ขั้นตอนการผลิตงานด้วยเครื่องจักร CNC Machining Center

1. การออกแบบงาน

            การผลิตชิ้นงานขึ้นมาไม่ว่าจะมาจากการออกแบบหรือจากต้นแบบนั้น งานผลิตมากๆส่วนมากแล้ว ล้วนต้องนำมาเขียนแบบลงใน CAD(Computer Aide Design) ก่อนเป็นส่วนใหญ่ทั้งสิ้นหรือหากว่างานนั้นไม่มีความละเอียดซับซ้อนมาก ก็ถือว่าไม่จำเป็น

           

 

                                                                

2. การกำหนดขั้นตอนการกัดและเลือกเครื่องมือตัด

 

กลไกการเคลื่อนที่

 กลไกการเคลื่อนที่  

ได้แก่ ฟีดมอเตอร์ (feed Motor) ซึ่งเป็นโซโวมอเตอร์ (servo motor)

ควบคุมการเคลื่อนที่ของแกนต่างๆ ได้โดยใช้ บอลสกรู (ball screw) แปลงการเคลื่อนที่เชิงมุม (angular motion) เป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น (linear motion) โดยมีตำแหน่งหรือระยะทางการเคลื่อนที่และความเร็วถูกควบคุมโดยรับสัญญาณจากคอนโทรลเลอร์ นอกจากนี้จะมีรางนำทาง (guide way) รองรับการเคลื่อนที่ที่แกนต่างๆ เป็นต้น

 

สำหรับเครื่องที่ต้องการความแม่นยำสูงจะมี ลิเนียร์สเกล (linear scale) เป็นอุปกรณ์ตรวจ-รู้หรือเซนเซอร์ (sensor) บอกตำแหน่งในการเคลื่อนที่ในแต่ละแกน

                                                                                                                

3. ตัวเครื่องจักร 

โครงสร้างที่ประกอบเป็นรูปร่างที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานตามประเภท

ของเครื่องจักรนั้นๆ ตัวเครื่องจักรมีส่วนปรักกอบหลัก เช่น

- แท่นเครื่อง (machine bed) เป็นโครงสร้างหลักของตัวเครื่องจักร สำหรับรองรับอุปกรณ์และชิ้นส่วนต่างๆ ของเครื่องจักร

- หมอนรอง หรือ แสดเดิล (saddle) เคลื่อนที่ได้ 1 แกน บนแท่นเครื่อง เช่น แกน X หรือแกน Y

- โต๊ะ (table) สำหรับวางชิ้นงาน โดยทั่วไปโต๊ะเคลื่อนที่อยู่บนหมอนรอง มีร่องรูปตัวที (T-slot) สำหรับใช้ในการจับยึดชิ้นงานให้แนบติดกับโต๊ะ มีระนาบโต๊ะตั้งติดกับเสา

- เสา (column) เป็นโครงสร้างสำหรับติดตั้งสปินเดิล เครื่องแมชชีนนิ่งเซนเตอร์แนวตั้งรุ่นใหม่นิยมสร้างเป็นแบบเสาคู่ (double Column) เพราะให้ความแม่นยำที่ดีกว่า

- สปินเดิล (spindle) สำหรับติดตั้งชุดจับทูล แบบเทเปอร์แชงค์ (tapered shank) หรือแบบ

ไฮสปีด (high speed) โดยมีมอเตอร์สปินเดิล (spindle motor) ขับเคลื่อนสปินเดิลผ่านเกียร์หรือสายพานหรือต่อตรงรวมเป็นชุดเดียวกัน

ส่วนประกอบหลักของเครื่อง Machining Center

สามารถแบ่งได้ 4 ส่วนหลัก ได้แก่

·       ชุดควบคุมการทำงาน (Controller)

·       ระบบกลไกในการเคลื่อนที่  (Drive mechanisms)

·       ตัวเครื่องจักร (Machine Body)

·       อุปกรณ์เปลี่ยนทูลอัตโนมัติ (Automatic Tool Changer)

1. ชุดควบคุมการทำงาน (Controller)

