لقد هيأ التقدم السريع لتكنولوجيا أنظمة التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC) الظروف المناسبة للتقدم التكنولوجي في مجال أدوات آلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر. ولتلبية احتياجات السوق والمتطلبات المتزايدة لتقنيات التصنيع الحديثة لتكنولوجيا التحكم الرقمي بالكمبيوتر، يتجلى التطور الحالي لتكنولوجيا التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC) العالمية ومعداتها بشكل رئيسي في الخصائص التقنية التالية:
1. سرعة عالية
تطويرأدوات آلية CNCإن التوجه نحو السرعة العالية لا يُحسّن كفاءة التشغيل ويقلل تكاليفه فحسب، بل يُحسّن أيضًا جودة تشغيل الأسطح ودقة القطع. وتُطبّق تقنية التشغيل فائق السرعة على نطاق واسع لتحقيق إنتاج منخفض التكلفة في قطاع التصنيع.
منذ تسعينيات القرن الماضي، تنافست دول أوروبا والولايات المتحدة واليابان على تطوير وتطبيق جيل جديد من أدوات الآلات عالية السرعة ذات التحكم الرقمي (CNC)، مما ساهم في تسريع وتيرة تطوير هذه الأدوات. وقد تحققت إنجازات جديدة في وحدة المغزل عالية السرعة (مغزل كهربائي، سرعة دوران 15000-100000 دورة/دقيقة)، ومكونات حركة التغذية عالية السرعة وعالية التسارع/التباطؤ (سرعة حركة عالية 60-120 مترًا/دقيقة، سرعة تغذية قطع تصل إلى 60 مترًا/دقيقة)، وأنظمة التحكم الرقمي عالية الأداء وأنظمة التحكم المؤازرة، وأنظمة أدوات التحكم الرقمي، مما ساهم في الوصول إلى مستويات تكنولوجية جديدة. مع حل التقنيات الرئيسية في سلسلة من المجالات التقنية مثل آلية القطع عالية السرعة، ومواد الأدوات طويلة العمر المقاومة للتآكل، وأدوات الطحن الكاشطة، والمغزل الكهربائي عالي السرعة وعالي الطاقة، ومكونات التغذية ذات المحرك الخطي عالي التسارع/التباطؤ، وأنظمة التحكم عالية الأداء (بما في ذلك أنظمة المراقبة) والأجهزة الواقية، تم توفير أساس تقني لتطوير وتطبيق الجيل الجديد من أدوات الآلة CNC عالية السرعة.
في الوقت الحاضر، في الآلات ذات السرعة العالية للغاية، وصلت سرعة القطع والطحن إلى أكثر من 5000-8000 متر/دقيقة؛ سرعة المغزل أعلى من 30000 دورة في الدقيقة (بعضها يمكن أن يصل إلى 100000 دورة في الدقيقة)؛ سرعة الحركة (معدل التغذية) لمنضدة العمل: أعلى من 100 متر/دقيقة (بعضها يصل إلى 200 متر/دقيقة) بدقة 1 ميكرومتر، وفوق 24 متر/دقيقة بدقة 0.1 ميكرومتر؛ سرعة تغيير الأداة التلقائية في غضون ثانية واحدة؛ يصل معدل التغذية للاستيفاء الخطي الصغير إلى 12 متر/دقيقة.
2. دقة عالية
تطويرأدوات آلية CNCمن التصنيع الدقيق إلى التصنيع فائق الدقة، هذا هو التوجه الذي تلتزم به القوى الصناعية حول العالم. تتراوح دقتها من مستوى الميكرومتر إلى مستوى دون الميكرون، وحتى مستوى النانومتر (<10 نانومتر)، ويتزايد نطاق تطبيقاتها انتشارًا.
