ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลกับระบบ CNC สำหรับการศึกษาและอุตสาหกรรม

เครื่องจักรกลพื้นฐานเช่น เครื่องกลึง เครื่องกัด เครื่องเจียรนัย และเครื่องตัดโลหะแผ่นเป็นเครื่องจักรกลที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักร เครื่องยนต์ และแม่พิมพ์ ตลอดจนหน่วยงานสร้าง ซ่อมงานโลหะโดยทั่วไป และอาจกล่าวได้ว่าความก้าวหน้าของเครื่องจักรกลประสิทธิภาพสูงหลายประเภทในยุคปัจจุบันล้วนแต่มีรากฐานมาจากเครื่องจักรพื้นฐานเหล่านี้ทั้งสิ้น รูปที่ 1 แสดงการทำงานของเครื่องกลึงที่ใช้แรงงานคนในการหมุนเกลียวขับเพื่อป้อนมีดกลึงเข้าหาชิ้นงาน ผู้ปฏิบัติงานกับเครื่องกลึงหรือเครื่องจักรกลพื้นฐานอื่นๆ จะต้องมีทักษะและความชำนาญในการหมุนเกลียวขับที่ใช้ในการป้อนอุปกรณ์ตัดเข้าหาชิ้นงานเป็นอย่างดี แต่ถึงกระนั้นพบได้บ่อยว่าผู้ปฏิบัติงานต้องใช้เวลามากในการผลิตชิ้นงานที่มีความละเอียดสูง เนื่องจากข้อจำกัดด้านการมองเห็นของผู้ปฏิบัติงาน และความคลาดเคลื่อนเนื่องจากการวัดที่ต้องทำบ่อยครั้ง ในบางครั้งยังพบว่าชิ้นงานที่ได้มีความคลาดเคลื่อนทางขนาดเกินกว่าที่จะยอมรับได้

รูปที่ 1 การทำงานของเครื่องกลึงที่ใช้มือคนในการหมุนเกลียวขับเพื่อป้อนมีดกลึงเข้าหาชิ้นงาน

ระบบ CNC (Computer Numerical Control) เป็นระบบคอมพิวเตอร์ที่ถูกสร้างขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์หลักคือ เพื่อเปลี่ยนแปลงและควบคุมสภาพการทำงานของเครื่องจักรกลพื้นฐานดังกล่าวจากเดิมซึ่งใช้แรงงานคนในการทำงานร่วมกับเครื่องจักร ให้เครื่องจักรเหล่านี้สามารถทำงานได้โดยอัตโนมัติด้วยตัวเอง นอกจากนี้ ระบบ CNC ยังช่วยเพิ่มความสามารถให้เครื่องจักรพื้นฐานเหล่านี้สามารถทำงานลักษณะซับซ้อนได้ด้วยความรวดเร็วและแม่นยำในระดับที่พ้นความสามารถในการรับรู้ของมนุษย์โดยทั่วไปหลายสิบเท่าตัว สำหรับการประยุกต์ใช้ระบบ CNC ในเครื่องจักรพื้นฐานดังกล่าว ระบบ CNC จะประกอบไปด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าจำนวนหนึ่งซึ่งถูกนำไปใช้ในการหมุนเกลียวขับแทนมือคน และระบบคอมพิวเตอร์ซึ่งใช้ในการควบคุมมุมและความเร็วที่มอเตอร์ไฟฟ้าเหล่านั้นหมุนเกลียวขับ โดยระบบคอมพิวเตอร์ดังกล่าวสามารถควบคุมมุมของมอเตอร์ได้ด้วยความละเอียดถึง 0.1 องศาหรือดีกว่า หรือสามารถให้ความละเอียดในการป้อนอุปกรณ์ตัดเข้าสู่ชิ้นงานสูงถึง 0.02 มม หรือดีกว่า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะคลอนของเกลียวขับ ตัวอย่างของการใช้งานระบบ CNC กับเครื่องกลึงในการป้อนมีดกลึงโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้า 2 ตัวแสดงไว้ในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ระบบ CNC ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าในการหมุนเกลียวขับเพื่อป้อนอุปกรณ์ตัดและใช้ระบบคอมพิวเตอร์ในการควบคุมมุมและความเร็วในการหมุนของมอเตอร์

