CNC

Geschiedenis van Computer Numerical Control

De ontwikkeling van automatische productiemachines vinden hun oorsprong in de 19de eeuw.

In deze tijd werden productiemachines met een carrousel gebruikt om bewerkingsgereedschap dezelfde bewegingen steeds opnieuw uit te laten voeren. Deze vorm van bewerken heeft een groot nadeel; het maken van een carrousel is tijdrovend werk, waardoor het omschakelen naar andere producten erg lastig is.

Naast het gebruik van een carrousel had men andere methodes ontwikkeld om geautomatiseerd te produceren. Zo had men een machine met een taster, waarbij de positie van de taster werd gekopieerd naar een verspanende gereedschap. Hierdoor werden producten gekopieerd. Naast een taster systeem bestond ook een bewegingsopslagsysteem, die de bewegingen van de operator bewaard en later weer af kan spelen. Deze manieren van produceren zijn echter niet programmeerbaar omdat de informatie fysiek wordt opgeslagen in plaats van numeriek.

In de jaren vijftig van de twintigste eeuw werd de eerste serieuze stap gezet richting het CNC-programmeren. In deze periode was men bezig met het ontwikkelen van NC-freesmachines die gebruikt konden worden voor het verspanen van ingewikkelde geometrische vormen die met conventioneel verspanen niet te realiseren waren. NC staat voor numerical control, waarbij handaandrijving wordt vervangen door het invoeren van numerieke waardes. De eerste NC machines die klaar waren voor productiewerkzaamheden werden aangestuurd via ponskaarten en waren een oplossing voor een moeilijk probleem: het frezen van 3D contouren.

Werken met ponskaarten is tijdrovend, daarom begon men in de jaren zestig met het ontwikkelen van een programmeertaal met de naam APT. Deze programmeertaal werd gebruikt op een volledig computergestuurd NC-systeem. In de jaren zestig, zeventig en tachtig is de ontwikkeling van NC techniek sterk gegroeid. Belangrijke factoren hiervoor zijn de economische ontwikkelingen in de jaren zestig, waardoor de materiële welvaart en de loonkosten toenamen. In de jaren zeventig en tachtig werd dankzij concurrerende landen de vraag naar variatie groter.

Met de komst van krachtiger computers en gestandaardiseerde programmeertalen werd het programmeren van NC programma’s erg vereenvoudigd. Het programmeren van een NC programma met behulp van een computer noemt men CNC.

Voordelen van CNC-techniek

CNC bewerkingen staan tegenover conventioneel bewerken.

De gebruiker moet altijd de keuze maken tussen handmatige of CNC productie. Deze keuze hangt af van twee factoren: de complexiteit/nauwkeurigheid en de seriegrootte / herhalingen. Indien een product vrij gemakkelijk te produceren is, is het erg tijdrovend om een volledig programma te schrijven. Als een product vaak geproduceerd moet worden en erg complex is, is CNC-programma de juiste keuze, die veel zekerheid geeft over het te behalen resultaat. Bij simpele producten die in grote series geproduceerd moeten worden is er nog een derde optie. Omdat handmatig en CNC-programmeren dan te duur zijn, is volledige automatisering de beste keuze.

Het gebruik van CNC is meestal de juiste keuze. Er is sprake van een hoge nauwkeurigheid, korte neventijd, weinig afkeur en een constante kwaliteit.

CNC biedt de mogelijkheid om offline te programmeren. Hierbij wordt het programma op voorhand al geschreven aan de hand van een 3D model. Dit komt de efficiëntie van de machine ten goede.

Indien juist geprogrammeerd worden machines zeer efficiënt gebruikt. Met de juiste parameters verspaan je optimaal. Handmatig zal dit een stuk moeilijker zijn om structureel te behalen.

Zodra de machine zijn werk doet, kan de medewerker bezig met nabewerken van een eerder verspaand product of kan een volgend product vast klaar zetten.

Nadelen van CNC techniek

Het gebruik van CNC heeft niet louter voordelen.

Zo is een CNC machine over het algemeen duurder in aanschafprijs. Daarnaast heeft het personeel training nodig om de software te programmeren en uit te voeren. Over de jaren heen zijn er verschillende CNC talen ontwikkeld die niet uitwisselbaar zijn. Dit maakt dat CNC niet als 1 algemene programmeertaal gezien kan worden.

Voor kleine series of enkelstuks van simpele producten of producten met een ruime tolerantie, kan handmatig verwerken soms sneller en goedkoper zijn.

