فصل اول : مقدمه
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 «۱».

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 «۲». تا اينكه امروزه با بكارگيري تكنيكهاي ماشينكاري با سرعتهاي بالا قطعاتي با تلرانسهاي دقيق در زمان بسيار كوتاهي توليد مي گردند «۳». 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 «۲».

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 «۳». 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 «۴». 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 [1] در ابتدا با توسعه درونيابي دايره اي، روشهايي را براي درونيابي منحني ها درجه دو ارائه داد Korn [4] , Yang , Kong [6] , Huang , Yang [5] 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 [7] و همكاران روش ديگري را براي درونيابي در راستاي يك منحني ارائه دادند. تقريباً در همين زمان Wang [8] Yang [9] , 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 [10] اين روش براي بكارگيري منحني هاي درجه پنج بسيار كارا گرديد. همچنين اين روش توسط Altintas [3] 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 (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 [11] 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 [12,13] 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 «۱۴».

در اين تحقيق در ابتدا به بيان مباني ماشينكاري و نحوه هاي نمايش يك منحني پرداخته مي شود. و سپس با معرفي منحني هاي فيثاغورث-هدوگراف و بيان خواص رياضي انها، مسأله درونيابي هندسي با بكارگيري چنين منحني هايي بحث و حل مي گردد. در ادامه ضمن تشريح عملكرد واحد درونياب، در ابتدا انواع درونيابي خطي و دايره اي با بكارگيري پروفيل سرعت مناسب شبيه س

ازي مي شوند. سپس با بكارگيري منحني هاي فيثاغورث-هدوگراف، درونيابي به صورت Real-Time توسط اين منحني ها (در قالب G05) تشريح و شبيه سازي مي گردد.
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
۱-۲- 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 ۱۸ توسعه يافت اولين ماشينهاي ابزار اتوماتيك مانند ماشينهاي كپي تراش بوجود آمدند [۱]. نخستين ماشين ابزار كنترل عددي بوسيله شركت پارسونز و MIT در سال ۱۹۵۲ 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 [۳].

در دهه ۱۹۷۰ 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 ۸۰ با توسعه صنعت ساخت ابزارهايي با سختي بالا ماشينكاري با سرعتهاي بالا (HSM ) به منظور افزايش نرخ توليد رواج يافت [۲,۱۵]. بكارگيري اين قابليت در CNC نياز به داشتن اطلاعات ويژه اي درباره نرخ براده برداري بهينه [۱۶]، پيش بيني وقوع ارتعاشات خود برانگيخته [۱۷]، طراحي سازه اي [۱۸] و نحوه كنترل محورها [۱۹] 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 [۱۴].
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 [۳].

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.
۲-۲- 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 [۱]:

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 ۰٫۷ 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.
۱-۲-۲- اجزاء CNC :

يك ماشين ابزار CNC از سه قسمت اصلي تشكيل شده است: واحد مكانيكي ماشين ابزار، واحد توليد قدرت (شامل موتورها و تقويت كننده ها) و واحد CNC .
واحد مكانيكي ماشين شامل بستر، ستونها، اسپيندل و سيستم محرك پيشروي مي باشد. همچنين موتورهاي محرك، تقويت كننده ها، منبع تغذيه ولتاژ بالا، سويچ هاي حدي از اجزاي واحد الكترونيكي دستگاه مي باشند. قسمت CNC دستگاه كه بعنوان مركز محاسبه و صدور فرمان حركت محورها مطرح مي گردد شامل حس گرهاي موقعيت و سرعت و واحد كنترل دستگاه MCU مي باشد. شكل (۱-۲) واحد هاي مختلف يك ماشين ابزار CNC را نمايش مي دهد.واحد MCU از دو قسمت اصلي به نامهاي واحد پردازش اطلاعات DPU و واحد حلقه هاي كنترل CLU تشكيل شده است وظيفه DPU رمزگشايي اطلاعات رسيده از برنامه قطعه كار و انتقال آن به CLU مي باشد اين اطلاعات شامل موقعيت ها و سرعت هاي مورد نياز هر يك از محورها و همچنين سيگنالهاي كنترل توابع كمكي مي باشد از طرف ديگر CLU نيز به محض اتمام عمليات لازم براي ماشينكاري يك قسمت، اطلاعات لازم براي ماشينكاري قسمت بعدي را با فرستادن يك سيگنال درخواست مي كند. همچنين CLU موتورهاي هر يك از محورهاي ماشين داراي يك موتور محرك و يك وسيله پس خور مجزا مي باشند در سيستم هاي NC كل واحد MCU بصورت مدارهاي سخت افزاري مي باشند در حاليكه در CNC وظيفه قسمت DPU را نرم افزار انجام مي دهد اما CLU همانند سيستم هاي NC از قطعات سخت افزاري تشكيل شده است.

