المعلومات الأساسية التي تحتاج إلى معرفتها قبل فهم أو تعلم البرمجة باستخدام الحاسب الآلي

قبل فهم أو تعلم البرمجة باستخدام الحاسب الآلي، يجب أن نوضح أولاً ما هي المعرفة التي نحتاج إلى إتقانها.

ما هي المهارات أو المعرفة التي يجب أن تحصل عليها قبل فهم أو تعلم البرمجة باستخدام الحاسب الآلي؟

1. Having a strong mechanical foundation and knowledge of part geometry and fixture design can be beneficial, as it provides a better understanding of machining processes and the components being programmed.

2. CNC programming encompasses both manual programming and Automatic programming. Manual programming often involves writing code directly, requiring a foundation in mathematics and a clear understanding of the Cartesian coordinate system and axis directions (X, Y, Z, and their negative counterparts). This knowledge is crucial for accurate programming.

3. While learning 2D quick drawing and CAD modeling (3D design) can help understand the visual aspects of CNC programming, it is not necessarily a prerequisite.

4. Having a passion for machinery and being interested in the performance and operation of specific machine brands (such as Mitsubishi, FANUC, Siemens, and Haas) can enhance motivation and engagement. However, hands-on machine operation is not strictly mandatory to begin learning CNC programming syntax.

5. يمكن أن توفر مراقبة التشغيل الفعلي لماكينات التحكم الرقمي باستخدام الحاسوب في الموقع، بما في ذلك جوانب مثل سرعة الأداة ومعدل التغذية وعمق القطع، رؤى قيمة ومعرفة عملية يمكن أن تعزز مهارات البرمجة باستخدام الحاسوب.

6. إن التعلم الدؤوب والتفكير النقدي وتدوين الملاحظات الدقيقة والتعلم من الأخطاء أمور ضرورية للتعلم الفعال وإتقان برمجة الحاسب الآلي أو أي مهارة.

ما الأدوات البرمجية المستخدمة في البرمجة باستخدام الحاسب الآلي الرقمي؟

البرمجة اليدوية والبرمجة الآلية في برمجة CNC

كما ذكرنا أعلاه، في برمجة الماكينات بنظام التحكم الرقمي، هناك طريقتان رئيسيتان لإنشاء البرامج: يدوي وآلي.

البرمجة اليدوية:

Manual programming involves directly writing the CNC program code using a text editor or specialized software. The programmer needs to understand the CNC machine’s capabilities, the G-code language (standardized under the RS-274 format ^[1]), and the specific syntax required by the machine controller.

تتضمن عملية البرمجة اليدوية عادةً ما يلي:

كتابة أسطر فردية من تعليمات الكود G لتحديد حركات الأداة، وسرعات عمود الدوران، ومعدلات التغذية، وغيرها من المعلمات.

حساب الإحداثيات الدقيقة لمسارات الأدوات بناءً على هندسة القِطع باستخدام الحسابات الرياضية وحساب المثلثات.

النظر في تغييرات الأداة، وإعداد الشُّغْلة، وإزاحات الأداة، وعوامل أخرى لضمان دقة وفعالية عمليات التصنيع الآلي.

تسمح البرمجة اليدوية بالتحكم الدقيق في عملية التصنيع الآلي، مما يتيح التخصيص والضبط الدقيق للرمز. وغالبًا ما تُستخدم في تطبيقات التشغيل الآلي المعقدة أو الفريدة من نوعها حيث قد لا تكون البرمجة الآلية مناسبة أو فعالة.

البرمجة التلقائية:

Automatic programming, universally known as Computer-Aided Manufacturing (CAM), involves using specialized software to automatically generate CNC programs. The software generates the program code by using inputs such as part geometry, tooling information, machining operations, and other parameters.

تتضمن عملية البرمجة التلقائية عادةً ما يلي:

استيراد أو إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد أو ملف CAD للجزء المراد تشكيله آليًا.

تحديد عمليات التشغيل الآلي والأدوات ومعلمات التشغيل الآلي داخل برنامج CAM.

يُنشئ البرنامج تلقائيًا كود برنامج ماكينة التحكم الرقمي CNC، بما في ذلك مسارات الأدوات والسرعات والتغذية والتعليمات الأخرى.

توفر البرمجة التلقائية العديد من المزايا، بما في ذلك زيادة الإنتاجية وتقليل وقت البرمجة والقدرة على محاكاة مسارات الأدوات وتحسينها قبل التصنيع الآلي. تُستخدم عادةً في الصناعات ذات الإنتاج بكميات كبيرة أو مهام التصنيع الآلي المتكررة.

