ทำความรู้จักกับ cnc เบื้องต้น

 ทำความรู้จักกับเครื่อง CNC ขนาดเล็ก

CNC ย่อมาจากคำว่า Computer Numerical Control หมายถึง การควบคุมการทำงานของเครื่องจักรด้วยคำสั่งเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์ ระบบคอมพิวเตอร์ และ ระบบอิเลคทรอนิกส์ จะทำการประมวลผล และ สั่งการเพื่อให้เครื่องจักรทำงาน หรือ เกิดการเคลื่อนที่จากชุดคำสั่งต่าง ๆ หรือ กระทำตามเงื่อนใขที่ถูกกำหนด

Mini CNC เป็นเครื่องจักรขนาดเล็กที่ถูกควบคุมการทำงานด้วยโปรแกรม CNC Controller เพื่อควบคุมการทำงานของมอเตอร์ในการขับแกนต่าง ๆ ให้เคลื่อนที่ได้ตามทิศทางที่ต้องการ


เครื่อง Mini CNC สามารถนำไปประยุกต์การใช้งานได้หลากหลาย เช่น กัด , แกะสลัก , เจาะ, ตัดแก๊ส , ตัดพลาสมา , LASER , เครื่อง 3D printer , Pick and Place Robot , เครื่อง Insert Electronics Component เป็นต้น

ภาพแสดงตัวอย่างของเครื่องกัดงาน mini cnc

ภาพแสดงตัวอย่างของเครื่องกัดงาน mini cnc

วัสดุที่นำมาใช้งานกับ Mini CNC เพื่อสร้างชิ้นงาน เช่น ไม้ , แผ่น Acrylic, พลาสติก, พลาสติกวิศวกรรม,ทองเหลือง และ อลูมิเนียม เป็นต้น ซึ่งชิ้นงานที่ได้จะเป็นงานในลักษณะ 2 มิติ หรือ 3มิติ แล้วแต่กำหนด. ขึ้นอยู่กับขนาด และความสามารถของเครื่อง ที่มีความหลากหลาย

หลักการทำงาน ของ CNC
การผลิตชิ้นงานจะถูกควบคุมการสั่งการด้วย Computer ประกอบด้วย ระยะของการเคลื่อนที่ต่างๆ หรือ อุปกรณ์อื่น เช่น หัวกัด Print head ใน 3d Printer ซึ่งจะถูกคำนวณ และ สั่งการจากชุดคอมพิวเตอร์ ตั้งแต่ขั้นต้นจนสิ้นสุดการทำงาน  โดยชุดควบคุมจะได้รับข้อมูลขั้นตอนการทำงาน และ การสั่งการ จากโปรแกรม ที่เราเรียกว่า NC Code หรือ G code (Link) ที่เรารู้จักกัน ซึ่งต้องวางแผนทุกขั้นตอนก่อนทุกครั้ง และ สร้างเป็นโปรแกรม เพื่อให้ชุดควบคุมทำงานได้สำเร็จ

สำหรับแกนหมุนจะมีตั้งแต่  2 แกน – 12แกน สามารถทำงานได้ 2 มิติ ,และ 3มิติ  โดยทั่วไปจะ สร้างโปรแกรมด้วยคอมพิวเตอร์ และ นำข้อมูลผ่าน Post processor จึงจะได้ NC-CODE มาใช้งาน

ตัวอย่าง G code สำหรับ CNC

%
G90
G49
M3 S100
G0 X-13.986 Y-0.077 Z3.847
G1   Z-2.015 F700
G1 X-13.924 Y-0.060 Z-1.994
X-13.674 Y0.009 Z-1.899
X-13.611 Y0.026
X-13.231 Y0.105 Z-1.729
X-13.166 Y0.114
X-12.565 Y0.187 Z-1.413
X-12.353 Y0.176 Z-1.291

Block Diagram แสดงโครงสร้างของ XYZ Machine

 CNC Controller มีหน้าที่ตีความ NC code ให้เป็นสัญญาณ ไฟฟ้าเพื่อควบคุมการหมุนของ Motor ที่มีทั้งตำแหน่ง ( Clock ) ทิศทาง( Direction ) และ ความเร็วของในแต่ละแกน