۲-۲-۲- قرارداد محورها در ماشينهاي ابزار CNC
استاندارد RS-367A مربوط به EIA تا ۱۴ محور حركت را در انواع ماشين هاي مختلف مشخص مي كند. تعداد محورهاي حركت در ماشينهاي ابزار معمولي عموماً تا پنج محور و در ماشينهاي سنگ زني تا چهارده محور نيز مي رسد. ماشينهاي ابزار در دستگاه مختصات كارتزين برنامه ريزي مي شوند. سه محور اصلي حركت با نامهاي z,y,x شناخته مي شوند كه محور z عمود بر y,x بوده و سه محور يك سيستم مختصات دست راست را تشكيل مي دهند حركت مثبت محور z باعث دور شدن ابزار برش از قطعه كار مي گردد. شكل (۲-۲) سيستم مختصات در يك ماشين سوراخكاري، فرزكاري و تراش را نمايش مي دهد. جهت هاي مشخص شده در هر شكل نمايانگر جهت مثبت محورها در هر يك از ماشينها مي باشد. در فرزكاري و سوراخكاري دو محور x,y در صفحه افقي قرار دارند. در ماشين سوراخكاري حركت مثبت محور z باعث بالا رفتن اسپيندل مي شود در حاليكه در فرز اين حركت بر عكس است. در تراش فقط دو محور براي ايجاد حركت و ماشينكاري كافي است و چون اسپيندل بصورت افقي قرار دارد محور z نيز افقي است. همچنين حروف C,B,A نيز براي حركت زاويه اي به ترتيب حول محورهاي X,Y,Z بكار مي روند.

۳-۲-۲- ساختمان يك برنامه NC:
يك برنامه NC مراحل ماشينكاري يك قطعه را نمايش مي دهد. اين برنامه از بلوكهايي حاوي اطلاعات تشكيل شده است كه هر بلوك با حرف N شروع شده و با شماره خط مشخص مي گردد. بعنوان مثال يك بلوك معمولي از يك برنامه NC مي بتواند به شكل زير باشد:
N0040 G91 X25 Y10 Z-12.55 F150 S1100 T06 M03 M07

هر بلوك از چندين كلمه تشكيل شده است و هر كلمه با يك حرف شروع مي شود كه عدد بعد از آن نمايانگر فرمان مشخصي براي ماشين مي باشد. كلماتي كه با حروف M,G شروع مي شوند به ترتيب به عنوان مقدماتي و توابع متفرقه معرفي مي گردند. انواع حروف مورد استفاده در ماشينهاي كنترل عددي را مي توان بصورت خلاصه به شكل زير تشريح نمود:
N ………… شماره خط برنامه
G ………… توابع مقدماتي
X ………… حركت در راستاي محور x
Y ………… حركت در راستاي محور y
Z ………… حركت در راستاي محور z
A ………… حركت زاويه اي حول محور x
B ………… حركت زاويه اي حول محور y
C ………… حركت زاويه اي حول محور z
F ………… نرخ پيشروي
M ………… توابع كمكي
S ………… سرعت اسپيندل
T ………… شماره ابزار
R ………… حركت سريع محور z
انواع كلمات مجاز در NC و توابع مربوط به آنها را مي توان در استاندارد بين المللي ISO1056 يافت [۳].
۳-۲- طبقه بندي سيستم هاي كنترل عددي
سيستم هاي كنترل عددي را مي توان بر اساس چهار گروه زير طبقه بندي كرد:
۱- با توجه به نوع ماشين: ماشينكاري نقطه به نقطه در مقابل ماشينكاري پيوسته.
۲- بر اساس ساختمان كنترلر: سخت افزار يا NC در مقابل CNC .
3- بر اساس روش برنامه سازي: روش نموي در مقابل روش مطلق.
۴- بر اساس نوع حلقه هاي كنترل: حلقه باز در مقابل حلقه بسته.
۱-۳-۲- ماشينكاري نقطه به نقطه در مقابل ماشينكاري پيوسته