لكل من البرمجة اليدوية والبرمجة الآلية مزاياها الخاصة. يتم استخدامها بناءً على المتطلبات المحددة للمشروع، ومدى تعقيد الجزء، وخبرة المبرمج، وعوامل أخرى. يستخدم العديد من مبرمجي الماكينات بنظام التحكم الرقمي تقنيات البرمجة اليدوية والآلية لتحقيق أفضل النتائج.

خطوات البرمجة باستخدام الحاسب الآلي الرقمي

سير عمل البرمجة اليدوية

1. تحليل رسم الجزء وتخطيط العملية: يتضمن ذلك تحليل رسم الجزء، وفهم الأبعاد والمتطلبات الفنية، وتحديد خطة المعالجة، وتسلسل العمليات, تصميم التركيبات إذا لزم الأمر، واختيار الأدوات المناسبة، وتخطيط مسار الأداة ومعلمات القطع.

2. Mathematical processing: A workpiece coordinate system is established based on the geometric characteristics of the part. The tool trajectory is calculated within this coordinate system, considering the starting and ending points of geometric elements, circular arc centers, and intersections or tangent points between geometric elements. For standard 2D profiles, basic trigonometry is applied to find intersection points. (Note: Calculating discrete points for complex 3D surfaces manually is practically obsolete today and is strictly handled by CAM software).

3. كتابة قائمة برنامج الجزء: تتم ترجمة مسار المعالجة المحدد ومعلمات المعالجة إلى كود أوامر نظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي وتنسيق مقطع البرنامج. تتم كتابة برنامج القطعة سطرًا بسطر، باتباع بناء الجملة البرمجية المحددة والاصطلاحات البرمجية.

4. Program input: While older generations used perforated paper tape, modern CNC machines primarily load programs via USB drives, Ethernet networks, Wi-Fi, or Direct Numerical Control (DNC) connections, using the machine’s MDI keyboard only for minor edits.

5. Program verification and the first test cut: The written program must be verified and tested before machining. Verification involves checking the machine’s motion trajectory by running the program without cutting the workpiece, a standard validation process commonly known as a “dry run” (air cutting). If the CNC machine has graphic display capabilities, simulation can be used to visualize the tool-cutting process. However, the first test cut on the actual workpiece is crucial to assess the accuracy of the machined parts and make necessary adjustments to cutting parameters and tool paths.

سير عمل البرمجة التلقائية

1. استيراد أو إنشاء نموذج CAD

الخطوة الأولى هي استيراد نموذج ثلاثي الأبعاد للجزء المراد تشكيله آليًا إلى برنامج CAM. يمكن استيراد النموذج ثلاثي الأبعاد من برنامج CAD أو إنشاؤه مباشرةً داخل برنامج CAM.

2. تعريف عمليات التصنيع الآلي

Next, the programmer defines the machining operations to be performed on the part. This includes specifying التفريز باستخدام الحاسب الآلي الرقمي operations such as roughing, finishing, drilling, contouring, and pocketing. Each operation has specific parameters such as tool selection, cutting speeds and feeds, cutting depths, stepovers, and allowances.

3. توليد مسار الأدوات

Based on the defined machining operations, the CAM software generates a toolpath representing the tool’s movement and machining strategy on the part’s surfaces. The toolpaths are calculated by considering factors such as the tool’s geometry, tool orientation, collision avoidance, and advanced kinematic optimization algorithms ^[2].

4. المحاكاة والتحقق

بمجرد إنشاء مسارات الأدوات، يمكن للمبرمج محاكاة عملية التشغيل الآلي داخل برنامج CAM. تسمح هذه المحاكاة بتصور حركة الأداة، واكتشاف أي تصادمات أو أخطاء محتملة، وضمان تحسين مسار الأداة وملاءمته للجزء.

5. المعالجة اللاحقة

بعد الانتهاء من مسار العِدَّة والتحقق منه، يقوم برنامج CAM بإجراء المعالجة اللاحقة. ويتضمن ذلك تحويل مسار العِدَّة إلى تعليمات الكود G الخاصة بالماكينة التي يمكن لماكينة التحكم الرقمي CNC فهمها. يقوم المعالج اللاحق بتكييف مخرجات الكود G لتتناسب مع متطلبات بناء الجملة والتنسيق الخاصة بوحدة التحكم في الماكينة بنظام التحكم الرقمي CNC المستهدفة.

6. التحويل إلى ماكينة CNC

يتم نقل برنامج G-code الذي تم إنشاؤه إلى ماكينة التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي من خلال اتصال مباشر أو وسائط تخزين خارجية مثل محركات أقراص USB أو عمليات نقل الشبكة. يتم تحميل البرنامج في وحدة تحكم الماكينة، ويكون جاهزًا للتنفيذ.

