشمگيري كه در صنعت الكترونيك در دهه هفتاد ميلادي به وجود آمد بكارگيري ميني كامپيوتر ها در صنعت ماشينكاري مرسوم گرديد.
ماشين ابزارهايي كه به كمك كامپيوتر هدايت مي شدند CNC نام گرفتند. به كمك CNC به تدريج دقت مورد نياز براي توليد قطعات پيچيده در صنايع مختلف مانند هوافضا و قالب سازي حاصل شد. با دست يابي به تلرانسهاي بسيار دقيق براي توليد يك قطعه تدريجا انديشه بالاتر بردن سرعت توليد نيز قوت يافت. با ساخت ابزارهايي با سختي زياد، شرايط براي بالا بردن نرخ توليد نيز بهبود يافت «2». تا اينكه امروزه با بكارگيري تكنيكهاي ماشينكاري با سرعتهاي بالا قطعاتي با تلرانسهاي دقيق در زمان بسيار كوتاهي توليد مي گردند. براي دست يابي به قابليت ماشين كاري با سرعتهاي بالا مي بايد در زمينه هاي مختلف مانند طراحي سازه اي، كنترل ارتعاشات خود برانگيخته، يافتن بهترين نرخ براده برداري و كنترل حركت و سرعت در راستاي مسير مورد نظر به پيشرفتهايي دست يافت.
فصل اول :
Cnc :
كنترل حركت در راستاي يك مسير در ماشينهاي CNC در واحد درونياب صورت مي گيرد. اكثر درونيابهاي CNC فقط قابليت درونيابي در راستاي خط و دايره را دارا مي باشند. به دليل اينكه براي ماشينكاري يك مسير منحني شكل در حالت عمومي با بكارگيري اين نوع درونيابها نياز به شكسته شدن منحني به قطعاتي از خط و دايره مي باشد، لذا اين دو نوع درونيابي به تنهايي پاسخگوي همه كاربردها از جمله ماشينكاري در سرعتهاي بالا، نيستند. بنابراين بكارگيري نوع ديگري از درونيابها يعني درونيابي در راستاي يك منحني ضروري به نظر مي رسد. محققين مختلفي در اين زمينه به تحقيق پرداخته اند و الگوريتمهاي مختلفي را بر مبناي بكارگيري منحني هاي پارامتري چند جمله اي در حالت عمومي ارائه داده اند.
Korn در ابتدا با توسعه درونيابي دايره اي، روشهايي را براي درونيابي منحني ها درجه دو ارائه داد Korn , Yang , Kong, Huang , Yang با بكارگيري منحني هاي پارامتري چند جمله اي روشهايي را براي درونيابي يك منحني ارائه دادند اما اين روشها قاعدتاً براي درونيابي يك منحني درجه سه به كار مي رود و در بكارگيري منحني هاي درجه بالاتر كارآيي لازم را ندارند. به تدريج با بكارگيري مفاهيم B-Spline ها، Bedi و همكاران روش ديگري را براي درونيابي در راستاي يك منحني ارائه دادند. تقريباً در همين زمان Wang Yang , بر اساس پارامتر سازي طول كمان روش بسيار مناسبي را براي مسأله درونيابي Real-Time در راستاي منحني ارائه دادند.كه اين روش براي بكارگيري در CNC نسبتاً رواج يافت. با بهبود روش پارامتر سازي طول كمان توسط Wang , Wright اين روش براي بكارگيري منحني هاي درجه پنج بسيار كارا گرديد. همچنين اين روش توسط [1]Altintas نيز با بكارگيري پروفيل سرعت متفاوتي استفاده شده اتس. اما تمامي اين روشه كه مبتني بر پارامتر سازي طول كمان مي باشند روشهاي تقريبي هستند.