ساده ترين مثال از ماشين ابزار NC نقطه به نقطه (PTP) ماشين سوراخكاري است در سوراخكاري، قطعه كار در راستاي محورها به حركت در مي آيد تا محلي كه مي خواهد مركز سوراخ در آنجا واقع شود دقيقاً زير ابزار قرار گيرد. سپس اسپيندل بصورت اتوماتيك به سمت قطعه كار حركت كرده و عمليات سوراخكاري انجام مي شود. پس از اتمام سوراخ مورد نظر ماشين بدون كنترل پيشروي و با حركت سريع به سمت بالا حركت مي كند و قطعه كار به نقطه جديدي كه مي بايد سوراخ شود منقل شده عمليات تكرار مي گردد.
در يك سيستم PTP مسير ابزار برش و نرخ پيشروي آن هنگام عبور از يك نقطه به نقطه بعدي اهميت چنداني ندارد و مسير حركت از نقطه ابتدا تا نقطه انتهايي احتياج به كنترل ندارد (شكل (۳-۲)). بنابراين سيستم فقط احتياج به كنترل موقعيت در نقطه نهايي دارد يعني جايي كه در قطعه بايد سوراخ شود. اين نوع عمليات PTP بوسيله تابع G00 صورت مي گيرد [۱].
در سيستم ماشينكاري يك مسير پيوسته مانند عمليات فرزكاري در حاليكه ابزار عمليات برش را انجام مي دهد محورها نيز قطعه كار را در مسير خاصي حركت مي دهند. همه محورها مي بايد قادر باشند كه بطور همزمان و با سرعتهاي متفاوت حركت كنند تا پروفيل مسير مورد نظر را ايجاد كنند. مخصوصا وقتي يك مسير غير خطي مورد نظر باشد تغيير سرعت هر يك از محورها بسيار مهم است.

در سيستم هاي پيوسته موقعيت ابزار برشي در انتهاي هر قسمت به همراه نسبت بين سرعت هاي محوري، مسير صحيح را در ماشينكاري قطعه مورد نظر معين مي كنند. همچنين پيشروي منتجه بر كيفيت سطح نهايي تأثير مي گذارد. به دليل اينكه در اين سيستم ها خطا در سرعت يك محور باعث ايجاد خطا در مسير ماشينكاري مي گردد (شكل (۴-۲)) سيستم مي بايد داراي حلقه هاي كنترل موقعيت پيوسته نيز باشد. در ماشينهاي CNC هر محور مجهز به يك حلقه كنترل موقعيت جداگانه و يك شمارنده براي دريافت اطلاعات ابعادي قطعه مي باشد كه اين اطلاعات به همراه نرخ پيشروي مورد نظر به واحد پردازش داده ها DPU براي درونيابي مناسب منتقل مي گردند.

روشهاي درونيابي مختلفي به صورت Real-Time در ماشينكاري پيوسته بكار گرفته مي شود كه از جمله مهمترين آنها كه در همه ماشينهاي CNC يافت مي شود درونيابي خطي و درونيابي دايره اي مي باشد كه با دستورات G01 براي حالت خطي و G03 , G02 براي حالت دايره اي در ماشينهاي ابزار بكار گرفته مي شوند.
در درونيابي خطي (G01) سرعت هر محور به نحوي كنترل مي گردد كه ابزار در امتداد يك مسير مستقيم در صفحه حركت قرار گيرد. بعنوان مثال شكل (۵-۲) يك مسير خطي فرزكاري را نمايش مي دهد در اين شكل به منظور اينكه ابزار در راستاي خط مستقيم P2,P1 با سرعت مطلوب حركت نمايد مي بايد فرمان درونيابي G01 در برنامه قطعه كار بكار گرفته شود به عنوان مثال دستور ايجاد چنين مسيري مي تواند به شكل زير باشد:

N0010 G90 G01 X60.00 Y37.0 f300
در درونيابي دايره اي (G02 , G03) سرعت هر يك از محورها در صفحه حركت براي ايجاد يك كمان مي بايد متفاوت باشند. فرمان درونيابي دايره اي در ماشينهاي CNC به دو صورت به كار گرفته مي شود. بعضي سيستم هاي CNC نياز به دانستن مركز كمان و نقطه انتهايي كمان دارند و برخي ديگر احتياج به شعاع دايره و نقطه انتهايي كمان دارند. شكل (۶-۲) يك نمونه مسير فرزكاري بصورت كماني از دايره را نشان مي دهد.

CNC فرض مي كند كه ابزار در نقطه شروع كمان P1 قرار دارد. با توجه به صفحه حركت و نسبت به جهت حركت قبلي ابزار، ماشينكاري يك كمان مي تواند در جهت عقربه هاي ساعت (G02) و يا خلاف جهت عقربه هاي ساعت (G03) صورت گيرد. در شكل (۶-۲) ابزار مي بايد در جهت خلاف عقربه هاي ساعت با يك سرعت پيشروي ثابت حركت كند. هريك از خطوط فرمان زير مي توانند براي ايجاد اين شكل با توجه به نوع واحد درونيابي CNC بكار گرفته شوند.

N010 G90 G03 Xx2 , Yy2 , Rrc , Ff
N010 G90 G03 Xx2 , Yy2 , Iic , Jjc , Ff

كه در دستور اول مختصات نقطه انتهايي و شعاع كمان به ماشين وارد مي شود و در دستور دوم ماشينكاري كمان به كمك مختصات مركز و نقطه انتهايي صورت مي گيرد. در دستور دوم مقادير jc , ic مختصات مركز دايره نسبت به نقطه شروع مي باشند كه بصورت jc=yc-y1 و ic=xc-x1 تعريف مي گردند.
در ماشينهاي CNC جديدامكان درونيابي در راستاي يك منحني نيز فراهم شده است اين نوع درونيابي با دستور G05 در يك ماشين بكار گرفته مي شود [۳]. جزئيات مربوط به اين نوع درونيابي در فصلهاي آينده به تفصيل بحث خواهد شد.