แผนภาพแสดงขั้นตอนการทำงานด้วยเครื่อง Mini CNC

จากผังการทำงานข้างต้น จะเห็นได้ว่า จะต้องมีการเรียนรู้ในส่วนต่างๆ ดังนี้

 1.1 2D CAD (computer Aided Design) เป็นการสร้าง ข้อมูลชนิดVector ที่มีทั้งขนาด และ ตำแหน่ง โดยส่วนใหญ่ โปรแกรมออกแบบ จาก Computer มีความสามารถสร้างข้อมูล Vector เหล่านี้ได้

ตัวอย่าง ข้อมูล Vector เช่น SVG ,DXF , DWG , HPGL , Gerber  ข้อมูลเหล่านี้ จะมี Coordinate ของ ตำแหน่งงาน ที่สามารถนำไปบอกตำแหน่งด้วย CNC ได้ แต่ยังไม่สามารถนำไปใช้ได้ เนื่องจาก ยังขาดคุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับ การทำงานกับ CNC เช่น ความเร็วในการเดิน ลำดับการทำงาน ก่อน-หลัง  ขนาดดอกกัดที่จะนำไปกัด  ดังนั้น จึงต้องกำหนดคุณสมบัติเหล่านี้เข้าไปในโปรเเกรม CAM ก่อน

ตัวอย่าง SVG Format

SVG(Scalable Vector Graphics) เป็นรูปแบบหนึ่งของกราฟิกที่ใช้แสดงผลบนหน้าเว็บ โดยกราฟิกแบบ SVG นี้มีลักษณะเด่นตรงที่เป็นกราฟิกแบบ Vector ไม่ว่าจะเป็นเส้นตรง เส้นโค้ง หรือรูปทรงต่างๆ ล้วนถูกสร้างขึ้นมาจากการคำนวณทางคณิตศาสตร์ ซึ่งจะต่างจากกราฟิกแบบ Raster(Bitmap) อย่าง JPG หรือ PNG ที่จะสร้างภาพขึ้นมาโดยอิงกับ pixels เรามักจะเห็นว่ากราฟิกแบบ Raster นี้ พอขยายใหญ่มากๆ แล้วภาพจะแตก แต่สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นกับกราฟิกแบบ Vector อย่าง SVG

ตัวอย่าง

 xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" version="1.1">

   width="150" height="150" fill="rgb(0, 255, 0)" stroke-width="1" stroke="rgb(0, 0, 0)" />

ตัวอย่าง DXF Format

รูปแบบ DXF ได้รับการพัฒนาเป็นรูปแบบสากลเพื่อให้เอกสาร AutoCAD สามารถเปิดได้ง่ายขึ้นด้วยโปรแกรมอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น Valve Hammer Editor สามารถส่งออกโมเดล 3 มิติเป็นไฟล์ DXF ซึ่งสามารถเปิดและแก้ไขได้ด้วยแอปพลิเคชันการสร้างแบบจำลอง 3 มิติอื่น ๆ

ตัวอย่าง DXF Format

  0
SECTION
  2
HEADER
  9
$ACADVER
  1
AC1009
  9                                                              
$INSBASE
 10
0.0
 20
0.0
 30
0.0
  9
$EXTMIN

1.2 3D CAD  เป็นการสร้าง ข้อมูลชนิด 3D ซึ่งมีหลาย Format  ที่มีทั้งขนาด  โปรแกรมออกแบบ จาก Computer มีความสามารถสร้างข้อมูล 3D สามารถดูได้จาก Link ตามนี้ https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_3D_modeling_software

ตำแหน่งงาน ที่สามารถนำไปบอกตำแหน่งด้วย CNC ได้ แต่ยังไม่สามารถนำไปใช้ได้ เนื่องจาก ยังขาดคุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับ การทำงานกับ CNC เช่น ความเร็วในการเดิน ลำดับการทำงาน ก่อน-หลัง  ขนาดดอกกัดที่จะนำไปกัด  ดังนั้น จึงต้องกำหนดคุณสมบัติเหล่านี้เข้าไปในโปรเเกรม CAM ก่อน