حاليًا، في ظل متطلبات التشغيل عالي الدقة، ازدادت دقة تشغيل أدوات ماكينات CNC العادية من ± 10 ميكرومتر، ثم ازدادت إلى ± 5 ميكرومتر. وتتراوح دقة تشغيل مراكز التشغيل الدقيق بين ± 3 و5 ميكرومتر، ثم ازدادت إلى ± 1-1.5 ميكرومتر. بل وأكثر من ذلك. وصلت دقة التشغيل فائق الدقة إلى مستوى النانومتر (0.001 ميكرومتر)، ويتطلب الأمر دقة دوران المغزل للوصول إلى 0.01~0.05 ميكرومتر، مع استدارة تشغيل تبلغ 0.1 ميكرومتر وخشونة سطح تشغيل تبلغ Ra=0.003 ميكرومتر. تستخدم أدوات الماكينة هذه بشكل عام مغازل كهربائية ذات محرك تردد متغير يتم التحكم فيه بواسطة ناقل (متكامل مع المحرك والمغزل)، مع انحراف شعاعي للمغزل أقل من 2 ميكرومتر، وإزاحة محورية أقل من 1 ميكرومتر، وعدم توازن العمود يصل إلى مستوى G0.4.
يشمل نظام تغذية أدوات التشغيل عالية السرعة والدقة نوعين رئيسيين: "محرك سيرفو دوار مع لولب كروي دقيق عالي السرعة" و"محرك خطي مباشر". بالإضافة إلى ذلك، تتميز أدوات التشغيل المتوازية الناشئة بسهولة تحقيق تغذية عالية السرعة.
بفضل تقنيتها المتطورة وتطبيقاتها الواسعة، لا تقتصر مزايا براغي الكرة على تحقيق دقة عالية (ISO3408 المستوى 1) فحسب، بل تتميز أيضًا بتكلفة تشغيل منخفضة نسبيًا. لذلك، لا تزال تُستخدم في العديد من آلات التشغيل عالية السرعة حتى يومنا هذا. تبلغ أقصى سرعة حركة لآلة التشغيل عالية السرعة الحالية التي تعمل ببرغي الكرة 90 مترًا في الدقيقة، وتسارعًا قدره 1.5 جرام.
ينتمي اللولب الكروي إلى ناقل الحركة الميكانيكي، والذي ينطوي حتمًا على تشوه مرن واحتكاك وخلوص عكسي أثناء عملية النقل، مما يؤدي إلى تباطؤ الحركة وأخطاء غير خطية أخرى. ولتجنب تأثير هذه الأخطاء على دقة التشغيل، طُبّق نظام الدفع المباشر بمحرك خطي على أدوات الماكينة عام ١٩٩٣. ولأنه ناقل حركة "صفري" بدون وصلات وسيطة، فإنه يتميز بقصور ذاتي صغير للحركة وصلابة عالية للنظام واستجابة سريعة، بالإضافة إلى قدرته على تحقيق سرعة وتسارع عاليين، وطول شوطه غير محدود نظريًا. كما يمكن أن تصل دقة التموضع إلى مستوى عالٍ تحت تأثير نظام تغذية مرتدة عالي الدقة للموضع، مما يجعله طريقة قيادة مثالية لأدوات الماكينة عالية السرعة وعالية الدقة، وخاصةً أدوات الماكينة المتوسطة والكبيرة. حاليًا، وصلت أقصى سرعة حركة سريعة لأدوات الماكينة عالية السرعة وعالية الدقة التي تستخدم محركات خطية إلى ٢٠٨ أمتار/دقيقة، مع تسارع ٢ جي، ولا يزال هناك مجال للتطوير.