با بكارگيري منحني هاي خاصي بنام منحني هاي فيثاغورث – هدوگراف[1] (PH) كه زير مجموعه اي از منحني هاي پارامتري چند جمله اي مي باشند مسأله درونيابي Real-Time را مي توان به صورت تحليلي نيز حل نمود. اين منحني ها كه توسط Farouki , Sakkalis معرفي شدند خواص رياضي ويژه اي دارند كه اين خواص قابليت محاسبه طول كمان به صورت يك عبارت پارامتري چند جمله اي را ممكن مي سازند. روشهاي درونيابي مختلفي به صورت Real-Time بر مبناي اني منحني ها توسط Farouki ارائه گرديده است. همچنين با بكارگيري منحني هاي فيثاغورث-هدوگراف مي توان سرعت پيشروي بهينه را براي حركت بر روي يك مسير منحني با توجه به قدرت ماشين نيز بدست آورد.
همچنين تركيب متفاوتي از انواع پروفيل هاي سرعت براي ماشينكاري يك مسير منحني بررسي شده و بهترين پروفيل سرعت جهت بكارگيري در ماشينكاري با سرعتهاي بالا پيشنهاد مي گردد. در بخشهاي بعدي مسأله يافتن سرعت پيشروي بهينه بر روي يك منحني فيثاغورث-هدوگراف با توجه به توانايي و قدرت ماشين مورد استفاده بيان شده و پروفيلهاي سرعت متفاوتي براي حل اين مسأله بكار گرفته مي شوند.
ضمن اينكه با وارد كردن نيروهاي برشي در قيود موجود و بكارگيري پروفيلهاي سرعت مناسب تر، فرمول بندي جديدي براي مسأله صورت مي گيرد و جوابهاي واقعي تري براي حل اين مسأله ارائه مي گردد. در پايان الگوريتمهاي شبيه سازي شده براي درونيابي در راستاي خط، دايره و منحني با بكارگيري تكنيكهاي خاصي عملاً بر روي دستگاه CNC موجود پياده مي گردند.
فصل دوم: مباني ماشينكاري
1-2- مقدمه
سيستم هاي توليد پيشرفته و رباتهاي صنعتي سيستم هاي اتوماتيك پيشرفته اي هستند كه از كامپيوترها به عنوان واحد كنترل استفاده مي كنند. كامپيوترها امروزه اصلي ترين قسمت اتوماسيون مي باشند كه سيستم هاي مختلف توليد مانند ماشينهاي ابزار پيشرفته، ماشين هاي جوشكاري دستگاههاي برش ليزري و غيره را كنترل مي كنند.
پس از اينكه مكانيزم توليد اتوماتيك و توليد انبوه در اواخر قرن 18 توسعه يافت اولين ماشينهاي ابزار اتوماتيك مانند ماشينهاي كپي تراش بوجود آمدند [1]. نخستين ماشين ابزار كنترل عددي بوسيله شركت پارسونز و MIT در سال 1952 ساخته شد. اولين نسل ماشين هاي كنترل عددي از مدارهاي الكترونيكي ديجيتال استفاده مي كردند و در حقيقت در آنها هيچ واحد پردازش مركزي وجود نداشت. در دهه 1970 با بكارگيري ميني كامپيوترها به عنوان واحد كنترل ماشين هاي ابزار با كنترل عددي به كمك كامپيوتر (CNC) گسترش يافتند.
اين ماشينها تواناي ماشينكاري انواع شكلهاي پيچيده در صنعت قالب سازي و هوافضا را به خوبي دارا بودند. از اواسط دهه 80 با توسعه صنعت ساخت ابزارهايي با سختي بالا ماشينكاري با سرعتهاي بالا (HSM[2]) به منظور افزايش نرخ توليد رواج يافت. بكارگيري اين قابليت در CNC نياز به داشتن اطلاعات ويژه اي درباره نرخ براده برداري بهينه ، پيش بيني وقوع ارتعاشات خود برانگيخته، طراحي سازه اي و نحوه كنترل محورها را بيش از پيش ضروري ساخت. امروزه علاوه بر اين موارد انتخاب صحيح نرخ پيشروي و شتاب گيري محورها در ماشينكاري با سرعت بالا حايز اهميت مي باشد بطوري كه سعي مي شود به نحوي مقادير بهينه آنها در ماشينكاري بكار گرفته شود.