            ชุดควบคุมของ Machining Center เป็นระบบคอมพิวเตอร์ที่สามารถจัดเก็บโปรแกรม แก้ไขดัดแปลงได้ คอมพิวเตอร์เข้าใจโปรแกรมที่ป้อนและทำงานตามคำสั่งในโปรแกรม

                ชุดควบคุมประกอบไปด้วย แผงควบคุม (control panel) จอภาพ (monitor) แป้นพิมพ์ (keyboard หรือ keypad) และปุ่มสวิตซ์ควบคุมต่างๆ เช่น ความเร็วฟีด (Feed) และความเร็วสปินเดิล (Spindle) เป็นต้น

การจำแนกประเภทของ CNC machining center

สามารถแบ่งได้ตามแบบทิศทางการติดตั้งสปินเดิล ดังนี้

1. แนวตั้ง (Vertical Machining Center, VMC)

การกำหนดแนวแกนของเครื่องกัดตั้ง

2.แนวนอน (Horizontal Machining Center, HMC)

การกำหนดแนวแกนของเครื่องกัดนอน

            เครื่องกัดแบบแนวตั้งนั้นมีจำนวนการใช้งานมากกว่าเครื่องแบบแนวนอนมากกว่าโดยเฉพาะในการนำมาใช้ผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กและกลาง รวมถึงขนาดใหญ่ด้วยเช่นกัน โดยที่ข้อดีของแบบแนวนอน คือ ไม่สะสมความร้อนที่ชิ้นงาน เศษโลหะจะตกลงพื้นไม่สะสมบนผิวของชิ้นงาน ที่อาจทำให้เกิดรอยขีดข่วนบนชิ้นงานได้

CNC Machining Center ที่สามารถเปลี่ยนตำแหน่งการติดตั้งหัวสปินเดิลให้อยู่ได้ทั้งในแนวนอนหรือแนวตั้ง โดยการใช้คำสั่ง CNC ในการเปลี่ยนตำแหน่งนั้น มีชื่อเรียกเครื่องประเภทนี้ว่า “Universal Machining Center” ฉะนั้นเครื่องจักรประเภทนี้จึงสามารถทำงานหลายขั้นตอนให้เสร็จได้ภายในเครื่องเดียวโดยไม่ต้องติดตั้งชิ้นงานใหม่ ซึ่งกัดได้ถึง 5-6 ด้านในครั้งเดียว

การแบ่งตามจำนวนของแกนการเคลื่อนที่ของทูล เมื่อเทียบกับชิ้นงาน  ได้ดังนี้

1. แบบ 2 แกนครึ่ง (2½ Axes)

            เป็นเครื่องที่สามารถเคลื่อนที่ได้ 3 แกน แต่เคลื่อนที่ได้พร้อม ๆ กันคราวละ 2 แกน เช่น   X-Y, X-Z, Y-Z เป็นต้น เครื่องประเภทนี้เหมาะสำหรับการเจาะ (Drilling)

2. แบบ 3 แกน (3½ axes)

เป็นเครื่องที่สามารถเคลื่อนที่ได้พร้อม ๆ กันได้ทั้ง 3 แกน

3. แบบ 3 แกนครึ่ง (3 axes)

พบมากในเครื่อง HMC โดยเป็นการหมุนของ Indexing table ในแกน B แล้วจึงเคลื่อนที่ไปแกน X ,Y และ Z ถ้าเป็นเครื่อง VMC จะติดตั้งให้หมุนในแกน A เป็นส่วนมาก

   

                                รูป Indexing Table                                                             รูปแบบ 3 แกน

4. แบบ 4 แกน (4axes)

พบมากในเคื่รอง HMC โดยแกนที่ 4 เป็นแกนหมุนของโต๊ะหมุน(Rotary Table) ในแกน B ไปพร้อม ๆ กับการเคลื่อนที่ที่เชิงเส้น (แกน X ,Y และ Z) จึงเป็นการเคลื่อนที่ 4 แกนพร้อม ๆ กัน ถ้าเป็นแกนเครื่อง VMC  จะติดตั้งให้หมุนในแกน A เป็นส่วนมาก