De controle tijdens CNC bewerkingen is minder intensief. Als een beitelplaatje breekt gaat de machine gewoon door, met de mogelijkheid van schade aan product en machine. Bij handmatig verwerken is er beduidend meer controle op dit vlak.

CNC-verspaningcentra

Met de komst van CNC machines heeft ook het automatisch produceren een sterke ontwikkeling doorgemaakt.

Zodoende is het mogelijk om nu een CNC-freesmachine aan te schaffen met een automatisch gereedschapswisselmagazijn en producttransportsysteem. Hierbij worden de gereedschappen automatisch gewisseld en opgeslagen in een magazijn en het product automatisch aangeleverd, ingespannen en daarna weer afgeleverd.

Het gereedschapwisselsysteem vergroot de veelzijdigheid van het bewerkingscentrum. Een kastmagazijn kan wel 120 gereedschappen huisvesten! Tussen de bewerkingen door kan de machine een gereedschap opvragen en indien nodig verwisselen, waardoor complexe producten gerealiseerd kunnen worden.

Op deze manier is het mogelijk veel en gecompliceerd werk uit te voeren zonder dat daar productiepersoneel bij aanwezig hoeft te zijn. Meerdere machines kunnen samengevoegd worden tot een groep. Op deze manier kan men één product met meerdere machines bewerken zonder tussenkomst van menselijk handelen.

CNC Assenstelsel

CNC-besturing maakt gebruik van een assenstelsel bestaande uit drie assen.

Deze drie assen worden X, Y en Z genoemd. Aan de hand van deze assen kan gepositioneerd worden. Geavanceerde CNC machines maken ook gebruik van hoekverdraaiingen, deze worden aangegeven met de letters A (rotatie om de X) en B (rotatie om de Y).

Positiemeetsysteem

Voor het positioneren van het gereedschap moet er gemeten worden. Dit gebeurt aan de hand van het positiemeetsysteem. Deze meet de bewegingen die in de richting van de drie assen wordt uitgevoerd en koppelt deze terug naar het programma. Meetsystemen zijn te onderscheiden naar meetplaats, meetmethode en referentie van het meten.

Meetplaats

De meetplaats is direct of indirect.

Direct meten betekent dat de afstand bepaald wordt aan de hand van een taster die direct gekoppeld is aan het te positioneren systeem (de tafel of de beitel), dit brengt risico’s met zich mee omdat spanen en ander vuil onnauwkeurigheid kunnen veroorzaken. Indirect meten houdt in dat ander referentiemateriaal wordt gebruikt, zoals de aandrijfspil; deze methode kan onnauwkeurig worden bij thermische vervorming.

Meetmethode

De meetmethode kan men onderscheiden in analoog of digitaal.

Analoog of digitaal houdt in dat de verandering in positie continue of stapsgewijs wordt gemeten.

Referentie

De referentie kan men onderscheiden onder absoluut of incrementeel.

Absoluut werkt vanuit een vast nulpunt en incrementeel meet telpulsen waaruit de positie wordt berekend.

Zodoende zijn acht combinaties mogelijk waarbij twee in de praktijk worden toegepast: Indirect/Analoog/Absoluut en een tweede variant: Indirect/Digitaal/Incrementeel.

Positioneren

Het aandrijven van de besturing wordt uitgevoerd door een servomotor.

De servomotor maakt het mogelijk om het aantal omwentelingen dat moet worden uitgevoerd te regelen. Door de gemeten waardes van het positioneringsysteem te vergelijken met de waardes die gevraagd worden door het programma kan men de gewenste aandrijving berekenen. De snelheid van de aandrijving wordt geregeld door een frequentieregelaar.

Door een servomotor toe te passen op elke as krijgt men een samenhang van servomotoren die in combinatie gebruikt kunnen worden. Door deze combinatie zijn verschillende bewegingen mogelijk:

• Lijnbesturing
  Lijnbesturing is een lineaire verplaatsing in één as. Dit is de eenvoudigste beweging voor simpele bewerkingen.
• Puntbesturing
  Puntbesturing is het bewegen tussen twee punten in één vlak (het XY-vlak). Hierbij is de onderlinge communicatie tussen de aandrijvingen van beide assen overbodig. Deze besturing is handig voor het boren van gaten waarbij het NC-systeem gebruikt wordt om de positie te bepalen.
• Baan- of contourbesturing
  Baan of contourbesturing zijn de bewegingen waarbij meerdere servomotoren met elkaar moeten communiceren. De complexiteit kan hierbij erg snel oplopen. De computer beschikt over genoeg rekenkracht om deze beweging correct uit te voeren.