هم اكنون با پيشرفت در صنعت الكترونيك و كامپيوتر ماشينهاي CNC با بكارگيري چندين ميكروپرسسور و كنترل كننده منطقي بطور موازي قابليتهاي بسياري را دارا مي باشند بطوري كه اين ماشينها قابليت كنترل موقعيت و سرعت چندين محور و قابليت برنامه ريزي بصورت Real-Time و نمايش گرافيكي مراحل مختلف كار و پروسه برش و نمايش تغيير اندازه قطعه در حل ماشينكاري را دارا مي باشند.
در اين فصل ضمن بيان مباني كنترل عددي و معرفي اجزاي CNC و ساختار برنامه اي آن به طبقه بندي سيستم هاي NC و معرفي HSM نيز پرداخته مي شود.
2-2- مباني كنترل عددي NC:
كنترل يك ماشين ابزار بوسيله يك برنامه تهيه شده را كنترل عددي (NC) مي نامند. يك سيستم كنترل عددي توسط (Electronic Industrial Association) EIA بصورت زير تعريف مي گردد:
سيستم كنترل عددي سيستمي است كه حركات در آن بوسيله وارد كردن اطلاعات بصورت عددي در هر نقطه صورت مي گيرد و اين سيستم مي بايد اين اطلاعات را به عنوان فرمان به صورت اتوماتيك اجرا كند.
در يك سيستم NC اطلاعات عددي مورد نياز براي توليد يك قطعه بصورت برنامه قطعه به ماشين داده مي شود كه اين برنامه در گذشته بوسيله نوار پانچ به ماشين وارد مي شد. برنامه يك قطعه به صورت بلوكهايي از اطلاعات مرتب مي شود كه هر بلوك حاوي اطلاعات عددي مربوط به توليد يك قسمت از قطعه كار مانند: طول قطعه، سرعت برش، نرخ پيشروي و ... مي باشد. اطلاعات ابعادي (طول، عرض، شعاع دواير) و نوع درونيابي (خطي، دايره اي، در راستاي منحني) با توجه به طراحي قطعه مشخص مي گردند. همچنين سرعت برش، نرخ پيشروي و توابع كمكي مانند خاموش و روشن كردن مايع خنك كننده جهت چرخش اسپيندل و ... با توجه به پرداخت نهايي سطح و تلرانسهاي مورد نياز در برنامه قطعه كار وارد مي گردند.
در مقايسه با ماشينهاي ابزار سنتي، سيستم NC جايگزين عملياتي مي شود كه اپراتور بصورت دستي انجام مي دهد. در ماشينكاري سنتي يك قطعه با حركت ابزار در طول قطعه كار بوسيله چرخاندن دستگيره متصل به پيچهاي راهنما توسط اپراتور توليد مي شود. بنابراين نياز به اپراتوري با تجربه و زبردست مي باشد كه بتواند قطعه مورد نظر را ماشينكاري كند. اما در ماشين هاي NC نيازي به اپراتور با مهارت نيست در حقيقت اپراتور فقط مي بايد مراقب درست انجام شدن روند ماشينكاري با توجه به دستورات منتقل شده به ماشين باشد.
كليه ابعادي كه در برنامه وارد مي گردند بر اساس واحد طول-مبني (Basic Length Unit) BLU مقياس بندي شده و به محورها ارسال مي گردند. واحد طول – مبني (BLU) به عنوان اندازه نمو نيز شناخته مي شود كه در عمل مربوط به دقت سيستم NC مي شود و در حقيقت كوچكترين اندازه نموي مي باشد كه هر يك از محورهاي مي توانند حركت كنند. در سيستم NC براي صدور فرمان حركت هريك از محورها ابتدا طول حقيقي بر واحد-طول مبني تقسيم مي گردد. بعنوان مثال در يك سيستم NC كه در آن BLU=0.0001 است براي حركت 0.7 mm محور x در جهت مثبت دستور حركت x+700 صادر مي شود.
در ماشينهاي NC هريك از محورهاي حركت مجهز به يك وسيله محرك جداگانه مي باشند. اين وسيله محرك مي تواند يك dc موتور، يك عمل كننده هيدروليكي و يا يك موتور پله اي باشد كه بر اساس قدرت مورد نياز دستگاه انتخاب مي شوند.