 

5. แบบ 5 แกน (5 axes)

มีการเคลื่อนที่เชิงเล้น (Linear Motion) 3 แกน (X Y Z) เเละการ

เคลื่อนที่เชิงมุม (Angular Motion) หรือการหมุน 2 เเกน   เครื่อง 5 แกนสามารกเคลื่อนที่ใด         พร้อม ๆ กันทั้ง 5 เเกน

เครื่อง Machining Center 5 แกน ที่มีการเคลื่อนที่ในแกน X, Y, Z และการหมุนในแกน A และ C

นอกจากนี้แล้วเครื่องจักรในระบบซีเอ็นซีบางชนิดก็จะมีแนวแกนป้อนและแนวแกนหมุนรวมกันอยู่หลายแนวแกน ซึ่งในการกำหนดแนวแกนของเครื่องจักรกลซีเอ็นซีตามมาตรฐาน      EIA-267-B (Electronic Industries Association) ได้กำหนดแนวแกนมาตรฐานไว้ทั้งหมด 14 แนวแกน ประกอบไปด้วยแนวแกนที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง 9 แนวแกน แนวหมุนอีก 5 แนวแกน

ประวัติ CNC Milling Machining Center

ปี พ.ศ. 2491 (ค.ศ. 1948) กองทัพอากาศสหรัฐอเมริกาต้องการใช้ เครื่องกัด (Milling Machine) ชนิด 3 แกน ผลิตชิ้นส่วนเครื่องบินที่มีความแม่นยำ สม่ำเสมอ และรวดเร็ว

ปี พ.ศ. 2495 (ค.ศ. 1952) เครื่องเอ็นซี เครื่องแรกพัฒนาโดยทีมนักวิจัย จากสถาบันเทคโนโลยีแมสเสซชูเสท (Massachusetts Institute of Technology หรือ MIT)

ปี พ.ศ. 2498 (ค.ศ.1955) ทดสอบการใช้งาน เครื่องเอ็นซีจำนวน 100 เครื่องแรก ได้รับคำสั่งซื้อและผลิตให้แก่กองทัพอากาศสหรัฐอเมริกา

จากนั้นก็ได้มีการพัฒนาเรื่อยมา ทำให้เครื่องกัดมีความสามารถในการลดเวลาการเปลี่ยนทูลได้เป็นแบบอัตโนมัติ (Automatic Tool Changer, ATC) จากเดิมต้องหยุดเครื่องเพื่อเปลี่ยนทูล   ซึ่งเรียกเครื่องกัดนี้ว่า  “CNC Machining Center” 

พัฒนาการของเครื่องจักรกลเอ็นซีและซีเอ็นซี

1.1          ประวัติของเครื่องจักรกลเอ็นซี

             ในสภาวะที่เศรษฐกิจเจริญเติบโตขี้นมาเรื่อย ๆ และจำนวนประชากรที่เพิ่มมากขึ้น ความต้องการทางด้านปัจจัย 4 ก็มีเพิ่มมากขึ้นตามลำดับ  การแข่งขันทางการค้าก็ยิ่งทวีสูงขึ้นเรื่อย ๆ เหตุต่าง ๆ เหล่านี้  ทำให้มนุษย์มีความจำเป็นที่จะต้องคิดค้นและพัฒนาการผลิตให้รวดเร็วและประหยัดเพื่อตอบสนองต่อความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นเครื่องจักรกลอัตโนมัติได้ถูกออกแบและพัฒนาสร้างขึ้นมาให้สามารถทำงานซ้ำ ๆ กันได้ทุกเวลาที่ต้องการ ซึ่งระบบการทำงานอัตโนมัติเป็นที่รู้จักรกันอย่างแพร่หลาย เช่น เครื่องเล่นเปียนโนอัติโนมัตซึ่งทำงานโดยอาศัยระบบแมคคานิคควบคุม เครื่องกลึงอัตโนมัติที่ควบคุมการทำงานด้วนลูกเบี้ยว แต่เครื่องจักรเหล่านี้ข้อเสียตรงที่ การเปลี่ยนผลิตภัณฑ์หรือชิ้นงานใหม่ต้องใช้เวลามาก และการเปลี่ยนลักษณะงานมีขีดจำกัด