۲-۳-۲- كنترل سخت افزاري (NC) در مقابل كنترل نرم افزاري (CNC)
سيستم هاي NC كه در دهه ۶۰ براي اولين بار بكار گرفته شدند از سخت افزارهاي الكترونيكي بر اساس مدارهاي ديجيتالي استفاده مي كنند. سيستم هاي CNC كه در دهه ۷۰ معرفي شده اند از يك ميني كامپيوتر و با يك ميكرو كامپيوتر براي كنترل ماشين ابزار استفاده مي كنند.
انعطاف پذيري سيستم و امكان تصحيح برنامه مربوط به يك قطعه، همچنين كم كردن تعداد مدارات سخت افزاري از جمله عواملي است كه باعث تمايل استفاده روزافزون از سيستم هاي CNC به جاي سيستم هاي NC مي شود.

كنترلر هاي ديجيتال سخت افزاري در سيستم هاي NC از پالسهاي ولتاژ استفاده مي كنند كه هر پالس باعث حركتي به اندازه ۱BLU در محور مربوطه مي شود. در اين سيستم ها يك پالس معادل ۱BLU مي باشد.
Puls = BLU
اين پالسها باعث بكار انداختن موتورهاي پله اي در سيستم هاي كنترل حلقه باز و يا سرو موتورهاي DC در سيستم هاي كنترل حلقه بسته مي شوند. تعداد پالسهايي كه به هر محور منتقل مي گردند معادل نمو حركت مورد نياز و فركانس آنها نمايانگر سرعت هر محور مي باشد.
در كامپيوتر اطلاعات به شكل كلمات در مبناي دو مرتب و ذخيره مي گردند. هر كلمه از تعداد ثابتي بيت تشكيل مي گردد كه تعداد آنها معمولاً ۸ يا ۱۶ بيت مي باشند. در كامپيوتر CNC هر بيت (يك رقم در مبناي دو) نمايانگر ۱BLU مي باشد.

 

Bit = BLU
بنابراين به عنوان مثال يك كلمه ۱۶ بيتي مي تواند تا ۶۵۵۳۶ = ۲۱۶ حركت متفاوت محوري را نشان دهد (با احتساب صفر). اگر توانايي سيستم براي مثال BLU = 0.01mm باشد اين عدد حركتي به اندازه ۶۵۵٫۳۵ mm را نشان مي دهد.
سيستم هاي CNC در تركيبهاي مختلف مي توانند طراحي شوند ساده ترين آنها كه به عنوان ديدگاه reference-pulse معرفي مي گردد با سيستم هاي سخت افزاري NC برابري نموده و همانند آنها پالسها را به عنوان خروجي منتقل مي كنند. بنابراين در اين سيستم ها مي توان نوشت:
Bit = Pulse = BLU
در شكل ديگر ماشينهاي CNC كلمات در مبناي دو به عنوان خروجي منتقل مي شوند. با وجود اين موقعيت واقعي در اين سيستم ها توسط يك وسيله ديجيتالي كه آن نيز پالسهايي توليد مي كند نمايش داده مي شود. بنابراين در همه سيستم هاي مبتني بر CNC عبارات بيت و پالس و BLU هم ارزند.
۳-۳-۲- سيستم هاي نموي و مطلق
يك سيستم نموي سيستمي است كه در آن نقطه مرجع دستور بعدي، نقطه انتهايي عمليات در حال اجرا مي باشد. در اين سيستم ها هر قسمت از اطلاعات ابعادي به صورت يك اندازه نموي به ماشين منتقل مي گردد.

به عنوان مثال در شكل (۷-۲) مي بايد پنج سوراخ در قطعه ايجاد گردد. فواصل از نقطه صفر تا هر سوراخ در شكل مشخص است. براي سوراخكاري با حركت نموي مي توان مختصات در راستاي محور X را به ترتيب براي نقاط ۱ تا ۵ x+500 , x+200 , x+600 , x-300 , x-700 , x-300 در برنامه قطعه وارد كرد. دقت شود كه وقتي يك سيستم نموي در نظر گرفته مي شود هم روش برنامه نويسي و هم وسايل پس خور مي بايستي بصورت نموي باشند.

