على الرغم من أن تشغيل ماكينات CNC للقطع والتفريغ يتطلب منحنى تعليمي أكثر صعوبة مقارنة بطرق التصنيع الأخرى، إلا أن الطلاب من خلال الدروس التمهيدية المنظمة وتوافر العديد من الموارد يمكنهم تعلم كيفية تصنيع قطعهم الخاصة باستخدام ماكينات CNC، ومن المؤمّل أيضًا أن يدركوا أن الطباعة ثلاثية الأبعاد ليست الحل الوحيد لكل التحديات.
وبشكل عام فهدف هذا الدرس هو تزويد المعلمين والطلاب بالأدوات اللازمة لإنشاء مسارات أدوات ثنائية الأبعاد باستخدام برنامج Fusion 360 للتصنيع المدعوم بالحاسوب (CAM)، وتعليمهم الاعتبارات الأساسية عند تصميم القطع لتشغيل ماكينات CNC للقطع أو الطحن.
والطريقة التي أتعلم بها عادةً مع الطلاب في الفصل هي إعطاؤهم عدة مشاريع منظمة بشكل دقيق "مثل الأكواب" باستخدام معدات التصنيع قبل أن يقوموا بصناعة شيء من تصميمهم الخاص، وماكينات CNC للقطع والطحن بشكل خاص قد تكون معقدة جدًا، لأنها تحمل تكلفة أعلى للفشل مقارنة بالطابعة ثلاثية الأبعاد أو آلة القطع بالليزر.
فقد يؤدي الخطأ إلى تلف مكلف أو حتى إلحاق الضرر بالمستخدم، ومع ذلك يجب ألا يمنع هذا الطلاب أو المعلمين من استخدام هذه الآلة لأنها أداة مذهلة، وأوصي باستخدام أدوات أرخص "عند الإمكان" في مشاريع الطلاب، وقضاء وقت إضافي للتحقق المزدوج من مسارات الأدوات، وتوفير تعليم فردي لعملية تشغيل الآلات، والبقاء حاضرين ومراقبين عندما يقوم الطلاب بتشغيلها لأول مرة بأنفسهم.
هذا المشروع مناسب بشكل أفضل للمساحات التي تتوفر فيها إمكانية الوصول إلى ماكينة CNC للقطع أو الطحن، وأنا لقد استخدمت برنامج Fusion 360 CAM مع عدد من الآلات، بما في ذلك ماكينات التقطيع Shopbot، وماكينات الطحن Roland، وماكينات CNC المعدنية Tormach.
أفضل أن أبدأ مع الطلاب باستخدام آلات تعمل مع مواد أكثر ليونة مثل الخشب أو البلاستيك، مثل ماكينات Shopbot أو Roland، وذلك لمساعدتهم على فهم أساسيات تشغيل CNC قبل الانتقال إلى ماكينات CNC المخصصة للمعادن.
كلمة CAM هي اختصار لعبارة Computer Aided Manufacturing، أي "التصنيع المدعوم بالحاسوب"، وهو البرنامج الذي يُستخدم لتحويل النموذج الثلاثي الأبعاد أو الشبكة الرقمية إلى مسار للأداة أو إلى تعليمات G-code يمكن لآلة CNC "التحكم الرقمي بالحاسوب" قراءتها وتنفيذها.
حتى برامج تقسيم النماذج للطابعات ثلاثية الأبعاد تُعتبر برامج CAM، لأنها تقوم بتحويل ملف STL إلى تعليمات G-code تُوجه الطابعة إلى كيفية تحريك الفوهة، والسرعة المطلوبة، وتوقيت إخراج المادة.
توجد أنواع متعددة من برامج CAM الخاصة بعمليات مثل الطحن أو الخراطة باستخدام CNC، حيث تقوم هذه البرامج بإعطاء التعليمات للآلة حول كيفية ومكان وسرعة تحريك الأداة لإزالة المادة.