            ในปี ค.ศ. 1948 นักวิทยาศาสตร์ในสถาบัน MIT (Massachusetts Institute of Techonlogy) ได้ริเริ่มทำโครงการพัฒนาเครื่องจักรกลที่ควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์ขึ้น  โดยได้รับการสนับสนุนโครงการจากกองทัพอากาศของสหรัฐอเมริกา (U.S. Sir Force)

            เครื่องจักรระบบเอ็นซีเครื่องแรกคือ CINCINNATIC HYDROTEL VERTICAL-SPINDLE MACHINE และนำออกให้งานในปี ค.ศ. 1957

1.2       เอ็นซีและซีเอ็นซีความหมายของ

            เอ็นซี (NC) ย่อมาจากคำว่า Numerical Control หมายถึง การควบคุมเครื่องจักรกลด้วยระบบตัวเลขและตัวอักษร ซึ่งคำจำกัดความนี้ได้จากประเทศสหรัฐอเมริกา กล่าวคือ การเคลื่อนที่ต่าง ๆ ตลอดจนการทำงานอื่นๆ ของเครื่องจักรกล จะถูกควบคุมโดยรหัสคำสั่งที่ประกอบด้วยตัวเลข ตัวอักษร และสัญบักษณ์อื่นๆ ซึ่งจะถูกแปลงเป็นคลื่นสัญญาณ (pulse) ของกระแสไฟฟ้าหรือสัญญาณออกอื่นๆ  ที่จะไปกระตุ้นมอเตอร์หรืออุปกรณ์อื่นๆ เพื่อทำให้เครื่องจักรกลทำงานตามขั้นตอนที่ต้องการ

            ซีเอ็นซี (CNC)  ย่อมากจากคำว่า Computerized  Numerical Control ระบบควบคุมเอ็นซีแบบนี้จะมีคอมพิวเตอร์ที่มีความสารถสูงเพิ่มเข้าไปภายในระบบ  ทำให้สามารถจัดการกับข้อมูลที่ป้อนเข้าไปในระบบ เอ็นซี และประมวลผลข้อมูลเพื่อนำผลลัพธ์ที่ได้ไปควบคุมการทำงานของเครื่องจักรกล

             ในปัจจุบันเครื่องจักกลเอ็นซีส่วนมากจะหมาถึง  เครื่องจักรกลซีเอ็นซี ทั้งนี้เพราะว่าระบบเอ็นซีที่ไม่มีคอมพิวเตอร์เป็นส่วนประกอบ มักไม่นิยมสร้างใช้แล้ว  เนื่องจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันมีราคาค่อนข้างถูก ดังนั้น ราคาของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ที่เพิ่มขึ้นมา เกือบจะไม่ต้องการนำมาพิจารณาเมื่อเทียบกับราคาของเครื่องจักรทั้งเครื่อง

1.3       ความแตกต่างระหว่างเครื่องจักรเอ็นซีกับเครื่องจักรกลทั่วไป

            เครื่องจักรกลทั่วไป แท่นเลื่อน ( slides ) ที่ทำหน้าที่นำชิ้นงานหรือเครื่องมือตัดให้เคลื่อนที่ไปตามรางเลื่อน ( Slideways ) โดยการหมุนมือหมุน หรือโดยการต่อกลไกป้อนอัตโนมัติ เช่น ลูกเบี้ยวในเครื่องกลึงอัตโนมัติ ซึ่งในขณะเดียวกันช่างควบคาเครื่องจะต้องปฏิบัติงานในหน้าที่อื่น ๆ ที่จำเป็นต้องใช้ในการตัดเฉือนชิ้นงานนั้น ๆ ด้วย