3. موثوقية عالية
مع تطور التطبيقات الشبكيةأدوات آلية CNCأصبحت الموثوقية العالية لأدوات ماكينات CNC هدفًا يسعى إليه مصنعو أنظمة CNC ومصنعو أدوات ماكينات CNC. بالنسبة لمصنع غير مأهول يعمل بنظام نوبتين يوميًا، إذا كان مطلوبًا منه العمل بشكل مستمر وبشكل طبيعي خلال 16 ساعة بمعدل خالٍ من الأعطال P (t) = 99٪ أو أكثر، فيجب أن يكون متوسط الوقت بين الأعطال (MTBF) لأداة ماكينة CNC أكبر من 3000 ساعة. بالنسبة لأداة ماكينة CNC واحدة فقط، تكون نسبة معدل الفشل بين المضيف ونظام CNC 10:1 (موثوقية CNC أعلى بمقدار مرتبة واحدة من موثوقية المضيف). في هذه المرحلة، يجب أن يكون متوسط الوقت بين الأعطال لنظام CNC أكبر من 33333.3 ساعة، ويجب أن يكون متوسط الوقت بين الأعطال لجهاز CNC والمغزل والمحرك أكبر من 100000 ساعة.
تجاوز متوسط وقت التشغيل بين الأعطال (MTBF) لأجهزة CNC الأجنبية الحالية 6000 ساعة، وتجاوزت وحدة التشغيل 30000 ساعة. ومع ذلك، لا يزال هناك فارق ضئيل عن الهدف المثالي.
4. التركيب
في عملية معالجة القطع، يُستهلك وقتٌ طويلٌ بلا فائدة في مناولة قطعة العمل، والتحميل والتفريغ، والتركيب والتعديل، وتغيير الأدوات، وزيادة سرعة المغزل وخفضها. ولتقليل هذه الأوقات غير المفيدة قدر الإمكان، يُسعى إلى دمج وظائف معالجة مختلفة على نفس الآلة. ولذلك، أصبحت الآلات ذات الوظائف المركبة نموذجًا سريع التطور في السنوات الأخيرة.
يشير مفهوم تشغيل الآلات المركبة في مجال التصنيع المرن إلى قدرة الآلة على إجراء تشغيل متعدد العمليات تلقائيًا بنفس طرق التشغيل أو أنواع مختلفة منها، وفقًا لبرنامج تشغيل CNC، بعد تثبيت قطعة العمل دفعة واحدة، وذلك لإتمام عمليات تشغيل متنوعة، مثل الخراطة، والطحن، والحفر، والتجويف، والطحن، والنقر، والتوسيع، وتوسيع قطعة معقدة الشكل. أما بالنسبة للأجزاء المنشورية، فتُعدّ مراكز التشغيل من أكثر الأدوات الآلية شيوعًا التي تُجري عمليات تشغيل مركبة متعددة العمليات باستخدام نفس طريقة التشغيل. وقد ثبت أن تشغيل الآلات المركبة يُحسّن دقة وكفاءة التشغيل، ويوفر المساحة، ويُقلل بشكل خاص من دورة تشغيل القطع.
5. التعدد المحاور
مع شيوع أنظمة CNC ذات الوصلات الخمسة محاور وبرامج البرمجة، أصبحت مراكز التصنيع ذات الوصلات الخمسة محاور وماكينات الطحن CNC (مراكز التصنيع الرأسية) محورًا للتطوير الحالي. بفضل بساطة التحكم في الوصلات الخمسة محاور في برمجة CNC لقواطع الطحن ذات النهاية الكروية عند تشغيل الأسطح الحرة، والقدرة على الحفاظ على سرعة قطع معقولة لقواطع الطحن ذات النهاية الكروية أثناء عملية طحن الأسطح ثلاثية الأبعاد، تحسنت خشونة سطح التصنيع بشكل ملحوظ وزادت كفاءة التصنيع بشكل كبير. ومع ذلك، في أدوات الماكينة ذات الوصلات الثلاثة محاور، من المستحيل تجنب مشاركة نهاية قاطع الطحن ذات النهاية الكروية بسرعة قطع قريبة من الصفر في القطع. لذلك، أصبحت أدوات الماكينة ذات الوصلات الخمسة محاور محور التطوير النشط والمنافسة بين كبار مصنعي أدوات الماكينة نظرًا لمزايا الأداء التي لا يمكن تعويضها.
في الآونة الأخيرة، لا تزال الدول الأجنبية تبحث في إمكانية التحكم في وصلات سداسية المحاور باستخدام أدوات قطع غير دوارة في مراكز التصنيع. ورغم أن شكلها غير مقيد، وعمق القطع قد يكون ضئيلاً للغاية، إلا أن كفاءتها منخفضة للغاية، مما يصعب تطبيقها عملياً.