ومع ذلك، غالبًا ما يكون تعلم استخدام برامج CAM الخاصة بالتصنيع الطرحي أكثر صعوبة مقارنة ببرامج تقسيم الطباعة ثلاثية الأبعاد، وذلك بسبب تنوع الأدوات والمواد المستخدمة بشكل أكبر في عمليات التصنيع الطرحي.
وبشكل عام تأتي العديد من الآلات مزودة ببرامج CAM خاصة بها وقد تكون أسهل في الاستخدام، ومع ذلك يقدم برنامج Fusion 360 CAM مزايا مهمة تجعله يستحق الجهد الإضافي المطلوب لتعلمه، ومن بين هذه المزايا:
حيث أن Fusion 360 CAM متاح مجانًا للطلاب والمستخدمين الأكاديميين، بينما قد تكون بعض البرامج الأخرى غير مجانية أو قد تعمل فقط على أنظمة تشغيل محدودة، ويمكن لمستخدمي Fusion 360 CAM الوصول إليه عبر أنظمة تشغيل متعددة، مما يتيح مرونة أكبر في العمل على أجهزة متنوعة.
CAD هو اختصار لـ Computer Aided Design أو التصميم المدعوم بالحاسوب، أو ما يُعرف أيضًا بالنمذجة ثلاثية الأبعاد، وهذا ما يُعرف به برنامج Fusion 360 بشكل رئيسي.
نظرًا لأن كل من CAD و CAM موجودان في نفس البرنامج، يمكنك إجراء تغيير على بعد واحد فقط في تصميم CAD، وعليك ببساطة إعادة توليد مسار الأداة لتطبيق هذا التغيير، أما إذا كانا في برنامجين مختلفين، فستحتاج إلى تصدير واستيراد الملفات مرة أخرى، واختيار جميع الإعدادات من جديد، مما قد يكون مرهقًا.
على الرغم من أن كثرة الخيارات قد تكون مربكة في البداية، إلا أنك ستحصل على قدر أكبر من التحكم في كيفية قطع الجزء الذي تصممه، ويُعد هذا التعمق خطوة أولى ممتازة نحو الانتقال إلى مجال تشغيل ماكينات CNC للمعادن، والذي غالبًا ما يعتمد على برامج CAM متقدمة ومعقدة مثل Fusion 360 أو Mastercam.
قد يبدو الاسم محيرًا لكن يمكنك إنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد باستخدام مسارات أدوات ثنائية الأبعاد فقط، فـ كل ما يعنيه المصطلح هو أن المسارات التي ستتبعها الأداة محددة في بعدين، وهذا الدليل لن يتطرق إلى مسارات الأدوات ثلاثية الأبعاد، مثل نحت زهرة بارزة من قطعة خشب.
الأجزاء المختلفة من برنامج Fusion 360 CAM التي سنغطيها في هذا الدليل تشمل:
مكتبات الأدوات تُعد من الميزات الرائعة في برنامج Fusion 360، حيث تتيح للمستخدمين إنشاء إعدادات مسبقة لأدوات معينة وحفظها لاستخدامها لاحقًا في ملفات مختلفة، ومن بين المزايا المهمة لهذه الخاصية بالنسبة للمدرسين هي إمكانية مشاركة مكتبة الأدوات مع الطلاب، بحيث تحتوي على جميع بيانات السرعات ومعدلات التغذية الخاصة بالأدوات الفعلية المتوفرة في المعمل أو ورشة العمل؛ وهذا يقلل بشكل كبير من احتمالية وقوع الأخطاء من قِبل الطلاب أثناء إعداداتهم للمشاريع.
لن أتطرق كثيرًا إلى كيفية إنشاء مكتبة أدوات بالأمر بسيط للغاية، ولكن اختيار السرعات ومعدلات التغذية الصحيحة قد يكون أمرًا معقدًا ويتطلب الكثير من الحسابات لضمان الدقة التامة، والميزة الكبرى عند العمل مع المواد اللينة "مثل الخشب والبلاستيك" في بيئة غير إنتاجية هي أنك لست بحاجة لأن تكون دقيقًا جدًا، حيث يمكنك تقليل السرعات قليلاً وأن تكون أقل عدوانية في إزالة المواد.