2. CAM (Computer Aid Manufacturing) โปรแกรม Cam มีหน้าที่ ปรับแต่ง CAD ให้ เหมาะสมกับงาน 

หน้าที่หลัก ของ CAM คือ 

1.กำหนดความเร็ว ทิศทางการกัดงาน อัตราป้อน 

2.วิธีการกัดงาน ลำดับการทำงาน ชนิดดอกกัด 

โดย แปลความเป็นรหัสสำหรับการควบคุม CNC ที่เราเรียกว่า NC Code ส่วนมากมักใช้ มาตรฐานคือ G code ที่กำหนดโดย ISO แต่ส่วนใหญ่แล้วมาตรฐาน G Code มีหลากหลาย ให้เหมาะสมกับการใช้งาน ดังนั้นผู้ผลิต หรือ สร้าง CNC controller จะมีมาตรฐานเพิ่มเติม ซึ่งเรียนรู้ ได้จากเอกสารแนะนำ cnc controller ของแต่ละราย.

ฟังก์ชันมาตรฐานสำหรับงานกัดอัตโนมัติเบื้องต้นได้แก่

         1. กัดกลางเส้น     (Along)

         2. กัดนอกเส้น      (Outside)

         3. กัดในเส้น         (Inside)

         4. เจาะรู              (Drilling) 

         5. การเดินปรับผิว หรือการขุด (Area clearance)

3. CNC controller  มีหน้าที่ แปลความ NC Code ให้เป็นการเคลื่อนที่ในแนวแกน ต่าง ๆ  ส่วนมากคุ้นเคยในแนวแกน  X Y Z   CNC  controller มีให้เลือกใช้มากมาย ตามความเหมาะสม ปัจจุบันมี 2 กลุ่ม คือ

3.1 PC BASE CNC controller ประเภทนี้ จะทำการประมวลผล NC Code และทำการส่งค่าควบคุมออกทาง PORT ที่ เป็น I/O PORT ต่าง ๆ เช่น ISA bus PCI Bus หรือ Parallel Port    ตัวอย่างเช่น โปรแกรม EMC (Linux Cnc) , Mach3 , Kcam ,Turbo cnc

3.2 Embedded Base Cnc controller ประเภทนี้ถูกพัฒนา มาให้เหมาะสมกับการทำงานของเครื่องจักรเนื่องจากความสะดวก และ มี Reliability ที่สูงกว่า PC Base ดังนั้น การส่งข้อมูล สำหรับการประมวลผล จำเป็นต้องใช้ ช่องสื่อสาร ต่างๆ เช่น RS232,USB,Ethernet สำหรับ การส่งข้อมูลควบคุม  เช่น โปรแกรม
GRBL (AVR Base) , Tiny G (Arm Base)

โปรแกรม CNC Controller จะถูกออกแบบ ฟังก์ชันการทำงานต่างๆได้ดังนี้

    เครื่อง Mini CNCทำงาน โดยจะมีการทำงานของโปรแกรมมี 3 Mode ให้เลือกใช้งานได้ตามความต้องการ มีดังนี้

     AUTO MODE  คือ การเรียกไฟล์มา run ตามต้องการ   

     MANUAL MODE หรือ JOG MODE   สั่งเครื่องเดินโดย Key board หรือ Hand wheel

     MDI Mode (Manual Data Input Mode) เป็น  MODE ที่สั่งให้เครื่องเดินตามที่ต้องการ โดยกำหนดระยะการเคลื่อนที่ของแกน X.Y และ Z เครื่องเดินทีละแกนตามแกนที่ป้อนข้อมูลให้