1-2-2- اج
[1] Pythagorean-Hodograph
[2] High Speed Machining
ماشين ابزارهايي كه به كمك كامپيوتر هدايت مي شدند CNC نام گرفتند. به كمك CNC به تدريج دقت مورد نياز براي توليد قطعات پيچيده در صنايع مختلف مانند هوافضا و قالب سازي حاصل شد. با دست يابي به تلرانسهاي بسيار دقيق براي توليد يك قطعه تدريجا انديشه بالاتر بردن سرعت توليد نيز قوت يافت. با ساخت ابزارهايي با سختي زياد، شرايط براي بالا بردن نرخ توليد نيز بهبود يافت «2». تا اينكه امروزه با بكارگيري تكنيكهاي ماشينكاري با سرعتهاي بالا قطعاتي با تلرانسهاي دقيق در زمان بسيار كوتاهي توليد مي گردند. براي دست يابي به قابليت ماشين كاري با سرعتهاي بالا مي بايد در زمينه هاي مختلف مانند طراحي سازه اي، كنترل ارتعاشات خود برانگيخته، يافتن بهترين نرخ براده برداري و كنترل حركت و سرعت در راستاي مسير مورد نظر به پيشرفتهايي دست يافت.
فصل اول :
Cnc :
كنترل حركت در راستاي يك مسير در ماشينهاي CNC در واحد درونياب صورت مي گيرد. اكثر درونيابهاي CNC فقط قابليت درونيابي در راستاي خط و دايره را دارا مي باشند. به دليل اينكه براي ماشينكاري يك مسير منحني شكل در حالت عمومي با بكارگيري اين نوع درونيابها نياز به شكسته شدن منحني به قطعاتي از خط و دايره مي باشد، لذا اين دو نوع درونيابي به تنهايي پاسخگوي همه كاربردها از جمله ماشينكاري در سرعتهاي بالا، نيستند. بنابراين بكارگيري نوع ديگري از درونيابها يعني درونيابي در راستاي يك منحني ضروري به نظر مي رسد. محققين مختلفي در اين زمينه به تحقيق پرداخته اند و الگوريتمهاي مختلفي را بر مبناي بكارگيري منحني هاي پارامتري چند جمله اي در حالت عمومي ارائه داده اند.
Korn در ابتدا با توسعه درونيابي دايره اي، روشهايي را براي درونيابي منحني ها درجه دو ارائه داد Korn , Yang , Kong, Huang , Yang با بكارگيري منحني هاي پارامتري چند جمله اي روشهايي را براي درونيابي يك منحني ارائه دادند اما اين روشها قاعدتاً براي درونيابي يك منحني درجه سه به كار مي رود و در بكارگيري منحني هاي درجه بالاتر كارآيي لازم را ندارند. به تدريج با بكارگيري مفاهيم B-Spline ها، Bedi و همكاران روش ديگري را براي درونيابي در راستاي يك منحني ارائه دادند. تقريباً در همين زمان Wang Yang , بر اساس پارامتر سازي طول كمان روش بسيار مناسبي را براي مسأله درونيابي Real-Time در راستاي منحني ارائه دادند.كه اين روش براي بكارگيري در CNC نسبتاً رواج يافت. با بهبود روش پارامتر سازي طول كمان توسط Wang , Wright اين روش براي بكارگيري منحني هاي درجه پنج بسيار كارا گرديد. همچنين اين روش توسط [1]Altintas نيز با بكارگيري پروفيل سرعت متفاوتي استفاده شده اتس. اما تمامي اين روشه كه مبتني بر پارامتر سازي طول كمان مي باشند روشهاي تقريبي هستند.
با بكارگيري منحني هاي خاصي بنام منحني هاي فيثاغورث – هدوگراف[1] (PH) كه زير مجموعه اي از منحني هاي پارامتري چند جمله اي مي باشند مسأله درونيابي Real-Time را مي توان به صورت تحليلي نيز حل نمود. اين منحني ها كه توسط Farouki , Sakkalis معرفي شدند خواص رياضي ويژه اي دارند كه اين خواص قابليت محاسبه طول كمان به صورت يك عبارت پارامتري چند جمله اي را ممكن مي سازند. روشهاي درونيابي مختلفي به صورت Real-Time بر مبناي اني منحني ها توسط Farouki ارائه گرديده است. همچنين با بكارگيري منحني هاي فيثاغورث-هدوگراف مي توان سرعت پيشروي بهينه را براي حركت بر روي يك مسير منحني با توجه به قدرت ماشين نيز بدست آورد.