يك سيستم مطلق سيستمي است كه در آن همه حركتها بر مبناي يك نقطه مرجع صورت مي گيرد كه اين نقطه به عنوان مبدا بوده و نقطه صفر نام دارد. فرمانهاي حركت به صورت يك فاصله مطلق از نقطه صفر بيان مي شوند. نقطه صفر ممكن است يك نقطه در خارج از قطعه كار يا يك گوشه از آن در نظر گرفته شود. اگر از فيكسچر براي ماشينكاري استفاده مي شود بهتر است كه نقطه اي بر روي آن به عنوان نقطه صفر در نظر گرفته شود. در شكل (۷-۲) براي سوراخكاري با حركت مطلق مي توان مختصات در راستاي محور x را براي نقاط ۱ تا ۵ بصورت: x+500 , x+700 , x+1300 , x+1000 , x+300 , x=0 وارد نمود. نقطه صفر مي تواند يك نقطه ثابت و يا يك نقطه شناور باشد. با استفاده از نقطه صفر شناور كاربر مي تواند هر نقطه را در محدوده ميز دستگاه بعنوان صفر انتخاب كند و اين قابليت به كاربر اجازه مي دهد كه فيكسچر را در هر جايي از ميز كه مناسب است قرار دهد.

سيستم ها مطلق را به دو دسته سيستم هاي مطلق خالص و سيستم هاي با برنامه نويسي مطلق تقسيم مي كنند. درسيستم هاي مطلق خالص هم برنامه نويسي و هم سيگنالهاي پس خور به يك نقطه مرجع اشاره مي كنند اما چون استافده از وسايل پس خور مطلق پرهزينه است مانند (انكدر ديجيتال چند كاناله) از سيستم هايي با برنامه نويسي مطلق استفاده مي شود. در اين سيستم ها وسايل پس خور به صورت نموي عمل مي كنند ولي برنامه نويسي قطعه كار بر مبناي سيستم مطلق است.

مزيت قابل توجهي كه سيستم هاي مطلق نسبت به سيستم هاي نموي دارند در حالتهايي است كه عمليات ماشينكاري در حين كار متوقف مي شود. اين وقفه ممكن است به دلايل مختلفي مانند شكستن ابزار يا چك كردن يك پارامتر اتفاق بيافتد. در چنين مواقعي مي بايد ميز ماشين به صورت دستي حركت داده شود تا مشكل بوجود آمده بر طرف گردد. براي از سرگيري ادامه عمليات ماشينكاري سيستم هاي مطلق قادرند به راحتي و بصورت دقيق به محلي كه در آنجا عمليات متوقف شده بازگشته و ماشينكاري را ادامه دهند. اما در سيستم هاي نموي در چنين شرايطي كاربرمي بايد ميز را به صورت دقيق به محلي كه در آنجا عمليات متوقف شده بازگشته و ماشينكاري را ادامه دهند. اما در سيستم هاي نموي در چنين شرايطي كاربر مي بايد ميز را بصورت دستي دقيقاً به همان محل قبلي بازگرداند كه اين كار غير ممكن است. لذا مجبور است كه برنامه را مجدداً از ابتدا اجرا كند و اين كار زمان زيادي را در توليد تلف مي كند.

در عوض سيستم هاي نموي نيز در بعضي موارد از قبيل چك كردن بسيار راحت مسير، اطمينان از صحت برنامه، اجراي راحت عملياتي مثل mirror در اشكال متقارن، بر سيستم هاي مطلق ارجحيت دارند.

اكثر CNC هاي پيشرفته هر دو روش برنامه نويسي بصورت مطلق (G90) و نموي (G91) را پشتيباني مي كنند و مزيتهاي هر دو روش را در اختيار كاربران قرار مي دهند.
۴-۳-۲- سيستم هاي حلق باز و حلقه بسته

هر سيستم كنترلي از جمله سيستم هاي NC ممكن است بصورت كنترل حلقه باز يا بسته طراحي شوند. كنترل حلقه باز به اين مفهوم است كه هيچ پس خوري در سيستم وجود نداشته و هيچ اطلاعاتي از سيگنالهايي كه كنترلر توليد كرده به آن برگردانده نمي شود. سيستم هاي حلقه باز NC از نوع ديجيتال بوده و از موتورهاي پله اي براي به حركت در آوردن پيچهاي راهنما استفاده مي كنند.

موتورهاي پله اي ساده ترين روش براي تبديل پالسهاي الكتريكي به حركت مكانيكي مي باشند و تقريباً راه حل ارزاني براي كنترل يك سيستم به حساب مي آيند. به علت اينكه درسيستم هاي حلقه باز هيچ پس خوري از موقعيت ميز وجود ندارد دقت سيستم تابعي از قابليت موتورها مي باشد كه تا چه حدي بتوانند تعداد دقيق پالسهاي ورودي را دريافت و به حركت تبديل كند. شكل (۸-۲) يك حلقه كنترل باز و يك حلقه كنترل بسته براي يك محور حركت را نشان مي دهد.
سيستم كنترل حلقه بسته موقعيت و سرعت واقعي محورها را اندازه گيري كرده و با مقدار مطلوب مقايسه مي كند. اختلاف بين مقدار واقعي و مطلوب مقدار خطا مي باشد. سيستم كنترل طوري طراحي مي شود كه اين خطا را حذف كرده و يا به مينيمم مقدار خود برساند.

