En computer numerisk kontrolmaskine (CNC) er et bearbejdningsværktøj, der danner lagermateriale til en ønsket form, der opfylder fremstillingsdirektiver og komponentkrav. CNC-maskiner bruger forprogrammeret software til at styre bevægelserne af komplekse maskiner, herunder slibemaskiner, drejebænke, møller og andre skæreværktøjer, der bruges til at fjerne materiale.
Disse computerstøttede fremstillingsteknikker kan udføre en lang række komplekse og præcise CNC-bearbejdningsopgaver for at skabe fremstillede produkter og specifikt designede dele til bil-, forsvars- og rumfartsindustrien.
Selvom 3D-print og andre additive fremstillingsprocesser er i centrum i det 21. århundredes produktion af komponenter fremstillet af bløde materialer, er de fleste hverdagsgenstande stadig resultatet af stærkt automatiserede subtraktive bearbejdningsteknikker.
Plastvandflasker er fremstillet af forme ved hjælp af CNC-dysesynkningsteknikken, og individuelle drivsystemkomponenter i enhver bil på vejen fræses til nøjagtige dimensioner for at tillade alle bevægelige gear at passe sømløst sammen for optimal mekanisk ydeevne.
"Chancerne er, at næsten alt, hvad du rører ved i dit daglige liv, på et tidspunkt blev berørt af en værktøjsmaskine," siger University of Tennessee Knoxville ingeniørprofessor Tony Schmitz. "Hvis du nogensinde har rejst i et fly - for eksempel en Boeing 747 - blev over en million separate komponenter bearbejdet og derefter samlet for at få det fly op fra jorden."
CNC-værktøjsmaskiner er lige så alsidige og dynamiske som de mange ting, de skaber. De fleste CNC-maskiner fungerer dog inden for to rammer:Et åbent eller lukket kredsløb.
I open-loop CNC-systemer vil operatøren udvikle computerens numeriske styring til den aktuelle opgave og generere g-koden eller arbejdsfilen ved hjælp af computerstøttet design (CAD) software. Computeren videresender derefter de korrekte trin til controlleren og dens tilsluttede servomotorer.
Disse motorer manipulerer skæreværktøjer, såsom drejebænke eller slibemaskiner, langs mindst to akser (X og Y), selvom avancerede CNC-maskiner kan øge alsidighed og nøjagtighed ved at flytte CNC-fræsere og andet tilbehør rundt om flere yderligere akser.
CNC-systemer med lukket sløjfe giver feedbackdata til monitoren for at løse uoverensstemmelser, mens CNC-maskiner bevæger sig rundt i materialet. Denne motor-monitor-kommunikation gør det muligt for lukkede systemer at ændre hastigheden, positionen og fremføringshastigheden af drejemaskiner og andre CNC-værktøjsmaskiner i realtid.
Her er et par af de mest almindelige industrielle anvendelser til CNC-maskiner:
CNC-maskiner er fremragende værktøjer til projekter, der kræver en præcis og effektiv skærehastighed, og de kan rumme to af de mest avancerede skæreteknikker:sinker EDM (elektrisk udladningsmaskine) og wire EDM.
En sinker EDM bruger en termisk erosion fra interaktion mellem to elektroder - en fastgjort til værktøjet i form af kobber eller grafit. Den anden er den dielektriske væske, som materialet er badet i. Forbløffende nok kommer værktøjet og emnet aldrig i direkte kontakt under produktionen. Wire EDM fungerer på samme måde, bortset fra at den bruger trådelektroder som nøjagtige skæreværktøjer.
Denne præcise hulningsproces bruger et roterende skæreværktøj, typisk bor eller højhastighedsvandstråler, til at producere runde huller i et stationært emne. Disse huller rummer ofte monteringsskruer og bolte.
CNC-maskiner er ofte udstyret med slibeskiver, der producerer næsten fejlfri overfladefinish. Denne subtraktive slibeteknik overgår i høj grad nøjagtigheden af enhver additiv fremstillingsproces og kan reducere ufuldkommenheder til tolerancer så små som 1/10 af bredden af et menneskehår.
En CNC-fræser, der ligner almindelige møller og andre håndfræsemaskiner, bruger drejebænke, vandstråler eller drejeværktøjer til at fjerne materiale fra et stationært lagerstykke. CNC-fræsere kan bevæge sig langs flere akser, hvilket gør det muligt for operatører at udføre vandrette, lodrette, vinklede og planfræseopgaver med absolut præcision. Disse multi-vinklede muligheder øger effektiviteten i fremstillingsprocessen af indviklede træ-, metal- og plastdele, da maskinmesteren kan justere og gensikre lagermaterialet færre gange.