همچنين تركيب متفاوتي از انواع پروفيل هاي سرعت براي ماشينكاري يك مسير منحني بررسي شده و بهترين پروفيل سرعت جهت بكارگيري در ماشينكاري با سرعتهاي بالا پيشنهاد مي گردد. در بخشهاي بعدي مسأله يافتن سرعت پيشروي بهينه بر روي يك منحني فيثاغورث-هدوگراف با توجه به توانايي و قدرت ماشين مورد استفاده بيان شده و پروفيلهاي سرعت متفاوتي براي حل اين مسأله بكار گرفته مي شوند.
ضمن اينكه با وارد كردن نيروهاي برشي در قيود موجود و بكارگيري پروفيلهاي سرعت مناسب تر، فرمول بندي جديدي براي مسأله صورت مي گيرد و جوابهاي واقعي تري براي حل اين مسأله ارائه مي گردد. در پايان الگوريتمهاي شبيه سازي شده براي درونيابي در راستاي خط، دايره و منحني با بكارگيري تكنيكهاي خاصي عملاً بر روي دستگاه CNC موجود پياده مي گردند.
فصل دوم: مباني ماشينكاري
1-2- مقدمه
سيستم هاي توليد پيشرفته و رباتهاي صنعتي سيستم هاي اتوماتيك پيشرفته اي هستند كه از كامپيوترها به عنوان واحد كنترل استفاده مي كنند. كامپيوترها امروزه اصلي ترين قسمت اتوماسيون مي باشند كه سيستم هاي مختلف توليد مانند ماشينهاي ابزار پيشرفته، ماشين هاي جوشكاري دستگاههاي برش ليزري و غيره را كنترل مي كنند.
پس از اينكه مكانيزم توليد اتوماتيك و توليد انبوه در اواخر قرن 18 توسعه يافت اولين ماشينهاي ابزار اتوماتيك مانند ماشينهاي كپي تراش بوجود آمدند [1]. نخستين ماشين ابزار كنترل عددي بوسيله شركت پارسونز و MIT در سال 1952 ساخته شد. اولين نسل ماشين هاي كنترل عددي از مدارهاي الكترونيكي ديجيتال استفاده مي كردند و در حقيقت در آنها هيچ واحد پردازش مركزي وجود نداشت. در دهه 1970 با بكارگيري ميني كامپيوترها به عنوان واحد كنترل ماشين هاي ابزار با كنترل عددي به كمك كامپيوتر (CNC) گسترش يافتند.
اين ماشينها تواناي ماشينكاري انواع شكلهاي پيچيده در صنعت قالب سازي و هوافضا را به خوبي دارا بودند. از اواسط دهه 80 با توسعه صنعت ساخت ابزارهايي با سختي بالا ماشينكاري با سرعتهاي بالا (HSM[2]) به منظور افزايش نرخ توليد رواج يافت. بكارگيري اين قابليت در CNC نياز به داشتن اطلاعات ويژه اي درباره نرخ براده برداري بهينه ، پيش بيني وقوع ارتعاشات خود برانگيخته، طراحي سازه اي و نحوه كنترل محورها را بيش از پيش ضروري ساخت. امروزه علاوه بر اين موارد انتخاب صحيح نرخ پيشروي و شتاب گيري محورها در ماشينكاري با سرعت بالا حايز اهميت مي باشد بطوري كه سعي مي شود به نحوي مقادير بهينه آنها در ماشينكاري بكار گرفته شود.
