CNC stroj je računalniško podprt stroj za strojno izvajanje mehanskih del. CNC okrajšava prihaja iz angleškega izraza Computer Numerical Control. Izraz že sam po sebi nakazuje osnovni princip delovanja teh strojev. Gre torej za računalnik z numeričo podprtimi metodami. Za te poskrbi temu namenjeno programsko orodje, ki te stroje in njihove ključne komponente krmili in nadzira. Za premike orodja poskrbijo servo oziroma koračni motorji. Angleško so poimenovani servo and stepper motors. Osnovna elektronska enota CNC naprave se imenujejo CNC Controler in ga lahko razumemo kot nekakšna vmesna enota med računalnikom in servo oziroma koračnimi motorji, ki poskrbijo za pomike po vseh definiranih oseh CNC stroja.

Primer CNC stroja

Kakšen je princip delovanja CNC stroja?

Princip delovanja za CNC stroj je natančno obdelovanje materiala, ki je vpet z vpenjalni sistemom, ki zagotavlja, da je material oziroma objekt obdelave v fiksnem položaju. Obdelovanec se namesti na določeno mesto in tam ostane do konca obdelovanja. Najpogosteje zadostuje, da CNC stoj položaj orodja spreminja po treh osnovnih oseh, v smeri X, Y in Z. Seveda danes na tržišču obstajajo zelo napredni CNC stroji, ki omogočajo pomik orodja po več oseh, te omogočajo pomik celo do neverjetnih osem osi, najbolj napredni stroji pa omogočajo tudi pomik po več kot osmih smereh, ki jih mora podpirati CNC Controller. Za razliko od robotov, ki so prav tako računalniško krmiljeni stroji in se uporabljajo predvsem v proizvodnih linijah, imajo CNC stroji običajno obdelovanec pritrjen v komori in ga operater ročno namesti in odstrani iz obdelovalnega območja.

Kaj so glavni sestavni deli za CNC stroj?

Kot smo že omenili je računalniški program osnova za programiranje CNC stroja. Za izdelovanje načrta za obdelavo materiala se uporabljajo CAD-CAM programska orodja. Te risbe z načrtom, pretvorijo v G-kodo, ki jo razume CNC stroj.  V G-kodi se podajajo položaji osi, po katerih se premika glava stroja. Vsaka vrstica nam torej pove nov položaj osi stroja. Z M-kodo pa se določajo različne funkcije, ki se lahko nanašajo na start, stop, hitrost  pomika, menjavo orodja, odpiranje vrat komore in tako naprej. Eden od teh programskih orodij za CNC krmiljenje je Mach3 oziroma še bolje sodobnejša različica Mach4.

 

Primer G-kode

Ne gre zanemariti da je naslednja zelo pomembna komponenta mehanska konstrukcija stroja. Ta je za veliko natančnost in robustnost pri neskončnih ponovitvah pomikov osi izjemno pomembna. Predvsem je za natančnost in ponovljivost pomembna togost mehanske konstrukcije stroja. Zaradi velikih obremenitev so CNC stroji večinoma masivni in težki. Mehanske komponente za dolgo življenjsko dobo potrebujejo redno in skrbno vzdrževanje, v naprej določenih časovnih intervalih, prilagojenih na opravljene delovne ure stroja. Vzdrževanje pa mora biti pri proizvodnji tudi časovno skrbno načrtovano.

Motorji in gonilniki

Za pomike osi se najpogosteje uporabljajo koračni motorji. Princip delovanja takšnega motorja nam dopušča, da lahko dosegamo zelo majhne kote pomika osi z velikim navorom. Pomiki klasičnih NEMA motorjev so 1.8° na korak. Koračni motorji za krmiljenje potrebujejo posebno elektroniko, ki poskrbi za ustrezne signale. To so tako imenovani gonilniki koračnih motorjev (angleško stepper drivers ). Gonilniki koračnih motorjev lahko z ustreznim vzbujanje navitij motorja osnovni korak zmanjšajo za faktor microstepinga. To zmanjšanje je lahko doseženo tudi do 256-krat. S tem lahko dosežemo neverjetno majhen kot 0.07°, ki nam omogoča in zagotovo fascinantno preciznost in natančnost pri obračamo motorja.