بالنسبة لآلة Shopbot الخاصة بنا التي بقطر 1/2 بوصة، فيأتي معها ورقة البيانات التي توفر لي السرعات والتغذيات الموصى بها، لذا إذا شعرت أنه يحتاج إلى تعديل يمكنني تعديل الأرقام قليلاً.
تستخدم ماكينات CNC milling أدوات قطع تُسمى endmills والتي تشبه إلى حد كبير ريش الحفر، ولكنها قادرة على إزالة المادة في الاتجاهين X و Y بدلاً من الاتجاه Z فقط كما في ريش الحفر.
وأكثر أنواع endmills شيوعًا هي الأدوات المربعة "ذات القاع المسطح" والأدوات الكروية "ذات القاع المدور"، والتي يمكنها إنشاء أشكال هندسية مختلفة أثناء عملية القطع.
لقد أرفقتُ العديد من مكتبات الأدوات التي أنشأتها للآلات في ورشة العمل الخاصة بنا، وهذه الإعدادات ليست مثالية بالضرورة وقد تحتاج إلى تعديل عند استخدامها على آلات أخرى.
للاستفادة منها:
أول شيء ستقوم به في مساحة العمل Manufacture هو إنشاء إعداد "Setup"، حيث يعرف الإعداد أمرين مهمين:
ولإنشاء الإعداد الخاص بك:
من المهم جدًا الانتباه إلى اتجاه المحاور للتأكد من أنك تقوم بمحاذاة المادة بشكل صحيح في الآلة، لذا تحقق من الآلة لمعرفة أي الحجم يمثل X و Y.
أربعة من مسارات الأدوات الشائعة التي سنتناولها في هذا المقال هي:
ويمكن العثور على هذه المسارات جميعها في القائمة المنسدلة 2D في مساحة العمل Manufacture تحت تبويب Milling.
يتم استخدام عملية التسوية عندما يكون نموذجك بالكامل أرفع من المادة الخام التي تستخدمها، لذا ليس جميع النماذج ستحتاج إلى عملية التسوية.
ضمن القائمة المنسدلة 2D اختر Face، فهناك العديد من الإعدادات التي يجب تغييرها في معظم التبويبات:
عادةً ما ترغب في استخدام أكبر أداة بقطر ممكن لعملية التسوية، وبالنسبة لـ Shopbot الأداة المناسبة هي الأداة المسطحة بقطر ½ بوصة، لذا استخدم خيار الاختيار Select لاختيار الأداة من مكتبة الأدوات الخاصة بك.
عادةً ما يُترك تبويب الهندسة على الإعدادات الافتراضية، حيث سيقوم بقطع المادة الخام بأكملها، ويمكنك أيضًا اختيار وجه أو حافة معينة إذا كنت لا ترغب في تقطيع المادة الخام بالكامل.
عادةً ما تترك جميع الإعدادات في تبويب الارتفاعات على الإعدادات الافتراضية لعملية Facing.
نريد دائمًا تحديد خانة Multiple Depths حتى إذا كنت لا تعتقد أنك بحاجة إليها، ويجب أن يتم تعيين Maximum Stepdown إلى قطر الأداة "بالنسبة لـ Shopbot".
ويجب العلم، أنه عند إزالة سمك كبير من المادة فمن الأفضل عادةً أن تقوم بإزالته على عدة طبقات، لذا إذا حاولت إزالة الكثير دفعة واحدة قد يتسبب ذلك في كسر الأداة أو تحريك المادة.
يمكن ترك هذا التبويب على الإعدادات الافتراضية.
في إعدادات مسار الأداة، هناك دائمًا العديد من الخيارات التي قد تكون مربكة في البداية، والمفتاح هو تعلم أي الخيارات يمكنك تجاهلها حتى تحتاج إلى تعديلها فعلاً.