เช่น เปิดและปิดสวิตช์ควบคุมการหมุนของเพลาหัวเครื่อง เปลี่ยนอัตราป้อนและความเร็วรอบ เปิดและปิดสวิตช์สารหล่อเย็น เป็นต้น ในการปฏิบัติงานหน้าที่ต่าง ๆ เหล่านี้ ช่างควบคุมเครื่องจะต้องใช้ทั้งวิจารณญานและการตัดสินใจร่วมกัน การตัดสินใจเหล่านี้จะต้องกระทำซ้ำ ๆ กันตลอดเวลาที่ทำการผลิตชิ้นงานนั้น ถึงแม้จะเป็นการผลิตชิ้นงานที่มีรูปทรงเดียวกันก็ตาม

               ส่วนเครื่องจักรกลเอ็นซี การเคลื่อนที่ต่าง ๆ ที่จำเป็นในการผลิตชิ้นงานจะทำงานโดยอัตโนมัติด้วยตัวเครื่องจักรกลเอง ตามข้อมูลตัวเลข (Numerical Information)  ที่ป้อนให้กับระบบควบคุมของเครื่องจักรกลเอ็นซีในรูปแบบรหัส ( code)  ที่ระบบควบคุมของเครื่องสามารถเข้าใจได้

            ความแตกต่างในการใช้เครื่องจักรกลเอ็นซี เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องจักรกลที่ใช้ทั่วไปก็คือ การตัดสินใจในการกำหนดขั้นตอนการทำงานต่าง ๆ จะกระทำเพียงครั้งเดียว กล่าวคือ จะกระทำในขั้นตอนการวางแผนและสร้างโปรแกรม สำหรับควบคุมเครื่องจักรกลเท่านั้น ต่อจากนั้น  โปรแกรมก็จะถูกนำไปใช้ในการควบคุมการทำงานของเครื่องจักรกล สำหรับการผลิตชิ้นงานที่ต้องการ  โดยสามารถทำการผลิตซ้ำ ๆ กันกี่ครั้งก็ได้ตามต้องการ

           นอกเหนือจากโปรแกรมการทำงาน ซึ่งเปรียบเสมือนการวางแผนการทำงานที่ได้จัดเตรียมขั้นตอนการทำงานทุกขั้นตอน  การป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้  ตลอดจนการป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นได้แล้วนั้นการผลิตชิ้นงานด้วนเครื่องจักรกลเอ็นซียังช่วยลดเวลาการทำงานอื่น ๆ ที่จำเป็นด้วย เช่น ลดเวลาการตรวจสอบขนาดของชิ้นงาน ลดเวลาในการปรับตำแหน่งของชิ้นงาน ลดเวลาในการปรับเปลี่ยนความเร็วรอบในการทำงาน เป็นต้น

                                                                                                                     

1.4       ความแตกต่างระหว่างระบบเอ็นซีกับระบบซีเอ็นซี

                   ระบบซีเอ็นซีเป็นระบบที่พัฒนาต่อเนื่องมาจากระบบเอ็นซี ดังนั้น ความแตกต่างระหว่างระบบเอ็นซีกับระบบซีเอ็นซี ก็จะอยู่ที่    ความสามารถของระบบควบคุม นั่นคือ  คอมพิวเตอร์ เมื่อนำระบบซีเอ็นซีไปควบคุมเครื่องจักรกล ความสามารถในการทำงานต่าง ๆ จะเพิ่มมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องจักรกลเอ็นซีดังนี้

1.        การแสดงภาพจำลอง (Simuiation) การทำงานตามโปรแกรมที่ป้อนเข้าในระบบทางจอภาพ

2.        ความจุของหน่วยความจำเพิ่มมากขึ้น สามารถเก็บข้อมูลโปรแกรมได้มาก

3.        การแก้ไขและลบโปรแกรมสามารถกระทำได้ที่เครื่องจักรโดยตรง

4.        สามารถส่งข้อมูลไปเก็บไว้ในหน่วยความจำภายนอกได้

5.        ระบบความปลอดภัยเพิ่มมากขึ้น

6.        มีการชดเชยความผิดพลาดที่เกิดขึ้นจากการวัดและการส่งกำลัง

7.        มีโปรแกรมสำเร็จสำหรับการคำนวณค่าต่าง ๆ  เช่น ความเร็วรอบ อัตราป้อน เป็นต้น