จากข้างต้น จะเห็นว่าการทำงานของโปรแกรมกล่าวเป็นขั้นตอนได้ดังนี้

1.  INPUT           เป็นการสร้างข้อมูลในFormatไฟล์ต่างๆ  

2. Processing  ไฟล์จะอยู่ใน Format ที่สามารถแปลงข้อมูล ผ่านโปรแกรม CAM โดย CAM Software แปลงข้อมูลให้อยู่ในรูปของรหัส G-Code ซึ่งใน CAM Software จะมีโปรแกรมส่วนที่เป็นPost Processor ทำการแปลงแบบ หรือ ทางเดินเป็นรหัส G Code เป็นรหัสคำสั่งควบคุมการทำงานของเครื่องจักร

3. OUTPUT  จาก G Code ใช้ โปรแกรม CNC Controller สั่งให้เครื่องจักรกลทำงานตามทิศทางและตำแหน่งที่ต้องการ

โปรแกรมรหัสที่ใช้ในการควบคุมการทำงานของเครื่อง CNC

การใช้งานเครื่องจักรกล CNC จะอ่านรหัส หรือ ภาษาเช่นเดียวกับภาษาที่ใช้ในการควบคุมการทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์ รหัสที่นิยมใช้คือ รหัส-จี หรือ G-code ซึ่งเครื่องจักรกลประเภท CNC ส่วนใหญ่จะใช้ภาษาหรือรหัส-จีเป็นมาตรฐานในการควบคุมการทำงาน

รูปแบบคำสั่งของ รหัส G ประกอบด้วยชุดคำสั่งในแต่ละบรรทัด ซึ่งเรียกว่าชุดคำสั่ง หรือ Command 

ในชุดคำสั่งนี้จะประกอบด้วยคำสั่งย่อยที่เรียกว่า Word คำสั่งย่อยนี้จะขึ้นต้นด้วยตัวอักษร เช่น

N (คำสั่งเลขที่),   G (คำสั่งรหัส-จี, M (คำสั่งรหัสเอ็ม), H(การชดเชยความยาวของหัวกัด), F (อัตราป้อน),  S (ความเร็วในการหมุนของหัวกัด) เป็นต้น 

รหัส G

รหัส G เป็นฟังก์ชันที่ใช้ในการเปลี่ยนแปลงการทำงานควบคุมเครื่องจักรให้เปลี่ยนจากความเร็วการป้อนปกติเป็นความเร็วสูง หรือควบคุมการทำงานจากการหมุนตามเข็มให้หมุนกลับทางคือทวนเข็มและอื่น ๆ

รหัส G ใช้เพื่อควบคุมชนิดการทำงานต่าง ๆ ของเครื่องจักร สังเกตว่ารหัส G มี 2 ชนิดก็คือ Modal และ Non Modal รหัส Modal G เป็นรหัสที่ค้างอยู่ในหน่วยความจำจนกระทั่งรหัส G ของกลุ่มเดียวกันไปสั่งยกเลิกการทำงานของมัน ส่วนรหัส Non Modal G เป็นรหัสอันเดียวกันที่ใช้เฉพาะบรรทัดเดียวที่มีรหัสนี้อยู่ รหัส G จะอธิบายตามรายการที่มีอยู่ในตาราง ซึ่งจะใช้มากเวลาโปรแกรม

ตัวอย่าง รหัส G และ ความหมาย

รหัส        ฟังก์ชันเตรียมการทำงาน

G00       การเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งด้วยความเร็วสูงสุดของเครื่อง

G01       การเคลื่อนในแนวตรงโดยมีอัตราป้อน

G02       การเคลื่อนที่เป็นแนวโค้งและมีการป้อนตามเข็มนาฬิกา

G03       การเคลื่อนที่เป็นแนวโค้งและมีการป้อนทวนนาฬิกา

G17       การเลือกระนาบ XY  

G18       การเลือกระนาบ ZX

G19       การเลือกระนาบ YZ

G76-79 ไม่มีการกำหนดไว้

G80       ยกเลิกการทำไซเกิล

G81       เจาะไซเกิล

G82       เจาะไซเกิลมีดเวลล์ (เจาะลงแล้วมีการค้างตามเวลาที่กำหนด)

G83       เจาะไซเกิลรูลึก

G84       การต๊าปเกลียวแบบไซเกิล

G86       การคว้านรูแบบไซเกิล (feed down, spindle stop) ป้อนเจาะลง , หัวจับหยุด

G89       การคว้านรู : ป้อนเข้า , ค้าง , ป้อนออก (feed in, dwell, feed out)  