ในปัจจุบัน มีการใช้ระบบ CNC สำหรับเครื่องจักรพื้นฐานในอุตสาหกรรมผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกล เครื่องยนต์ แม่พิมพ์ และในหน่วยงานสร้าง ซ่อมอย่างแพร่หลาย หากประมาณคร่าวๆ มูลค่าเบื้องต้นของระบบ CNC ในอุตสาหกรรมเหล่านี้อยู่ในระดับหลายพันล้านบาท ในทางปฏิบัติระบบ CNC ดังกล่าวและผู้เชี่ยวชาญในระบบดังกล่าวถูกนำเข้าจากประเทศที่พัฒนาแล้ว เช่น สหรัฐอเมริกา เยอรมัน และ ญี่ปุ่น เป็นต้น ทั้งนี้เนื่องจาก CNC ดังกล่าวเป็นเทคโนโลยีระดับสูงที่ยากต่อการออกแบบและการทำความเข้าใจจนสามารถนำมาใช้งานได้จริง อย่างไรก็ตาม ดร.พินิจ งามสม ได้ใช้เวลากว่า 4 ปีในการวิจัย ออกแบบ และพัฒนา จนประสบผลสำเร็จในการสร้างระบบ CNC ที่ใช้งานได้จริง โดยงานวิจัยที่เป็นรากฐานของผลงานนี้ได้รับการพิจารณาให้เป็นบทความดีเด่นสาขา Dynamics, Systems, and Control ในการประชุมเครือข่ายวิศวกรรมเครื่องกลแห่งประเทศไทย ในปี พ.ศ. 2545 และได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับสากลที่มีความแข็งแกร่งทางวิชาการมากที่สุดเล่มหนึ่ง คือ Journal of Dynamic System, Measurement, and Control โดย American Society of Mechanical Engineers ในปี พ.ศ. 2546

ระบบ CNC ที่สร้างขึ้นนี้สามารถควบคุมมุม ความเร็ว และแรงบิดในการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าภายใต้ความไม่แน่นอนของภาระงานและคุณสมบัติภายในได้ 4 ตัวพร้อมกัน (ขยายได้เป็น 8 ตัวเพื่อการควบคุมแขนกลลักษณะต่างๆ) โดยใช้มาตรฐานรหัส G และ M ในการสั่งการ ระบบสามารถแสดงความก้าวหน้าของการทำงานได้ทั้งในเชิงต้วเลขและเชิงรูปภาพบนจอคอมพิวเตอร์ นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ของระบบควบคุมให้เข้ากับการใช้งานควบคุมเครื่องจักรได้หลากหลายรูปแบบ เช่น เครื่องกัด, เครื่องกลึง, แขนกล, เครื่องตัดพลาสม่า, เครื่องลอกพื้นผิว, และเครื่องพับโลหะ เป็นต้น ในการทดสอบ ระบบ CNC ที่สร้างขึ้น ถูกนำไปใช้ในการควบคุมเครื่องกัดที่ทำงานในสามมิติโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจำนวน 4 ตัว ซึ่งในจำนวนนี้ มอเตอร์ 3 ตัวถูกใช้ไปในการป้อนชิ้นงานและดอกกัดในแนว X, Y, และ Z ส่วนมอเตอร์อีกหนึ่งตัวใช้ในการหมุนดอกกัดชิ้นงาน ระบบ CNC ที่ออกแบบและสร้างขึ้นนี้สามารถควบคุมให้เครื่องกัดทำงานได้โดยอัตโนมัติตามโปรแกรมที่ตั้งไว้ ด้วยความละเอียด 0.02 มม (ถูกจำกัดด้วยระยะคลอนของเกลียวขับที่ใช้อยู่) หลังจากการพัฒนาระบบ CNC ต้นแบบเสร็จสิ้นลง ในปัจจุบันระบบ CNC ดังกล่าวมีต้นทุนในการสร้างประมาณ ุุ60,000 บาทต่อเครื่อง (รูปที่ 3 แสดงวงจรควบคุมของระบบ CNC, รูปที่ 4 แสดงโปรแกรมควบคุมที่ทำงานบนคอมพิวเตอร์, และรูปที่ 5 แสดงตัวอย่างชิ้นงานที่ได้จากเครื่องกัดที่ควบคุมการทำงานโดยระบบ CNC ที่ออกแบบและสร้างขึ้น)

ระบบ CNC นี้กำลังถูกเผยแพร่ออกสู่ภาคอุตสาหกรรมและภาคการศึกษาเพื่อการใช้งานจริงในหลายรูปแบบ ต้นแบบของระบบ CNC ที่ใช้ควบคุมการทำงานของเครื่องกัดและเครื่องกลึงถูกใช้เป็นอุปกรณ์การเรียนการสอนในห้องทดลองระบบควบคุมสังกัดภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล สำหรับวิชา:

รูปที่ 3 ส่วนหนึ่งของวงจรควบคุมระบบ CNC ที่ออกแบบและสร้างขึ้น

รูปที่ 4 ระบบ CNC แสดงผลการทำงานและความก้าวหน้าบนคอมพิวเตอร์



รูปที่ 5 ตัวอย่างชิ้นงานที่ได้จากเครื่องกัดที่ควบคุมด้วยระบบ CNC ที่สร้างขึ้น
(Compressed 250%)

_______________________________________________________________________________