Bài giảng công nghệ và lập trình CNC

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ ĐỒNG NAI
KHOA CƠNG NGHỆ




BÀI GIẢNG
CƠNG NGHỆ VÀ LẬP TRÌNH CNC





BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ









Tài liệu lưu hành nội bộ

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


2

CAD/CAM-CNC

Thời lượng : 20 lý thuyết – 10 bài tập
Nội dung
Chương 1 : Tổng quan về điều khiển số
Chương 2 : Cơ sở lập trình CNC (4+1)
Chương 3 : Công nghệ và lập trình phay CNC (3+2)*2
Chương 4 : Công nghệ và lập trình tiện CNC (2+3)
Chương 5 : Công nghệ Cad/Cam (1 buổi)
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


3

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Giáo trình CAD/CAM-CNC, NGUYỄN NGỌC ĐÀO, ĐHSPKT
2. Cad/Cam Theory And Applycation, Ait Thailan
3. Điều khiển số và công nghệ trên máy điều khiển số, NGUYỄN ĐẮC LỘC, KHKT
4. Công nghệ lập trình – gia công điều khiển số, ĐOÀN THỊ MINH TRINH, KHKT
5. Công nghệ Cad/Cam, Đoàn Thò Minh Trinh
6. Công nghệ Cad/Cam , Bành Tiến Long
7. Kỹ thuật lập trình CNC với Mastercam V8.1, NGUYỄN HOÀI NAM, ĐHSPKT
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC

4

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ

I. KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN SỐ :

Điều khiển số là một hình thức đặc biệt của tự động hóa.
Theo EIA (Electronic Industries Assotiation): “Một hệ thống trong đó các hoạt động được điều
khiển bởi dữ liệu số được đưa trực tiếp vào ở một điểm nào đó. Hệ thống phải tự động dòch chuyển tối
thiểu một phần nào đó của dữ liệu này ”
Dữ liệu số cần có để tạo ra một chi tiết được gọi là chương trình chi tiết (part program)
Các máy công cụ điều khiển theo chương trình số gọi là máy NC (numerical control) hoặc CNC
( computer numerical control).
II. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CNC :
Ý tưởng điều khiển một công cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp liên tục được phát kiến từ thế
kỷ 14 bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ.
Năm 1808, Joseph M Jacquard điều khiển tự động máy dệt bằng những tấm tôn đục lỗ. Đánh
dấu sự ra đời của vật mang thông tin thay đổi được.
Năm 1863, M Fourneaux đăng ký phát minh đài dương cầm tự động Pianola, trong đó các phím
bấm được điều khiển bằng băng giấy đục lỗ. Băng giấy đục lỗ dùng làm vật mang thông tin được phát
kiến.
Năm 1938, Claud E. Shannon tại MIT (Massachusetts Intitue of Technology) đã chứng minh
rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu chỉ có thể duy nhất thực hiện nhờ mã nhò phân.Cơ sở
khoa học cho máy tính và điều khiển số được hoàn thiện.
Năm 1946, máy tính số điện tử đầu tiên “ENIAC” ra đời, dực trên công nghệ đèn điện tử.
Năm 1949 – 1952, John Parsons và MIT phối hợp chế tạo thành công máy phay điều khiển số đầu
tiên có tên là Cincinati Hydrotel, có trục đứng.Tủ điều khiển dùng đèn điện tử, có thể dòch chuyển
đồng thời 3 trục (3D Linear interpolation), tiếp nhận dữ liệu qua băng đục lỗ mả nhò phân.
Năm 1954, thiết bò điều khiển NC công nghiệp d6àu tiên ra đời.