در سيستم هاي NC حلقه بسته هم ورودي به حلقه كنترل و هم سيگنال بازگتي توسط پس خور بصورت پالس مي باشند. كه هر پالس نمايانگر يك واحد BLU است. مقايسه كننده ديجيتالي پس از مقايسه اين دو سيگنال مقدار خطا را مشخص كرده و آن را توسط يك تبديل كننده ديجيتال-آنالوگ (DAC) به سروموتور منتقل مي كند. لازم به ذكر است كه سيگنال برگشتي توسط يك انكدر كه روي پيچ راهنما سوار مي شود به مقايسه كننده ها فرستاده مي شود.

در مقايسه دو سيستم حلقه باز و حلقه بسته، سيستم حلقه باز قاعدتاً براي جاهايي بكار مي رود كه بار روي سيستم زياد نيست. اما سيستم حلقه بسته را مي توان براي انواع كاربردهاي ماشينكاري بكار برد. محدوديت سيستم هاي حلقه باز مبتني بر نوع ساختار سيستم و موتورهاي پله اي مي باشد. از خواص مهم موتورهاي پله ي وابسته بودن سرعت ماكزيمم آن به بار گشتاوري وارد بر آن مي باشد. در اين موتور گشتاور بالاتر باعث كم شدن سرعت ماكزيمم مي شود. لذا موتورهاي پله اي براي بارهاي گشتاورهاي متغير بكار برده نمي شوند. چون يك بار گشتاوري زياد و غير قابل پيش بيني در حين كار باعث از دست رفتن پالسها و در نتيجه توليد خطا مي شود.

در سيستم هاي ماشينكاري پيوسته، گشتاور تأمين شده بوسيله موتور بر اساس نيروهاي برش و وابسته به شرايط برش مي باشد. بنابراين موتورهاي پله اي به عنوان محرك اين سيستم ها پيشنهاد نمي شوند. اين موتورها قاعدتاً در برشكاري بوسيله ليزر و يا ماشينهاي سوراخكاري PTP استفاده مي شوند. در سيستم هاي حلقه بسته از موتورهاي DC و يا AC به عنوان محرك استفاده مي گردد.
۴-۲- ماشينكاري با سرعتهاي بالا

نياز صنعت به افزايش نرخ توليد همراه با كيفيت بااي محصولات نهايي باعث بكارگيري روشهاي ماشينكاري با سرعت بالا (HSM) شده است. اصولاً با پيشرفت در صنعت ساخت ابزارهايي با سختي بالا مانند CBN و Si3N4 راه براي افزايش نرخ براده برداري (MRR) هموار شد [۱۷]. با بكارگيري تحقيقات وسيعي كه انواع سازندگان مشين انجام داده اند امروزه نرخ براده برداري بصورت چشمگيري افزايش يافته است و اين به معني كاهش زمان توليد و افزايش بازده توليد مي باشد. لذا استفاده از HSM روز به روز با استقبال گسترده تري مواجه مي شود.

بطور كلي با بكارگيري قابليت HSM در يك ماشين انجام عمليات ماشينكاري سريعتر صورت مي گيرد. بعنوان مثال در سوراخكاري و قلاويز كاري، HSM باعث حركت سريع بين سوراخها و رفت و برگت سريع اسپيندل مي گردد. اما عملكرد HSM در ماشينكاري سه بعدي انواع قالبها و سطوح پيچيده يعني زماني كه نياز به ماشينكاري در راستاي ميليونها خط مي باشد بهتر نمايان مي شود. مثلاً در ماشينكاري قالب تزريق پلاستيك نشان داده شده در شكل (۹-۲) با بكارگيري HSM زمان ماشينكاري از ۳ ساعت و ۴۵ دقيقه به ۱۷ دقيقه كاهش يافته است [۱۵].
با بكارگيري HSM علاوه بر افزايش نرخ براده برداري، سطح نهايي قطعه كار نيز مطلوبتر بوده و لذا نياز به انجام عمليات ثانويه نظير پرداخت كاري نخواهد بود. همچنين به علت براده برداري سريع اثرات ناشي از حرارت كاهش يافته و گرما به قطعه كار منتقل نمي گردد.
از ديگر مزاياي استفاده از HSM كم شدن نيروهاي برش مي باشد. كاهش نيروهاي برش علاوه بر تأثير روي توان موردنياز ماشينكاري بر روي وزن فيكسچرهاي مورد استفاده نيز تأثير مي گذارد. بدين ترتيب كه نيروي برش كمتر فيكسچر سبكتري را براي نگهداري قطه كار طلب مي كند. همچنين كم شدن نيروي برش باعث طولاني شدن عمر ابزار نيز مي شود.
۱-۴-۲- مفهوم سرعتهاي بالا در ماشينكاري