تُستخدم عملية الحفر الداخلي ثنائي الأبعاد 2D Pocket عندما يكون لديك تجويف أو جيب ذو قاع مستوٍ لا يخترق الجزء السفلي من المادة، حيث يجب عادةً أن تدخل الأداة إلى المادة من الأعلى بدلاً من الجانب.
ضمن القائمة المنسدلة 2D، اختر 2D Pocket، وهناك العديد من الإعدادات التي يجب تعديلها في معظم التبويبات:
عادةً ما ترغب في استخدام أكبر أداة بقطر ممكن تتناسب مع حجم pocket لإزالة المادة بأسرع وقت ممكن، ومع ذلك قد تحتاج إلى استخدام أداة أصغر إذا كان لديك زوايا داخلية أو لتجنب تبديل الأدوات بشكل متكرر.
يمكنك تحديد Face في قاع pocket أو تحديد edge، وإذا قمت بتحديد edge تأكد من أن عملية pocket تتم نحو الداخل وليس الخارج، ويمكنك استخدام السهم الأحمر لتغيير اتجاه القطع من الخارج إلى الداخل.
عادةً ما تترك الإعدادات على الوضع الافتراضي، إلا إذا كنت قد أزلت بالفعل مادة من أعلى pocket مثل عملية التسطيح "Facing"، وفي هذه الحالة يجب تغيير "Top Height" ليبدأ القطع من المكان المناسب مثل "Model Top".
دائمًا ما يجب تحديد خيار Multiple Depths حتى لو كنت تعتقد أنك لا تحتاج إليه، لذا يجب ضبط Maximum Stepdown ليعادل قطر الأداة "بالنسبة لاستخدام جهاز Shopbot".
وغالبًا ما نرغب أيضًا في إلغاء تحديد خيار Stock to Leave، ما لم تكن تخطط للعودة لاحقًا لإزالة كمية صغيرة من المادة المتبقية.
يحدد إعداد Ramping كيفية دخول الأداة إلى المادة، وبالنسبة للمواد اللينة مثل الخشب أو البلاستيك، فإن خيار Plunge سيكون كافي وهو أسرع أنواع الدخول.
أما عند قطع المعادن فقد يكون من الضروري استخدام Helical toolpath للدخول إلى المادة من الأعلى دون التسبب في تلف الأداة.
تُستخدم عملية قطع المحيط ثنائي الأبعاد 2D Contour عندما ترغب في القطع على الجانب الداخلي أو الخارجي لحافة أو سلسلة من الحواف، وغالبًا ما تُستخدم لقص الجزء النهائي من النموذج، عادةً ما أستخدم هذه العملية في النهاية بعد الانتهاء من جميع عمليات القطع الأخرى.
ضمن القائمة المنسدلة 2D اختر 2D Contour، وهناك العديد من الإعدادات التي يجب تعديلها في معظم التبويبات:
عادةً ما ترغب في استخدام أداة ذات قطر أكبر لإزالة المادة بأسرع وقت ممكن، ومع ذلك قد تحتاج إلى استخدام أداة أصغر إذا كان لديك زوايا داخلية ضيقة أو لتجنب الحاجة إلى تبديل الأدوات.
من الأفضل عمومًا تحديد Edge أو Chain مع ملاحظة أن السهم الأحمر سيُظهر ما إذا كانت عملية القطع ستكون من الداخل أو الخارج، ولتغيير الاتجاه من الداخل إلى الخارج أو العكس، اضغط على السهم الأحمر.
وإذا لم أكن أستخدم شريطًا لاصقًا لتثبيت المادة على طاولة العمل، فقد أضـف Tabs "دعامات صغيرة" على طول مسار القطع لضمان بقاء القطعة في مكانها وعدم تحركها أثناء عملية القص.
عادةً ستبقي الإعدادات الافتراضية كما هي ما لم تكن قد أزلت مادة من فوق المسار الذي ستقطعه "على سبيل المثال عبر عملية Facing"، وفي هذه الحالة يجب تعديل Top Height ليبدأ القطع من أعلى النموذج.