Năm 1957, máy phay NC được trang bò trong các xưởng chế tạo máy bay của không lực Hoa
Kỳ.
Năm 1958, ngôn ngữ lập trình APT ra đời.
Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC (Intergrated Circuits) làm cho các tủ điều khiển nhỏ hơn
và có độ tin cậy cao hơn.
Năm 1972, thế hệ các thiết bò NC kết nối với máy vi tính –CNC. Thế hệ này nhanh chóng được
thay thế bởi các cụm điều khiển dùng Microprocessor (µP).
Năm 1986, chuẩn hóa các giao diện, là cơ sở cho hệ thống CIM (Computer Intergrated
Manufacturing) phát triển.
Năm 1990, hình thành và phát triển các hệ thống CIM
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


5





III. CẤU TRÚC HỆ THỐNG CNC :
Các đặc điểm kết cấu phân biệt giữa máy công cụ điều khiển CNC và máy công cụ thông thường
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


6

Hình
phay

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC

7

Hình
tiện


Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


8

CẤU TRÚC MỘT HỆ THỐNG CNC

Gồm 6 thành phần chính:
1. Chương trình gia công (part program) : bao gồm các chỉ thò đã được mã hóa.
2. Hệ điều khiển máy (Machine control Unit - MCU) được chia thành 2 thành phần là :
- Đơn vò xử lý dữ liệu (DPU- Data Processing Unit): thực hiện chức năng đọc mã lệnh từ
thiết bò nhập dữ liệu, xử lý mã lệnh (giải mã), truyền dữ liệu cho CLU.
- Mạch điều khiển (CLU – Control Loop Unit): thực hiện các chức năng nội suy chuyển
động trên cơ sở tín hiệu nhận được từ DPU , xuất các tín hiệu điều khiển, nhận tín hiệu
phản hồi, điều khiển các thiết bò phụ trợ.
3. Thiết bò đọc chương trình (program input) : Máy đọc hay đường truyền RS232C
4. Hệ thống truyền động (drive system): Dùng các động cơ một chiều hoặc xoay chiều điều chỉnh
vô cấp tốc độ và các bộ truyển chính xác như vít me/ đai ốc bi.
5. Máy công cụ
6. Hệ thống phản hồi (feetback system)

IV. KHẢ NĂNG CỦA CNC :

So với NC ( điều khiển bằng mạch cố đònh), CNC (điều khiển bằng phần mềm) có nhiều chức năng
xử lý và linh hoạt hơn.
 Hiển thò chương trình và mô phỏng bằng đồ họa quá trình gia công.
 Nhập dữ liệu bằng nhiều cách.
 Có khả năng lưu trữ chương trình.
 Có khả năng thay đổi và cập nhật chương trình
 Kiểm tra , chẩn đoán lỗi chương trình bằng đồ họa máy tính.
 Có thể giao tiếp với các thiết bò vi xử lý khác.
 Quản lý dữ liệu
 Dùng nhiều hệ đơn vò (inch – metric) và hệ tọa độ (tuyệt đối-tương đối)
 Hoạt động với cả 2 loại mã điều khiển EIA và ASCII
 Có khả năng tính toán
 Bù trừ bán kính và chiều dài dao
 Nội suy hình học.
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


9

 Chức năng hỗ trợ lập trình : thu, phóng, xoay
 Có khả năng hậu xủ lý (postprocessing): tiếp nhận trực tiếp dữ liệu quỹ đạo chạy dao dưới
dạng mã nhò phân (Binary cutter location- BCL). Thực hiện trong chế độ thời gian thực.
1. ƯU ĐIỂM CỦA CNC :
 Năng suất tăng
 Độ chính xác cao (đến 0.001 mm)
 Chất lượng gia công ổn đònh, độ chính xác lặp lại cao
 Hạ giá thành sản xuất
 Giảm giá thành điều hành trực tiếp

2. NHƯC ĐIỂM CỦA CNC :

 Giá thành máy cao
 Giá thành bảo dưỡng cao, phức tạp
 Vận hành phức tạp, cần công nhân có tay nghề.

3. CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA

 Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các khâu thiết kế, chuẩn bò sản xuất, gia công
 Cần đào tạo nâng cao cho thợ chuyên môn. Một khóa đào tạo về kỹ thuật CNC là
phải có.

