การควบคุมระบบ CNC คือ เครื่องมือการผลิตและระบบอัตโนมัติที่ใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมเพื่อสร้างรูปร่างวัสดุด้วยความแม่นยำและประสิทธิภาพสูง
1. อะไรคือระบบ CNC (Computer Numerical Control)
Computer Numerical Control (CNC) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมเครื่องจักรในกระบวนการผลิต โดยสรุปวิธีการใช้เทคโนโลยีขั้นสูงในการควบคุมการเคลื่อนไหวของเครื่องมือและเครื่องจักรในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น งานโลหะ งานไม้ รวมถึงการการพิมพ์ 3 มิติให้เป็นอัตโนมัติและแม่นยำ
ในการผลิตแบบดั้งเดิม การใช้เครื่องจักรกลโรงงาน จำพวกเครื่องกลึง ไส กัด เจาะ ผู้ปฏิบัติงานที่มีทักษะทำงานด้วยตนเองเพื่อสร้างชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์ แต่ในระบบ CNC ก้าวไปอีกขั้น จะเป็นการใช้การเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อแนะนำเครื่องมือเหล่านี้ด้วยความแม่นยำเป็นพิเศษ โดยเครื่อง CNC จะทำงานตามชุดคำสั่ง โดยการเขียนด้วยภาษาที่เรียกว่า G-Code ซึ่งจะบอกเครื่องจักรถึงวิธีการเคลื่อนย้ายเครื่องมือ ความเร็วในการทำงาน และตำแหน่งที่จะตัด
โดยการทำงาน เพียงแค่ป้อนแบบของชิ้นงานที่เราต้องการลงในคอมพิวเตอร์ จากนั้นเครื่อง CNC จะอ่านการออกแบบและปฏิบัติตามคำแนะนำเพื่อแกะสลักรูปร่าง (กลึง ไส ตัด เจาะ) ด้วยกระบวนการทางเครื่องผลิตที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งสามารถสร้างรูปร่างที่ซับซ้อนได้โดยอัตโนมัติซ้ำ ๆ กัน โดยไม่ต้องการคนทำงานเลย
ระบบ CNC ทำงานในระบบ Closed Loop มีการตรวจสอบ และปรับกระบวนการตัดเฉือน (Manufacturing Process) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความถูกต้องแม่นยำ โดยการแก้ไขความเบี่ยงเบนได้แบบเรียลไทม์ ด้วยระบบ CNC แบบ Closed Loop จะทำให้เครื่องจักร CNC มีความแม่นยำที่สูงมาก โดยค่าพิกัดงานวัดจะวัดเป็นหน่วยไมโครมิเตอร์
เทคโนโลยี CNC ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยที่คนไม่จำเป็นต้องไปทำงาน และสามารถลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากความเหนื่อยล้าของมนุษย์ได้ โดยเครื่อง CNC จะมีความแม่นยำในระดับที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรมที่ต้องการส่วนประกอบคุณภาพสูง เช่น การบินและอวกาศ ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่ต้องการความเที่ยงตรงสูงหรือในอุปกรณ์ทางการแพทย์
2. ประวัติของเครื่อง CNC
โดยจุดกำเนิดของ CNC มีมาตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1940 และต้นทศวรรษ 1950 วิศวกรเริ่มสำรวจวิธีทำให้การทำงานของเครื่องมือกลเป็นแบบอัตโนมัติ ขั้นตอนแรกเกี่ยวข้องกับการใช้เทปกระดาษเจาะเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของเครื่องจักร ถือเป็นจุดเริ่มต้นการเปลี่ยนผ่านจากกระบวนการแบบแมนนวล (Manual) ให้ไปเป็นแบบกึ่งอัตโนมัติ (Semi-Automatic)
อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าที่แท้จริงเกิดขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1950 เมื่อ John T. Parsons และทีมงานของเขาที่ Massachusetts Institute of Technology (MIT) พัฒนาวิธีการควบคุมเครื่องมือกลโดยใช้ข้อมูลดิจิทัล นวัตกรรมนี้วางรากฐานสำหรับเทคโนโลยี CNC สมัยใหม่
ในช่วงทศวรรษที่ 1960 ได้มีการนำเครื่องจักร CNC ไปสู่เชิงพาณิชย์ ระบบ CNC ในยุคแรก ๆ จะมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง โดยส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินอวกาศและยานยนต์เพื่อความแม่นยำและมีประสิทธิภาพ ในช่วงทศวรรษ 1970 ความก้าวหน้าของไมโครโปรเซสเซอร์และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ได้นำไปสู่เครื่องจักร CNC ที่มีขนาดกะทัดรัดและราคาไม่แพงมากขึ้น ทำให้สามารถเข้าถึงอุตสาหกรรมต่าง ๆ ในวงกว้างได้
ทศวรรษที่ 1980 ถือเป็นจุดสำคัญเนื่องจากซอฟต์แวร์ CAD และ CAM เริ่มรวมเข้ากับระบบ CNC ทำให้การออกแบบสามารถสร้างแบบจำลองดิจิทัลและแปลงเป็นคำสั่ง CNC ได้โดยตรง ซึ่งทำให้กระบวนการออกแบบไปจนถึงการผลิตมีความคล่องตัวสูงมาก
ในช่วงปี 1990 และต้นทศวรรษ 2000 มีการปรับปรุงเพิ่มเติม รวมถึงการปรับปรุงภาษาการเขียนโปรแกรมและความสามารถแบบหลายแกน เครื่องจักร CNC มีความสามารถในการทำงานที่ซับซ้อน เช่น การกัด การกลึง การเจาะ โดยได้รับคำแนะนำจากคำสั่ง G-Code ที่ซับซ้อนอีกด้วย
ประวัติความเป็นมาของการดำเนินงาน CNC แสดงให้เห็นวิถีแห่งความฉลาดและความก้าวหน้า โดยมีการพัฒนาจากระบบอัตโนมัติขั้นพื้นฐานไปสู่ส่วนสำคัญของการผลิตสมัยใหม่ การกำหนดรูปแบบอุตสาหกรรม และช่วยให้สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนและแม่นยำได้อย่างมีประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอ
3. เครื่องจักร CNC ทำงานอย่างไร ?