عبارت HSM توانايي ماشينكاري با سرعتهاي سريع تر را نويد مي دهد اما در ابتدا بايد مفهوم كلمه سريعتر مشخص گردد.
در حقيقت همگي ما بر اساس تجربيات و نوع كاربردمان تصور متفاوتي از كلمه سريعتر داريم. از آنجايي كه طبق تئوري انيشتين هر حركتي نسبي بوده لذا هر سرعتي نيز نسبي مي باشد و HSM نيز از اين امر مستثني نيست و در حقيقت يك مفهوم نسبي است. مفهوم سرعت بالا مي تواند با توجه به نوع عمليات و نوع ماده متفاوت باشد به عنوان مثال در قالب سازي افزايش نرخ پيشروي از ميزان ۲۵۰ mm/min در ماشينكاري قطعه از از جنس فولاد سخت شده تا ۷۶۰ mm/min واقعا به مفهوم ماشينكاري با سرعت بالاست. يا افزايش سرعت فرزكاري از ۳۸۰ mm/min تا ۲۶۰۰ mm/min در قنگام كار با يك قطعه آلومينيومي را نيز مي توان به معني استفاده از سرعتهاي بالا دانست. اما در فرزكاري شابلوني از جنس نرم سرعتي حدود ۲۰۰۰۰ mm/min نيز سرعت بالايي به حساب نمي آيد.

به عبارت ساده HSM ماشينكاري با سرعتهايي بيشتر از سرعتهاي معمول در ماشينكاري سنتي مي باشد. با اين وجود تعاريف مختلفي بر اساس قطر و سرعت اسپيندل، سرعت و توان و دالانهاي پايداري براي HSM ارائه شده است ([۱۷] , [۱۹]) كه در ادامه دو معيار كاربردي تر آنها ارائه مي گردد.
۲-۴-۲- سرعتهاي بالا بر اساس معيار DN

بعضي از منابع، از سرعت مطلق اسپيندل براي تعريف HSM استفاده مي كنند. به عنوان مثال هر سرعتي بالاتر از ۸۰۰۰rpm را بعنوان سرعت بالا معرفي مي كنند. اما اين تعريف جامع نيست زيرا اندازه هندسي اسپيندل در آن وارد نمي شود. پر واضح است كه بدست آوردن سرعت هاي بالاي اسپيندل براي يك ماشين با قطر اسپيندل كوچك بسيار آسانتر از ماشيني با قطر اسپيندل بزرگتر مي باشد. نمايش دقيقتري از سرعت بالا از ديدگاه طراحي اسپيندل، عدد DN مي باشد. DN حاصلضرب قطر اسپيندل بر حسب ميلي‌متر در سرعت اسپيندل بر حسب rpm مي باشد. محدوده اي بين ۵۰۰۰۰۰ تا حداكثر ۲۰۰۰۰۰۰ براي عدد DN محدوده سرعتهاي بالا محسوب مي شود قطر بزرگتر اسپيندل باعث كمتر شدن سرعت آن مي گردد. بنابراين در طراحي ماشينهاي با قدرت زياد بايد به اين نكته توجه كرد كه ممكن است براي يك ماشين سنگين سرعتهاي معمولي نيز به عنوان سرعتهاي بالا محسوب گردد.
به عنوان مثال سرعتي معادل ۳۰۰۰۰rpm براي يك ماشين با قطر اسپيندل كم سرعت معمولي به حساب مي آيد ولي سرعت ۱۵۰۰۰rpm براي يك ماشين با قطر اسپيندل زياد سرعت بالا محسوب مي شود.

۳-۴-۲- سرعتهاي بالا بر اساس دالانهاي پايداري
تعريفي كه در اين قسمت ارائه مي شود مربوط به ديناميك ابزار و اسپيندل مي شود، اين تعريف مبتني بر فركانسهاي طبيعي مدهاي غالب ارتعاشات مي باشد. محدوده سرعت اسپيندل را برروي دياگرام دالانهاي پايداري همانند شكل (۱۰-۲) مي توان به چهار قسمت تقسيم نمود [۱۹]. اين شكل نمايشگر عمق برش محوري مجاز بر حسب سرعت اسپيندل براي يك عمق برشي شعاعي ثابت مي باشد كه قاعدتاً از چنين شكلي با عنوان دالانهاي پايداري ياد مي شود.
ماشينكاري با سرعت پايين زماني صورت مي گيرد كه طول موج ارتعاشات در مدهاي غالب به اندازه اي كوتاه شود كه اثر مستهلك شوندگي بوجود آيد. غالباً اين اثر زماني بوجود مي آيد كه طول موج ارتعاشات كمتر از ۳mm مي شود. اين ناحيه روي شكل (۱۰-۲) با حرف A مشخص شده است. براي مثال اگر فركانس طبيعي غالب ۱۰۰۰HZ بوده و ابزار مورد استفاده يك فرز دو شياره با قطر ۲۵mm باشد ماشينكاري با سرعت پائين در محدوده سرعتهايي كمتر از ۲۳۰۰rpm مي باشد.