Denne CNC-maskineproces fungerer på samme måde som fræsning; men i stedet for at fastgøre papiret til en arbejdsstation, er det fastgjort til en drejemekanisme, der roterer ved høje hastigheder. En arbejder, der bruger en drejebænk eller en CNC med en lignende vedhæftning, vil derefter fjerne små mængder materiale, indtil de danner papiret til den ønskede form.
Computer-aided manufacturing (CAM) software er en væsentlig komponent i CNC-bearbejdningsprocessen. Det er formidleren og fortolkeren af enhver computerstøttet bearbejdningsoperation, fordi den styrer både menneskelige og automatiserede input og output fra hvert trin i produktionen.
For eksempel skaber designere 3D-modeller af deres projekt i computerstøttet design (CAD) software og uploader filen i CAM. CAM vil derefter fortolke modellen og fungere som en m-kode- eller g-kode-generator, der oversætter projektets mål til CNC-programmeringssproget. Da CNC-maskinen arbejder på projektet, sender den data tilbage til CAM og informerer operatøren om eventuelle variabler, der kan påvirke produktets resultat.
CNC-bearbejdning er forankret i teknologiske fremskridt under den industrielle revolution i midten af det 19. århundrede, hvor produktionsvirksomheder begyndte at bruge knastbaserede drejebænke og fræseværktøj i masseproduktionen af skydevåben, fabriksudstyr og hverdagsting. I 1940'erne og 50'erne begyndte rudimentær numerisk kontrolbearbejdning i form af m-kode hulkort at automatisere adskillige produktionsopgaver, der oprindeligt blev manuelt styret af et team af arbejdere.
Efterhånden som digitale computere og computersoftware blev forbedret i 1970'erne og 80'erne, kunne flere produktionsværktøjer automatiseres for at forbedre produktionshastigheden og den samlede effektivitet.
Nu i det 21. århundrede giver CAM- og CAD-software og banebrydende CNC-maskiner små produktionshold en omkostningseffektiv strategi til fremstilling af store mængder af komplekse dele. Efterhånden som maskinlæring og kunstig intelligens fortsætter med at udvikle sig, vil fremstillingsindustrien sandsynligvis fortsætte med at optimere og automatisere processer.
Det kan være nemt at dagdrømme om en verden, hvor robotter gør alt arbejdet, når vi går ind i de første stadier af den kunstige intelligens-revolution, men både bearbejdningsprofessionelle og ingeniørakademikere forstår, at CNC-bearbejdningsprocessen kræver dygtige arbejdere for at sikre, at alt fungerer som det burde.
"Det [bearbejdning af computernumerisk kontrol] er en hjørnestensfunktion, som ikke forsvinder lige foreløbigt," siger Schmitz. I stedet hævder Schmitz, at additiv og subtraktiv fremstilling faktisk komplementerer hinanden til det punkt, hvor "hybridfremstilling" vil blive den fremtidige CNC-bearbejdningsproces.
Schmitz siger også, at denne hybridfremstilling vil "begynde med en additiv del, der er præformen eller stirrende tilstand, og derefter vil vi bruge begrænset bearbejdning til at producere en glat overfladefinish, som du ikke kan opnå med additiv."
En af de mest udfordrende forhindringer, der står over for fremtiden for CNC-bearbejdning, er den nuværende mangel på arbejdskraft på kvalificerede maskinmestre, der er fortrolige med CNC-programmering. Denne mangel vil kun forværres, efterhånden som erfarne CNC-fagfolk går på pension, og få går ind i branchen for at tage deres plads.
I USA har forsvarsministeriet og forskellige andre føderale agenturer indset behovet for at genoplive et svigtende nationalt produktionsprogram og implementere banebrydende fremstillingsprocesser, der vil gøre landet konkurrencedygtigt i industrien.
"Mens bearbejdning historisk set er blevet tænkt som et håndværk - hvor nogen har brug for mange års træning og praktisk erfaring, før de kan skabe de dele, de ønsker - tror jeg, vi vil bevæge os væk fra det til et mere automatiseret bearbejdningsmiljø ", siger Schmitz. "Der vil stadig være job, men de vil være drastisk forskellige fra, hvad de var, da CNC-teknologien startede i 1940'erne og 50'erne."
USA var et produktionskraftcenter, der førte verden inden for innovative teknologier efter Anden Verdenskrig. USA begyndte derefter at outsource produktion i 1960'erne og 70'erne, hvilket førte til en stærkere afhængighed af udenlandsk fremstillede varer. Industriens ledere og føderale organisationer er enige om, at landet har hårdt brug for øget selvtillid og en genoplivning af den amerikanske maskinindustri i det 21. århundrede. Efterhånden som arbejdsstyrken svinder ind, med færre mennesker, der kommer ind end at forlade CNC-teknologiområdet, har det aldrig været et bedre tidspunkt at slutte sig til denne høje efterspørgsel profession.
Sidste artikelHvad er verdens højeste bygning?
Næste artikelHvorfor føles liminale rum så foruroligende, men alligevel så velkendte?