وإذا كنت ستقطع حتى أسفل الجزء بالكامل فمن الأفضل تعيين إزاحة Offset بمقدار 0.03 إنش لـ Bottom Height، وذلك عند استخدامك لوح حماية Spoilboard.
عادةً ما تحتوي آلات التوجيه CNC على لوح حماية أسفل المادة المثبتة، وعند القطع بشكل كامل خلال المادة ولا ترغب في أن تجرح قاعدة الماكينة المعدنية، بل أن تقطع فقط في لوح الحماية، لذلك نضيف هذا الإزاحة الصغيرة لضمان أن القطع يمر بالكامل عبر المادة.
تنبيه للطلاب: تأكدوا من وضع العلامة العشرية في المكان الصحيح.
دائمًا يجب علينا تحديد خيار Multiple Depths حتى وإن لم يكن ذلك ضروري للوهلة الأولى، وينبغي ضبط قيمة Maximum Stepdown لتكون مساوية لقطر الأداة "في حالة استخدام ماكينة Shopbot".
يمكننا ترك هذا التبويب بالإعدادات الافتراضية دون الحاجة لإجراء أي تعديلات.
يتم استخدام مسار Trace عندما ترغب في أن تتبع الأداة مركز Edge أو Chain، وذلك على عكس Contour الذي يكون على الجوانب، يُستخدم هذا عادةً للتصاميم أو الفتحات.
ضمن القائمة المنسدلة 2D اختر Trace، وهناك العديد من الإعدادات التي يجب تعديلها في معظم التبويبات:
الأداة التي تختارها تعتمد على الشكل الهندسي الذي ترغب في تحقيقه، ومن الشائع استخدام أداة V Groove مع مسار Trace.
سيتعين عليك اختيار Edge أو Chain كالهندسة، ومن الشائع استخدام رسم بياني "Sketch" في التتبع.
يمكننا ترك هذا التبويب بالإعدادات الافتراضية.
عندما يكون الرسم البياني على السطح العلوي الذي نريد قطعه، يمكننا استخدام Chamfer Tip Offset لتحريك رأس الأداة للأسفل في الجزء.
وإذا كان الرسم البياني في الارتفاع الذي نريد القطع فيه ويصل إلى عمق داخل الجزء، فإننا نريد تحديد Multiple Depths وتعيين Maximum Stepdown إلى قطر الأداة.
يمكننا ترك هذا التبويب بالإعدادات الافتراضية.
إحدى الميزات الرائعة في برنامج Fusion 360 CAM هي أنك تستطيع محاكاة مسارات الأدوات التي أنشأتها، ولمحاكاة المسار قم بتحديد المسار "أو المسارات" التي تريد مشاهدتها، ثم انقر بزر الفأرة الأيمن واختر Simulate.
في نافذة المحاكاة "Simulate" عادةً ما أغير وضع المسار إلى Tail وأحدد مربع Stock لرؤية كيفية إزالة المادة، وفي بعض الأحيان أخفي النموذج الخاص بي لجعل من السهل مشاهدة ما يحدث.
وكذلك يمكنك تشغيل المحاكاة، التبديل بين مسارات الأدوات، وتغيير السرعة باستخدام الأدوات الموجودة في أسفل وسط الشاشة.
ودائمًا قم بمحاكاة المسارات وتحقق من أن كل شيء على ما يرام، ومن المهم مشاهدة العملية بالكامل "حتى وإن كانت بسرعة أكبر" والتحقق من أي شيء يبدو غريبًا أو يُظهر إهدارًا للوقت أو لا يتم قطعه بشكل صحيح، ومن الأسهل بكثير اكتشاف الأخطاء هنا بدلاً من حدوثها على الآلة.
لتحويل مسارات الأدوات إلى G-code يمكن للآلة قراءته، يجب عليك إجراء المعالجة النهائية لمسار الأدوات إلى نوع G-code الذي تقرأه الآلة.