6. الذكاء
يُعدّ الذكاء الاصطناعي اتجاهًا رئيسيًا لتطوير تكنولوجيا التصنيع في القرن الحادي والعشرين. والتشغيل الآلي الذكي هو نوع من التشغيل الآلي يعتمد على التحكم بالشبكات العصبية، والتحكم الضبابي، وتكنولوجيا الشبكات الرقمية، والنظرية. ويهدف إلى محاكاة الأنشطة الذكية للخبراء البشريين أثناء عملية التشغيل، وذلك لحل العديد من المشكلات غير المؤكدة التي تتطلب تدخلًا يدويًا. ويشمل محتوى الذكاء الاصطناعي جوانب مختلفة في أنظمة التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC):
لمتابعة كفاءة المعالجة الذكية والجودة، مثل التحكم التكيفي والتوليد التلقائي لمعلمات العملية؛
لتحسين أداء القيادة وتسهيل الاتصال الذكي، مثل التحكم في التغذية الأمامية، والحساب التكيفي لمعلمات المحرك، والتعرف التلقائي على الأحمال، والاختيار التلقائي للنماذج، والضبط الذاتي، وما إلى ذلك؛
البرمجة المبسطة والتشغيل الذكي، مثل البرمجة التلقائية الذكية، وواجهة الإنسان والآلة الذكية، وما إلى ذلك؛
تسهل عملية التشخيص والمراقبة الذكية تشخيص النظام وصيانته.
هناك العديد من أنظمة القطع والتشغيل الآلي الذكية قيد البحث في العالم، ومن بينها حلول التشغيل الآلي الذكية للحفر التي تقدمها جمعية أبحاث أجهزة CNC الذكية في اليابان.
7. التواصل
يشير التحكم الشبكي لأدوات الماكينة بشكل أساسي إلى اتصال الشبكة والتحكم الشبكي بين أداة الماكينة وأنظمة التحكم الخارجية الأخرى أو أجهزة الكمبيوتر المتقدمة من خلال نظام CNC المُجهز. عادةً ما تتصل أدوات الماكينة CNC أولاً بموقع الإنتاج والشبكة المحلية الداخلية للمؤسسة، ثم تتصل بالشبكة الخارجية للمؤسسة عبر الإنترنت، وهو ما يُسمى بتقنية الإنترنت/الإنترانت.
مع نضج وتطور تكنولوجيا الشبكات، طرحت الصناعة مؤخرًا مفهوم التصنيع الرقمي. يُعد التصنيع الرقمي، المعروف أيضًا باسم "التصنيع الإلكتروني"، أحد رموز التحديث في شركات التصنيع الميكانيكي، وطريقة التوريد القياسية لمصنعي أدوات الآلات المتقدمة عالميًا اليوم. مع الانتشار الواسع لتكنولوجيا المعلومات، يزداد عدد المستخدمين المحليين الذين يحتاجون إلى خدمات الاتصال عن بُعد ووظائف أخرى عند استيراد أدوات الآلات ذات التحكم الرقمي (CNC). واستنادًا إلى الانتشار الواسع لتقنيات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD/CAM)، يزداد استخدام شركات التصنيع الميكانيكي لمعدات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC). كما تزداد برمجيات تطبيقات الحاسب الآلي ثراءً وسهولةً في الاستخدام. ويتزايد سعي المهندسين والفنيين إلى التصميم الافتراضي والتصنيع الافتراضي وغيرها من التقنيات. وأصبح استبدال الأجهزة المعقدة بذكاء برمجي اتجاهًا مهمًا في تطوير أدوات الآلات المعاصرة. وفي إطار هدف التصنيع الرقمي، ظهر عدد من برامج إدارة المؤسسات المتقدمة، مثل تخطيط موارد المؤسسات (ERP)، من خلال إعادة هندسة العمليات والتحول في تكنولوجيا المعلومات، مما حقق فوائد اقتصادية أكبر للشركات.