7. إعداد الماكينة وتنفيذها

يتم إعداد الماكينة قبل تشغيل برنامج الماكينة بنظام التحكم الرقمي باستخدام التَرْكِيبات المناسبة لحمل الشُّغْلَة وأدوات القطع ومحاذاة الشُّغْلَة. بمجرد وضع كل شيء في مكانه، يتم تنفيذ برنامج الماكينة بنظام التحكم الرقمي، وتنفذ الماكينة عمليات التشغيل الآلي المبرمجة على الشُّغْلَة.

رمز مختلف في برمجة CNC

رموز G (الرموز التحضيرية)

G-codes are used to define various preparatory functions and operations. These codes specify the tool’s movement, machining modes, coordinate systems and other parameters. Some common G-codes include G00 (rapid positioning), G01 (linear interpolation), G02/G03 (circular interpolation), G17/G18/G19 (plane selection), and G90/G91 (absolute/incremental positioning).

الرموز M (رموز متنوعة)

تُستخدم أكواد M للتحكم في وظائف الماكينات المتنوعة، مثل تشغيل عمود الدوران, سائل التبريد التشغيل/إيقاف التشغيل، وتغييرات الأدوات، وتوقف الماكينة. وهي تختلف حسب نوع الماكينة وطرازها. تتضمن أمثلة أكواد M M03/ M04 (تشغيل عمود الدوران في اتجاه عقارب الساعة/عكس اتجاه عقارب الساعة)، M05 (إيقاف عمود الدوران)، M06 (تغيير الأداة)، M08/M09 (تشغيل/إيقاف تشغيل سائل التبريد).

رموز T (اختيار الأداة)

تُستخدم أكواد T لتحديد رقم العِدَّة أو إزاحة العِدَّة التي سيتم استخدامها في التشغيل الآلي. تشير هذه الرموز إلى الأداة الموجودة في مخزن الأدوات أو حامل الأدوات التي يجب تشغيلها لعملية معينة. على سبيل المثال، يحدد T01 الأداة رقم 1، ويحدد T03 الأداة رقم 3، وهكذا.

رمز S-كود (سرعة عمود الدوران)

يُستخدم الكود S لتحديد سرعة عمود الدوران المطلوبة لعملية التشغيل الآلي. تمثل القيمة التي تلي الكود S سرعة عمود الدوران بوحدة RPM (دورة في الدقيقة). على سبيل المثال، S1000 يضبط S1000 سرعة عمود الدوران على 1000 دورة في الدقيقة.

رمز F-كود (معدل التغذية)

يُستخدم الكود F لتحديد معدل التغذية الذي تتحرك به الأداة على طول مسار الأداة المبرمج. تمثل القيمة التي تلي الكود F معدل التغذية بالوحدات في الدقيقة. على سبيل المثال، F200 تضبط F200 معدل التغذية على 200 وحدة في الدقيقة.

X، Y، Z، ورموز المحاور الأخرى

تحدد هذه الأكواد إحداثيات الأداة ومواضعها على طول محاور مختلفة. يمثل الرمز X الموضع على طول المحور X، ويمثل الرمز Y الموضع على طول المحور Y، ويمثل الرمز Z الموضع على طول المحور Z. يمكن استخدام أكواد محاور إضافية للماكينات ذات المحاور الأكثر، مثل A، B، C، إلخ.

رموز السكن

Dwell codes pause the machine at a specific location or duration. The dwell time is specified using the P-code, representing the dwell time in seconds. For example, G04 X2.0 (or G04 P2000, as the P-address typically uses milliseconds in standard Fanuc controls) would cause the machine to dwell for 2 seconds.

Among the different codes used in CNC programming, the G-code is the most commonly used. G-codes are fundamental to CNC programming as they define the machine’s movement (governed by ISO 6983 standards) and control various aspects of the machining process.

الكلمة الأخيرة

تنطوي البرمجة باستخدام الحاسب الآلي على العديد من الاعتبارات الحاسمة التي تستحق الاهتمام الدقيق. وإذا سنحت الفرصة، فإنني أعتزم تخصيص مقال في المستقبل لمناقشة الجوانب الرئيسية التي تتطلب الاهتمام في البرمجة باستخدام الحاسب الآلي بشكل شامل.

المرجع

[1] Kramer, T. R., Proctor, F. M., & Messina, E. R. (2000). The NIST RS274NGC Interpreter – Version 3. National Institute of Standards and Technology (NIST). https://doi.org/10.6028/NIST.IR.6556

[2] Altintas, Y. (2012). Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design (2nd ed.). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511843723