ماشينكاري در محدوده متوسط در سرعتهاي بالاتر صورت مي گيرد. در اين محدوده اثر مستهلك شوندگي بوجود نيامده و دالانهاي پايداري نيز آشكار نشده اند. اين محدوده با حرف B در شكل (۱۰-۲) مشخص شده است. حد بالاي اين محدوده هنگامي است كه فركانس عبور دندانه تقريباً برابر ¼ فركانس طبيعي غالب مي باشد. براي ابزار ذكر شده در بالا محدوده متوسط ماشينكاري در سرعتهايي بالاتر از ۲۳۰۰rpm و كمتر از ۷۵۰۰rpm مي باشد. در محدوده متوسط حد پايداري تقريباً ثابت است.

ماشينكاري با سرعتهاي بالا زماني رخ مي دهد كه فركانس عبور دندانه به يك كسر قابل توجه اي از فركانس طبيعي غالب برسد. اين محدوده با حرف c روي شكل (۱۰-۲) نشان داده شده است. براي ابزار معرفي شده در فوق محدوده سرعتهاي بالا از ۷۵۰۰rpm تا تقريباً۴۵۰۰۰rpm مي باشد. در اين محدوده اثر دالانهاي پايداري به خوبي آشكار است و مي توان عمق برش مناسب را با مشخص كردن سرعت مناسب اين محدوده به راحتي انتخاب كرد.
در سرعتهايي كه فركانس عبور دندانه كسر صحيحي از فركانس طبيعي غالب مي باشد، افزايش نرخ براده برداري ميسر است. پايدارترين سرعت، سرعتي است كه در آن فركانس عبور دندانه با فركانس طبيعي غالب برابر باشد.

ماشينكاري فوق سريع در سرعتهايي رخ مي دهد كه فركانس عبور دندانه بزرگتر از ۲ يا ۳ برابر فركانس طبيعي غالب باشد. اين محدوده در شكل با حرف D نشان داده شده است. براي مثال ذكر شده اين سرعت در حدد ۶۰۰۰۰۰rpm مي باشد. ماشينهاي CNC جديد با استفاده از تكنيكهاي شناسايي ارتعاشات خود برانگيخته و كنترل سيستم (CRAC ) قابليت تنظيم سرعت بصورت online را دارا مي باشند و مي توانند شرايط ماشينكاري را به هر يك از محدوده هاي پايدار فوق تغيير دهند.

بطور كلي بكارگيري روشهاي HSM مستلزم فراهم آوردن قابليتهاي گوناگوني در قسمتهاي مختلف يك ماشين CNC مي باشد. در اين پايان نامه ديدگاه اصلي بكارگيري HSM از منظر توانايي درونيابي سيستم CNC مي باشد. زيرا در HSM به علت نياز شديد تر به نيروهاي كمتر و سرعت برش بالاتر بكارگيري نوع درونيابي مناسب و سرعت پيشروي متناسب با مسير بيش از كاربردهاي ديگر اهميت پيدا مي كند. لذا در فصول آينده به بحث و تشريح درونيابي، با قابليت بكارگيري HSM پرداخته خواهد شد.

فصل سوم: انواع روشهاي نمايش منحني
۱-۳- مقدمه
ارائه اشكال هندسي مختلف و شكلهاي آزاد به شكلي كه داراي كارآيي بالايي باشند يكي از پايه هاي طراحي بوسيله كامپيوتر (CAD) مي باشد. توانايي نشان دادن دقيق و پشتيباني عمليات مختلف از جمله شرايطي است كه يك نحوه نمايش مي بايد دارا باشد [۲۰].
انواع نحوه هاي نمايش مختلف ديربازي است كه براي مدلسازي هندسي به كار گرفته مي شوند [۲۱]. با معرفي منحني هاي Bezier در اواخر دهه شصت و بكارگيري آن در ارائه منحني هاي B-spline در دهه هفتاد راه براي ارائه يك فرم مشخث و استاندارد همراه با مزيتهاي رياضي الگوريتمي، بسيار هموار شد. با ارائه منحني هاي NURBS ضمن برخورداري از توانايي نمايش انواع شكلهاي آزاد و تحليلي، ارتباط بسيار نزديكتري بين خواص رياضي و الگوريتمي منحني ها و كاربردهاي صنعتي بوجود آمد [۲۰]. و اين منحني ها توانستند به خوبي در طراحي بوسيله كامپيوتر بكار گرفته شوند. بطوريكه تقريباً تمامي نرم افزارهاي CAD از اين منحني ها در مدلسازي هندسي استفاده مي كنند [۲۱].