هم اكنون با پيشرفت در صنعت الكترونيك و كامپيوتر ماشينهاي CNC با بكارگيري چندين ميكروپرسسور و كنترل كننده منطقي بطور موازي قابليتهاي بسياري را دارا مي باشند بطوري كه اين ماشينها قابليت كنترل موقعيت و سرعت چندين محور و قابليت برنامه ريزي بصورت Real-Time و نمايش گرافيكي مراحل مختلف كار و پروسه برش و نمايش تغيير اندازه قطعه در حل ماشينكاري را دارا مي باشند.
در اين فصل ضمن بيان مباني كنترل عددي و معرفي اجزاي CNC و ساختار برنامه اي آن به طبقه بندي سيستم هاي NC و معرفي HSM نيز پرداخته مي شود.
2-2- مباني كنترل عددي NC:
كنترل يك ماشين ابزار بوسيله يك برنامه تهيه شده را كنترل عددي (NC) مي نامند. يك سيستم كنترل عددي توسط (Electronic Industrial Association) EIA بصورت زير تعريف مي گردد:
سيستم كنترل عددي سيستمي است كه حركات در آن بوسيله وارد كردن اطلاعات بصورت عددي در هر نقطه صورت مي گيرد و اين سيستم مي بايد اين اطلاعات را به عنوان فرمان به صورت اتوماتيك اجرا كند.
در يك سيستم NC اطلاعات عددي مورد نياز براي توليد يك قطعه بصورت برنامه قطعه به ماشين داده مي شود كه اين برنامه در گذشته بوسيله نوار پانچ به ماشين وارد مي شد. برنامه يك قطعه به صورت بلوكهايي از اطلاعات مرتب مي شود كه هر بلوك حاوي اطلاعات عددي مربوط به توليد يك قسمت از قطعه كار مانند: طول قطعه، سرعت برش، نرخ پيشروي و ... مي باشد. اطلاعات ابعادي (طول، عرض، شعاع دواير) و نوع درونيابي (خطي، دايره اي، در راستاي منحني) با توجه به طراحي قطعه مشخص مي گردند. همچنين سرعت برش، نرخ پيشروي و توابع كمكي مانند خاموش و روشن كردن مايع خنك كننده جهت چرخش اسپيندل و ... با توجه به پرداخت نهايي سطح و تلرانسهاي مورد نياز در برنامه قطعه كار وارد مي گردند.
در مقايسه با ماشينهاي ابزار سنتي، سيستم NC جايگزين عملياتي مي شود كه اپراتور بصورت دستي انجام مي دهد. در ماشينكاري سنتي يك قطعه با حركت ابزار در طول قطعه كار بوسيله چرخاندن دستگيره متصل به پيچهاي راهنما توسط اپراتور توليد مي شود. بنابراين نياز به اپراتوري با تجربه و زبردست مي باشد كه بتواند قطعه مورد نظر را ماشينكاري كند. اما در ماشين هاي NC نيازي به اپراتور با مهارت نيست در حقيقت اپراتور فقط مي بايد مراقب درست انجام شدن روند ماشينكاري با توجه به دستورات منتقل شده به ماشين باشد.
كليه ابعادي كه در برنامه وارد مي گردند بر اساس واحد طول-مبني (Basic Length Unit) BLU مقياس بندي شده و به محورها ارسال مي گردند. واحد طول – مبني (BLU) به عنوان اندازه نمو نيز شناخته مي شود كه در عمل مربوط به دقت سيستم NC مي شود و در حقيقت كوچكترين اندازه نموي مي باشد كه هر يك از محورهاي مي توانند حركت كنند. در سيستم NC براي صدور فرمان حركت هريك از محورها ابتدا طول حقيقي بر واحد-طول مبني تقسيم مي گردد. بعنوان مثال در يك سيستم NC كه در آن BLU=0.0001 است براي حركت 0.7 mm محور x در جهت مثبت دستور حركت x+700 صادر مي شود.
در ماشينهاي NC هريك از محورهاي حركت مجهز به يك وسيله محرك جداگانه مي باشند. اين وسيله محرك مي تواند يك dc موتور، يك عمل كننده هيدروليكي و يا يك موتور پله اي باشد كه بر اساس قدرت مورد نياز دستگاه انتخاب مي شوند.
1-2-2- اج
[1] Pythagorean-Hodograph
[2] High Speed Machining