1.5       ข้อดีและข้อเสียของเครื่องจักรกลเอ็นซีและซีเอ็นซี

             เครื่องจักรกลเอ็นซีและซีเอ็นซีเป็นเครื่องจักรกลสมัยใหม่ ที่มีประสิทธิภาพการทำงานสูง แต่ในขณะเดียวกันราคาก็สูงตามด้วย ดั้งนั้น  ก่อนที่จะพิจารณาจัดซื้อเครื่องจักรกลประเภทนี้ มาใช้ในกระบวนการผลิต จำเป็นจะต้องศึกษารายละเอียดต่าง ๆ  เกี่ยวกับขีดความสามารถของเครื่อง ตลอดจนข้อดีและข้อเสียของเครื่องจักรกลประเภทนี้ก่อน

            ข้อดีของเครื่องจักรกลเอ็นซีและซีเอ็นซี เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องจักรกลอัตโนมัติประเภทอื่น ๆ พอจะสรุปได้ดังนี้

1.        มีความยืดหยุ่นในการทำงานสูง : การเปลี่ยนงานใหม่จะแก้ไขหรือเปลี่ยนแปลเฉพาะโปรแกรมเท่านั้น

2.        ความเที่ยงตรง (Accuracy) จะอยู่ระดับเดียวกันตลอดช่วงความเร็วรอบและอัตราป้อนที่ใช้ทำการผลิต

3.        ใช้เวลาในการผลิต (Production Time) สั้นกว่า

4.        สามารถใช้ผลิตชิ้นงานที่มีรูปทรงซับซ้อนได้ง่าย

5.        การปรับตั้งเครื่องจักรกระทำได้ง่าย ใช้เวลาน้อยกว่าการผลิตด้วยวิธีอื่น ๆ

6.        หลีกเลี่ยงความจำเป็นที่ต้องใช้ช่างควบคุมที่มีทักษะและประสบการณ์สูง

7.        ช่างควบคุมเครื่องมีเวลาว่างจากการควบคุมเครื่อง สามารถที่จะจัดเตรียมงานอื่น ๆ ไว้ล่วงหน้าได้

8.        การตรวจสอบคุณภาพไม่จำเป็นต้องกระทำทุกขั้นตอนและทุกชิ้น

ส่วนข้อเสียของเครื่องจักรกลเอ็นซีและซีเอ็นซีมีดังนี้

1.        ราคาของเครื่องจักรค่อนข้างสูง

2.        การบำรุงรักษามีความซับซ้อนมาก

3.        จำเป็นต้องใช้ช่างเขียนโปรแกรม (Part Porgrammer) ที่มีทักษะสูงและฝึกอบรมมาโดยเฉพาะ

4.        ชิ้นส่วนหรืออะไหล่ที่ใช้ในการซ่อมบำรุง ไม่สามารถผลิตได้ในประเทศ จำเป็ต้องสั่งซิ้อหรือนำเข้ามาจากต่างประเทศ

5.        การซ่อมบำรุงจะต้องใช้ช่างที่มีประสบการณ์สูงและผ่านการฝึกอบรมมาโดยเฉพาะ

6.        ราคาของเครื่องมือต่าง ๆ ที่ใช้ในกระบวนการตัดเฉือน เช่น แกนเพลายึดมีดกัด มีดกลึงแบบใช้อินเสิร์ต (Insert) เป็นต้น มีราคาสูง

7.        พื้นที่ติดตั้งเครื่องจักร จะต้องควบคุมระดับอุณหภูมิ ความชื้น และฝุ่นละออง

           ข้อมูลเหล่านี้จำเป็นจะต้องพิจารณาอย่างรอบคอบก่อนที่จะพิจารณาจัดซื้อ ซึ่งสามารถสอบถามได้จากบริษัทผู้ผลิตหรือตัวแทนจำหน่ายได้โดยตรง