ในระบบ CNC จะใช้ซอฟต์แวร์ CAD เพื่อออกแบบชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์แบบดิจิทัลก่อน ซอฟต์แวร์นี้สร้างพิมพ์เขียวที่มีรายละเอียด รวมถึงขนาดและรูปร่างที่ซับซ้อน การออกแบบดิจิทัลเหล่านี้จะถูกแปลเป็นคำสั่งที่เครื่องอ่านได้ ซึ่งเรียกว่า G-Code ซึ่งกำหนดการเคลื่อนไหวและการทำงานของเครื่องจักร CNC
เราจะมาวิเคราะห์กระบวนการข้างต้นทีละขั้นตอน โดยใช้ตัวอย่างของเครื่องจักร CNC เพื่อให้เข้าใจได้ชัดเจนยิ่งขึ้น
1. การออกแบบชิ้นส่วน (Designing the Part)
ขั้นแรก ต้องออกแบบชิ้นงาน โดยการสร้างด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เช่น ซอฟต์แวร์วาดภาพ CAD หรือ CAM
2. การเขียนโค้ด (Writing Instructions, G-Code)
โปรแกรมคอมพิวเตอร์จะแปลการออกแบบชุดคำสั่งพิเศษที่เรียกว่า G-Code คำแนะนำเหล่านี้จะบอกเครื่อง CNC อย่างชัดเจนถึงวิธีการเคลื่อนย้ายและสิ่งที่เครื่อง CNC ต้องทำ
3. การตั้งค่าเครื่องจักร (Setting Up the Machine)
การตั้งค่าเครื่องจักรสำหรับการโหลดแบบของชิ้นงานวัสดุ เช่น โลหะหรือพลาสติกลงในเครื่อง CNC โดยการติดเครื่องมือตัดเข้ากับแขนของเครื่องจักร
4. การรันโปรแกรม (Running the Program)
เมื่อเริ่มต้นสตาร์ทเครื่อง CNC และป้อนคำสั่ง G-Code เครื่องอ่าน จะเป็นการเริ่มต้นการเคลื่อนย้ายเครื่องมือตัดอย่างแม่นยำตามรหัส
5. การตัดเฉือน และผลิตชิ้นงาน (Making the Cuts)
เครื่องมือตัด (Cutting Tools) จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ วัสดุบางส่วนเพื่อตัดและสร้างรูปร่างของชิ้นงานได้อย่างแม่นยำใน G-Code จะกำหนดตารางเลื่อนจากด้านหนึ่งไปอีกด้านขึ้นและลง และมีระบบควบคุมเพื่อสร้างรูปทรงต่าง ๆ
6. ความเที่ยงตรงและความแม่นยำ (Precision and Accuracy)
เครื่อง CNC มีความแม่นยำที่สูงมาก และสามารถตัดขนาดที่เล็กกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์ได้ ความแม่นยำนี้วัดค่าเป็นหน่วยต่าง ๆ เช่น ไมโครเมตร (µm) หรือหนึ่งในพันของนิ้ว (mil) ได้เลยทีเดียว
7. กระบวนการอัตโนมัติ (Automated Process)
เมื่อตั้งค่าโปรแกรมแล้ว เครื่อง CNC สามารถทำซ้ำขั้นตอนเดียวกันได้อย่างต่อเนื่อง โดยสร้างชิ้นส่วนที่เหมือนกัน สิ่งนี้มีประโยชน์ในการทำชิ้นส่วนหลายชิ้นที่ต้องเหมือนกัน
8. รูปทรงที่ซับซ้อน (Complex Shapes)
เครื่อง CNC สามารถสร้างรูปทรงที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างด้วยมือ นี่คือสาเหตุว่าทำไมเครื่องจักร CNC จึงถูกนำมาใช้ทำสิ่งต่าง ๆ ที่มีความซับซ้อนได้อย่างมากมาย เช่น ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ของรถยนต์ หรือของตกแต่งที่เป็นโลหะอย่างละเอียด
9. จบชิ้นงานและได้ผลิตภัณฑ์ (Finished Product)
หลังจากที่เครื่อง CNC ทำงานเสร็จแล้ว เราก็จะได้ชิ้นส่วนที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว ซึ่งจะตรงตาม CAD/CAM ที่ออกแบบไว้นั่นเอง