8. المرونة
يتجه قطاع آلات CNC نحو أنظمة الأتمتة المرنة، بدءًا من نقطة التصنيع (آلة CNC مفردة، مركز تصنيع، وآلة تصنيع مركبة CNC)، وخط التصنيع (FMC، FMS، FTL، FML)، وصولًا إلى السطح (جزيرة التصنيع المستقلة، FA)، والجسم (CIMS، نظام التصنيع المتكامل بالشبكة الموزعة)، مع التركيز على التطبيق والاقتصاد. تُعد تقنية الأتمتة المرنة الوسيلة الرئيسية لصناعة التصنيع للتكيف مع متطلبات السوق الديناميكية وتحديث المنتجات بسرعة. وهي الاتجاه السائد لتطوير التصنيع في مختلف البلدان، والتكنولوجيا الأساسية في مجال التصنيع المتقدم. ينصب تركيزها على تحسين موثوقية النظام وفعاليته العملية، بهدف سهولة الربط الشبكي والتكامل؛ مع التركيز على تطوير وتحسين تقنية الوحدة؛ تتطور آلة CNC المفردة نحو الدقة العالية والسرعة العالية والمرونة العالية؛ يمكن ربط آلات CNC وأنظمة التصنيع المرنة الخاصة بها بسهولة مع CAD وCAM وCAPP وMTS، وتتطور نحو تكامل المعلومات؛ تطوير أنظمة الشبكات نحو الانفتاح والتكامل والذكاء.
9. التخضير
يجب أن تُعطي أدوات ماكينات قطع المعادن في القرن الحادي والعشرين الأولوية لحماية البيئة وتوفير الطاقة، أي تحقيق عمليات قطع صديقة للبيئة. في الوقت الحالي، تُركز تقنية المعالجة الخضراء هذه بشكل أساسي على عدم استخدام سائل القطع، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن سائل القطع لا يُلوث البيئة ويُعرض صحة العمال للخطر فحسب، بل يزيد أيضًا من استهلاك الموارد والطاقة. يُجرى القطع الجاف عمومًا في جو جوي، ولكنه يشمل أيضًا القطع في أجواء غازية خاصة (النيتروجين، أو الهواء البارد، أو باستخدام تقنية التبريد الكهروستاتيكي الجاف) دون استخدام سائل القطع. ومع ذلك، بالنسبة لبعض طرق التشغيل ومجموعات قطع العمل، يصعب حاليًا تطبيق القطع الجاف بدون استخدام سائل القطع عمليًا، لذلك ظهر القطع شبه الجاف مع الحد الأدنى من التزييت (MQL). حاليًا، يستخدم 10-15٪ من المعالجة الميكانيكية واسعة النطاق في أوروبا القطع الجاف وشبه الجاف. بالنسبة لأدوات الآلات، مثل مراكز التشغيل، المصممة لطرق تشغيل متعددة/تركيبات قطع عمل، يُستخدم القطع شبه الجاف بشكل أساسي، وعادةً ما يتم ذلك برش خليط من كميات ضئيلة للغاية من زيت القطع والهواء المضغوط في منطقة القطع عبر القناة المجوفة داخل مغزل الآلة والأداة. من بين أنواع مختلفة من آلات قطع المعادن، تُعد آلة التفريز المسننة الأكثر استخدامًا للقطع الجاف.
باختصار، وفّر تقدم وتطور تكنولوجيا أدوات الآلات ذات التحكم الرقمي (CNC) ظروفًا مواتية لتطوير صناعة التصنيع الحديثة، ودفع عجلة التصنيع نحو اتجاه أكثر إنسانية. ومن المتوقع أنه مع تطور تكنولوجيا أدوات الآلات ذات التحكم الرقمي (CNC) وانتشار استخدامها على نطاق واسع، ستُحدث صناعة التصنيع ثورةً عميقةً تُغير نموذج التصنيع التقليدي.