ولإجراء هذه المعالجة:
يمكنك النقر بزر الفأرة الأيمن على Setup1 واختيار Post Process للحصول على جميع الـ G-code في ملف واحد.
بدلاً من معالجة جميع المسارات في ملف واحد، يمكنك أيضًا معالجة كل أداة بشكل منفصل أو اختيار بعض أجزاء مسار الأدوات فقط، وذلك عن طريق تحديد المسارات المطلوبة، ثم النقر بزر الفأرة الأيمن واختيار Post Process، بعد ذلك اختر Post المناسب للآلة التي تستخدمها.
توفر مكتبة Fusion 360 العديد من الخيارات المدمجة، ولكن إذا لم تجد الآلة الخاصة بك يمكنك تحميل ملفات Post إضافية من الإنترنت، فقد تحتاج إلى نسخ ملف الـ Post من مكتبة Fusion 360 إلى مكتبتك المحلية، ويتم ذلك باتباع الإرشادات الظاهرة في القوائم المنسدلة.
تأكد من اختيار المجلد المطلوب واحفظ الملف باسم فريد، لأنك قد تحتاج إلى إنشاء ملفات G-code متعددة إذا فشل الجزء في القطع في المحاولة الأولى.
نصيحة: إذا لم يتم قطع الجزء كما كنت تأمل تمامًا "مثل عدم القطع بشكل كامل أو أن الفتحة ليست بالحجم المناسب"، ولم تقم بإزالة القطعة أو تحريكها داخل الماكينة، يمكنك ببساطة تعديل الملف في البرنامج، وإعادة معالجة "Post Process" مسار الأدوات اللازم فقط، ثم تشغيله مرة أخرى بدون الحاجة إلى إعادة ضبط نقطة الصفر "re-zeroing".
هناك تعديلات بسيطة يمكنك إجراؤها على مسارات الأدوات لتقليل احتمالية وقوع المشكلات، ومع ذلك قد تحتاج أيضًا إلى مراجعة طريقة تثبيت القطعة والتأكد من أنها مثبتة بإحكام، وغالبًا ما أواجه مشكلات مع عملية القص ثنائي الأبعاد "2D Contour" لأنها عادةً ما تقوم بإزالة عرض كامل للأداة من المادة، بخلاف عمليات التسوية أو الحفر.
تعديلات على مسار الأداة:
عادةً ما تساهم هذه التعديلات بشكل كبير في تقليل احتمالية حدوث الفشل أثناء التشغيل.
يعد التصميم لعمليات Routing - Milling باستخدام ماكينات CNC موضوعًا معقدًا إلى حد ما، ولكن هناك بعض النقاط الأساسية التي يجب على الطلاب معرفتها للبدء، حيث توجد بعض القيود في عمليات Milling باستخدام ماكينات CNC التي قد تختلف من آلة إلى أخرى، ولكن الأمور الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار هي:
معظم المواد المستخدمة في ماكينات التوجيه CNC هي مواد ورقية "sheet goods"، لذا يجب تصميم الأجزاء مع مراعاة حجم المادة التي سيتم قطعها منها.
الأدوات مثل المثاقب "Endmills" وغيرها تكون دائرية الشكل، لذا لا يمكن الحصول على زوايا داخلية حادة، لذا يرجى الإطلاع على الشرائح المرفقة لمعرفة بعض الحلول.
عملية القطع تولد قوة كبيرة على المادة، لذا فإن كيفية تثبيتها تعتبر أمرًا بالغ الأهمية، وقد تحتاج إلى أخذ ذلك في الاعتبار عند تصميمك، ففي بعض الحالات يمكنك اختيار تضمين بعض الحواف "Tabs" في التصميم.
مع الطحن باستخدام ثلاث محاور"3-axis milling" تكون معظم الامتدادات أو الأجزاء البارزة غير قابلة للقطع لأن الأداة لن تستطيع الوصول إليها.
تسجيل الدخول مطلوب
يجب عليك تسجيل الدخول لإضافة تعليق.
تسجيل الدخول