G90       การให้ตำแหน่งในแบบสัมบูรณ์ 

G91       การให้ตำแหน่งแบบอินครีเมนทอลหรือเเบบต่อเนื่อง  

G92       การตั้งค่ารีจีสเตอร์หรือตั้งค่าซีโร่ชิฟต์  

รหัส X, Y และ Z

รหัส X, Y และ Z เป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น เพื่อควบคุมเครื่องจักรให้เคลื่อนที่ในเชิงเส้น ตัวอย่างเช่น เคลื่อนไปทางขวาหรือมาทางซ้าย เวลาโปรแกรมก็เป็นการโปรแกรมลงในค่าของแกน X ส่วนการโปรแกรมให้เคลื่อนที่ไปด้านหน้าและด้านหลังนั้นเป็นการโปรแกรมในค่าของแกน Y  ส่วนการเคลื่อนที่ของหัวจับแกนขึ้นหรือลงก็จะใช้ค่าในแนวแกน Z

ในการควบคุมการเคลื่อนที่ในแต่ละแกนจะมีทั้งค่าบวกและลบ ขึ้นอยู่กับทิศทางของการเคลื่อนที่ โดยเครื่องหมายบวกไม่ต้องพิมพ์สามารถตัดออกได้

รหัส I, J และ K

รหัส I, J และ K เป็นรหัสที่กำหนดการอินเตอร์โพเลชันเมื่อ X, Y และ Z กำหนดไว้แล้วค่า I, J และ K ก็จะโปรแกรมลงไปตามหลัง โดยที่ค่า X, Y และ Z จะถูกป้อน เมื่อมีการใช้ค่ารัศมีในการโปรแกรม

รหัส S

รหัส S เป็นรหัสที่ใช้เมื่อมีการกำหนดความเร็วของหัวกัด

มีหน่วยเป็นรอบ/นาที (r.p.m)

            ตัวอย่างเช่น  

           N1   M3 S800

รหัส F

รหัส F ใช้ในการควบคุมอัตราป้อน (feed) มีหน่วยเป็น mm/min

ตัวอย่างเช่น

N2  G01  X-5  Y30  Z-5  F500

รหัส M

รหัสอักษร M คือคำสั่งการทำงานเสริมหรือคำสั่งช่วยงานโดยจะทำงานควบคู่กับรหัสคำสั่ง G

        ยกตัวอย่างเช่น

N3  M3  S800

รหัส ฟังก์ชันเบ็ตเตล็ด

M00    หยุดโปรแกรม

M01    ออปชันเนลสต็อป

M02    จบโปรแกรม

M03   เปิด spindle

M05    ปิด spindle

M06    เปลี่ยนเครื่องมือ

M07    เปิดน้ำหล่อเย็น (เปิดมาก)

M08    เปิดน้ำหล่อเย็น (เปิดน้อย)

M09    ปิดน้ำหล่อเย็น

รหัส D และ H

รหัส D และ H เป็นรหัสที่ใช้เพื่อทำการตั้งความยาวของเครื่องมือ ทำให้ผู้โปรแกรม ใช้เครื่องมือ ทุกตัวโดยคิดว่าเครื่องมือยาวเท่ากันทั้งหมด เมื่อโปรแกรมใช้เครื่องมือใหม่ ก็จะใช้ค่าในระนาบของแกน Z สำหรับตั้งค่าความยาวของเครื่องมือ

ตัวอย่าง อธิบายการทำงาน

G00 : หมายถึง การเคลื่อนที่แนวเส้นตรงแบบเคลื่อนที่เร็ว 

( Positioning ) เป็นการเคลื่อนที่ของหัวกัดโดยไม่มีการกัดเกิดขึ้น ดอกกัด  ไม่สัมผัสกับชิ้นงาน  การทำงานจะมีการปรับค่าตำแหน่งแกน X แกนY แกน Z โดยความเร็วในการเคลื่อนที่จะใช้ความเร็วสูงสุดที่โปแกรมสามารถสั่งชุดขับเคลื่อนได้ โดยไม่ต้องใส่ค่าอัตราป้อน ( Feed Rate )