V. TRỤC TỌA ĐỘ – CHIỀU CHUYỂN ĐỘNG

Dùng hệ trục tọa độ Decarte
vuông góc được xác đònh theo
qui tắc bàn tay phải

Qui đònh về các trục quay

Các trục tọa độ song song với
X,Y,Z ký hiệu là U, V, W

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


10

Khi lập trình ta qui ước rằng dụng cụ chuyển động tương đối so với hệ thống tọa độ, còn
chi tiết đứng yên

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


11


VI. CÁC ĐIỂM “0” VÀ CÁC ĐIỂM CHUẨN trên máy CNC

Ký hiệu Mô tả

M
Reference point
Điểm 0 của máy, là điểm gốc của các hệ thống tọa độ máy. Do nhà
sản xuất qui đònh.
Trên máy phay thường là điểm xác đònh giới hạn dòch chuyển của bàn
máy.

W
Work part zero point
Điểm 0 của chi tiết, là điểm gốc của hệ trục tọa độ gắn lên chi tiết.
Do người lập trình chọn và xác đònh

R
Reference point
Các điểm chuẩn của máy, có khoảng cách xác đònh so với điểm 0 của
máy và được đánh dấu trên các bàn trượt

E
Tool reference point
Điểm gá dao, khi dụng cụ được lắp vào ổ dao thì điểm B và E trùng
nhau
Trên máy phay điểm B nẳm trên vành trục chính
Trên máy tiện, B nằm tại mặt phẳng của đầu revonve

B
Tool setup point
Điểm chuẩn của dao, dùng hiệu chỉnh tự động các kích thước dao

N
Tool change point
Điểm thay dao

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


12


Location
of the
zero and
reference
points


Work

part zero
point


Tool
setup
point



Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


13

Thiết lập điểm W cho máy tiện

Giá trò ZW gọi là dòch chuẩn (zero point shift) , và sẽ được
nhập vào máy CNC .
Trình tự thực hiện
1. khởi động máy.
2. Đưa dao sẽ dùng vào vò trí làm việc.
3. đòch chuyển dao sao cho dao tựa vào mặt đầu của phôi.
4. Nhập vào giá trò của Zw


Thiết lập điểm W cho máy phay

Dòch chuyển dao theo theo trục Z

Dòch chuyển dao theo theo trục X

Dòch chuyển dao theo theo trục
Y
VII. CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN

Điều khiển theo Điểm (PTP)
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


14

Gia công theo các tọa độ xác đònh đơn giản
Dụng cụ thực hiện chạy dao nhanh không
cắt gọt đến các điểm lập trình.
Tùy thuộc vào hệ điều khiển mà các trục
có thể chuyển động kế tiếp nhau hay chuyển
động đồng thời không có mối quan hệ hàm
số.

Điều khiển theo Đoạn
Tạo ra các đường chạy song song với các
trục của máy với dao cắt gọt tạo nên bề mặt
gia công

Điều khiển theo đường Viền
Tạo ra các đường bất kỳ trong không gian
Tùy thuộc vào số trục được điều khiển đồng thời mà có thể phân thành : điều khiển 2D, 2 1/2D
, 3D, 4D …
2D

Thực hiện một đường viền trong mp XY.
Trục thứ 3 được điều khiển độc lập với 2
trục trên.

2D1/2

Thực hiện nội suy một đường viền trong mặt
phẳng, có thể là mp XY, hay YZ, hay ZX tùy
thuộc vào việc khai báo mp nội suy trong
chương trình (G17/G18/G19)
Trục thứ 3 được điều khiển độc lập với 2

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


15


trục trên.

3D


Lưu ý rằng trong điều khiển 3D đã tích hợp trong đó điều khiển điểm, đường, 2D

VIII. QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TRÊN MÁY CNC

 Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết
 Thiết kế q đạo cắt
 Lập chương trình điều khiển

 Kiểm tra chương trình điều khiển
 Điều chỉnh máy CNC
 Gia công chi tiết

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


16

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LẬP TRÌNH NC

Tính kinh tế của các máy công cụ CNC phụ thuộc nhiều vào chương trình điều khiển, một
chương trình hoàn hảo làm cho quá trình gia công trở nên linh hoạt và kinh tế.