Gonilnik koračnega motorja

Vretenske motorje ali kot jim pogosteje rečemo in so v stroki bolj prepoznani kot »spindel » motorji,  uporabljamo za pogon glave orodja oziroma obdelovanca v primeru, ko gre za stružnico. Ti zaradi svojega namena dosegajo visoke vrednosti obratov na minuto, ki jih CNC stroji prav tako nadzoruje z nastavljanjem frekvenčnega pretvornika. Frekvenčni pretvornikom spreminjamo napetost motorja, tako da z njimi dosežemo optimalno število obratov glede na izbrano orodje in material, ki ga obdelujemo.

CNC kontroler

CNC kontroler je elektronska enota, katerega osnovna naloga je, da deluje kot posrednik med motorji in ostalo strojno opremo ter programsko opremo na računalniku. Naloga krmilnika je, da ukaze iz računalnika pretvori v primerne signale za gonilnike motorjev, stikala in posreduje stanja in vrednosti periferije nazaj programu na računalniku.  Med to periferijo sodijo razna končna stikal, stanja enkoderjev in tako naprej.

 

Osnovni tipi CNC strojev

CNC stroje najpogosteje najdemo v kovinski in lesni industriji v zadnjem času pa so vse bolj uporabljeni kot 3D tiskalniki pri izdelavi prototipov, ki postajajo vse bolj uporabljeni v vse več panogah industrije. Njihov razvoj je v porastu, prav tako vedno bolj vsestranska uporabnost tako za večje uporabnike kot tudi privatno uporabo. Uporaba le teh prihrani čas razvoja določenega produkta s tem pa se tudi občutno zmanjšajo stroški razvoja.

Rezkalniki

Rezkanje je  najpogostejše pri obdelavi kovinskih materialov, ki je mnogo bolj kompleksnejše od ostalih obdelovanj za CNC stroj. Posledično pri tej kategoriji največkrat naletimo na večje število osi. Osnovni princip rezkalnikov je v natančnem odvzemanju materiala iz obdelovanca.

Rezkalnik

Stružnice

Za stružnico je specifično, da se obdelovanec vpne v glavno os in se med obdelovanjem vrti. Postopek je v glavnem namenjen za izdelavo valjastih teles različnih materialov. Z ustrezno izbranim namenskim orodjem se lahko obdeluje tako različne vrste kovin, kot lesa in najrazličnejših umetnih mas.

Laserski in plazemski rezalniki

Za razliko od rezkalnikov so tu aktualne zgolj tri osi. Za orodje pa je izbran laser oziroma plazemski oblok. Laser ponuja boljšo natančnost reza in širši nabor materialov, ki so primerni za takšen razrez. Poleg kovine lahko režemo tudi les, steklo, gumo in najrazličnejše materiale iz umetnih mas. Plazemski rezalniki so omejeni na razrez kovine in so tudi manj natančni in posledično cenovno ugodnejši. Tipični primer uporabe plazemskega rezalnika je razrez pločevine. Poleg ustrezne nastavitve delovne napetosti in električnega toka je aktualen tudi tako imenovan THC sistem. THC je kratica za Torch Hight Control ali po slovensko nadzor višine gorilnika. Ta predvsem pride v poštev pri ne ravni obdelovalni površini. Nadzor se namreč vrši preko meritve napetosti plazemskega obloka, ki je odvisen od razdalje gorilnika od obdelovanca.  Sistem s pomočjo povratne informacije o napetosti prilagaja višino gorilnika.

THC nastavitve  v Mach4

3D tiskalniki

Tudi tu običajno zadostuje pomik treh osi, kot orodje pa se največkrat uporablja extruder,  ki v tankih slojih nanaša material. Extruder v primeru plastičnega materiala le tega s toploto stopi in tako omogoča nanos materiala, ki se po ohlajanju ponovno strdi. Z razvojem 3D tiskalnikov se je tudi povečalo število materialov namenjenih posebej 3D tiskanju. Na trgu obstaja več različnih tipov material iz plastike, kovine, keramike in drugih vrst. Oblika materiala je običajno podobna vrvem in se prodaja v kolutih. Preseki materialov so standardizirani in so 1.75 mm in 3mm. Materialu se v strokovnih vodah reče filament. Sodobne tehnike 3D tiskanja uporabljajo svetlobno polimerizacijo pri čemer se tekoč material pod vplivom UV svetlobe strdi.