ตัวอย่างการป้อนคำสั่ง G00

N5 :  G0  X0  Y0  Z0

G01 : หมายถึงการเคลื่อนที่แนวเส้นตรง ( Linear Interpolation ) โดย จะมีการปรับค่าตำแหน่ง แกน X แกน Y แกน Z และค่าอัตราป้อนเสมอ

ตัวอย่างการป้อนคำสั่ง G01

N10: G01  X10  Y50  Z-2  F500

G02 : หมายถึงการเคลื่อนที่แนวส่วนเส้นโค้งตามเข็มนาฬิกา ( Circular Interpolation CW

( clockwise) ) 

ยกตัวอย่างเช่น

N30 :  X15  Y30  Z-2  R5

G03 : หมายถึงการเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งทวนเข็มนาฬิกา (Circular Interpolation CCW (counterclockwise) รับข้อมูลและทำงานเหมือน G02 แต่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามกับ G02

G90 : หมายถึงการกำหนดขนาดแบบสัมบูรณ์ (Absolute Programming Selected) เป็นการเปลี่ยนโหมดการทำงานให้กำหนดการเคลื่อนที่โดยอ้างอิงจากจุดอ้างอิงเพียงจุดเดียวตลอด สามารถเปลี่ยนโหมดกลับไปมาระหว่าง G90 และ G91 ได้ใน 1 โปรแกรม

G91 : หมายถึง การเคลื่อนที่แบบต่อเนื่อง (Incremental Programming Selected) เป็นการเปลี่ยนโหมดการทำงานให้กำหนดการเคลื่อนที่แบบต่อเนื่องโดยเปลี่ยนจุดเริ่มต้นไปเรื่อยๆ

M30 : สิ้นสุดการทำงาน (End of Program) ใช้ในการจบโปรแกรมการทำงาน 

เครื่องกัด Mini CNC  ทำอะไรได้บ้าง

 กัดป้ายชื่อ, กัดงาน Acrylic

                    

 

 กัดงานไม้  2D และ 3D

3. กัดงานอลูมิเนียม,งานทองเหลือง

4. งานกัดเหล็กสำหรับเครื่องกัด Mini CNC ที่มีโครงสร้างเครื่องที่เเข็งเเรง

เเละนอกจากนี้แล้ว ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานเลเซอร์   พลาสมา เเละ อื่นๆอีกมาก

สรุปขั้นตอนการทำงานของเครื่องกัด Mini CNC

1. ออกแบบงานด้วยโปรแกรมออกแบบ (CAD) เช่น Inkscape , Free CAD , EDA (Electronics Design Age) Autocad , หรือ โปรแกรมอื่น ๆ ซึ่งคุณสามารถเรียนรู้ เพิ่มเติมได้จากที่นี่

2. กำหนดการกัดงาน และ ขั้นตอนการกัดงาน รวมถึงวิธีการกัดงาน รูปแบบการกัดงาน ลำดับการกัดงาน การกำหนดชนิดของดอกกัด ความเร็วที่เหมาะสมในการกัดงาน ด้วยโปรแกรม CAM เช่น PYCAM ,Cambam, Artcam , Mastercam ,VisualMill สำหรับงานกัด 

3. สร้าง รหัสการกัดงาน ที่เรามักจะเรียกกันว่า G Code หรือ NC Code เพื่อนำไปใช้กัดงานโดย โปรแกรมตัวควบคุมเครื่อง CNC เช่น Linuxcnc , Kcam , Mach3 , PCCNC , หรือ ตัวควบคุมอื่น ซึ่งปัจจุบันมีให้เลือกเป็นจำนวนมาก

4.ใช้ ระหัส G ที่ได้ไปใช้งานกับเครื่อง CNC ต่อไป

 แหล่งอ้างอิง :  http://panmaneecnc.blogspot.com/2015/10/cnc.html

 

หากมีข้อผิดพลาดประการใด ขออภัยมา ณ ที่นี้