I. CÁC THỦ TỤC LẬP TRÌNH :

Lập trình Tay

Người lập trình hoàn thành chương trình mà không có sự trợ giúp
của máy tính

Lập trình có sự giúp đỡ của
máy tính
Người lập trình sử dụng ngôn ngữ lập trình hoặc phần mềm máy
tính như là một công cụ trợ giúp để chuyển đổi tự động dữ liệu
hình học và dữ liệu công nghệ thành chương trình NC

Lập trình theo công nghệ
CAD/CAM
Bằng các phần mềm tích hợp CAD/CAM cho phép sử dụng chung

cơ sở dữ liệu cho các chức năng thiết kế và lập kế hoạch sản
xuất.
Chức năng CAD cho phép xác lập hình học chi tiết gia công
Chức năng CAM tạo q đạo chạy dao

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


17


II. GHI KÍCH THƯỚC TRÊN BẢN VẼ :

Việc qui chuẩn cách ghi kích thước trên bàn vẽ dùng trong gia công NC sẽ giúp cho người lập trình
dễ dàng biến đổi các thông tin trên bản vẽ thành các thông tin dòch chuyển.

Ghi kích thước tuyệt đối :

Mọi kích thước đều xuất phát từ điểm W

Ghi kích thước tương đối :

Một kích thước được ghi xuất phát từ vò trí
của kích thước trước nó

Ghi kích thước nhờ các bảng
Người ta thay thế các kích thước trên bản
vẽ bằng các số thứ tự vò trí

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


18

III. LẬP TRÌNH THEO KÍCH THƯỚC TUYỆT ĐỐI VÀ TƯƠNG ĐỐI :

LẬP TRÌNH THEO KÍCH
THƯỚC TUYỆT ĐỐI

Điểm đích có các giá trò tọa độ luôn gắn với điểm W G90

LẬP TRÌNH THEO KÍCH
THƯỚC TƯƠNG ĐỐI
Điểm đích có các giá trò tọa độ luôn gắn với vò trí của
dao trước đó.
Dùng chủ yếu đối với các chu trình hay các chương trình
con
G91

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


19

IV. CẤU TRÚC CỦA CHƯƠNG TRÌNH NC :


Dấu hiệu chương trình
Thường dùng %<tên ct>

Các Câu lệnh (NC block)


Lệnh Kết thúc chương trình (M30 hoặc M2)

V. CẤU TRÚC CỦA MỘT CÂU LỆNH (NC block) :



VI. CẤU TRÚC CỦA MỘT TỪ (word):
Gồm một ký tự gọi là đòa chỉ (Address) và một con số (Number)
Ví dụ





Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


20

Trong một câu lệnh. Có thể có 3 nhóm từ

1
G Funtion G
2
Tọa độ X, Y, Z
U, V, W

3
Thông tin vận hành máy và
các chức năng phụ
F, S, T
M

Các đòa chỉ theo tiêu chuẩn ISO

Address Mô tả Ví dụ
1
N thứ tự câu lệnh N50
2
G Mã dòch chuyển G02
3
X,Y,Z Tọa độ điểm đích X10 Y20 Z-10.1
4
A,B,C Đònh vò trí góc quay (X,Y,Z) A10
5
D Đònh vò trí góc quay quanh trục đặc biệt hoặc
hiệu chỉnh dao.

6
E Đònh vò trí góc quay quanh trục đặc biệt.
7
H,L Dữ trữ
8
U,V,W Tọa độ phụ (X,Y,Z) U10 V-10.1
9
I,J,K
R

Thông số dùng để nội suy cung tròn I0 j10
R20
10
F Lượng chạy dao F120
11
S Tốc độ trục chính S2500
12
T Dao T0102
13 M Chức năng phụ M99

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


21

VII. LẬP TRÌNH CÓ DỊCH CHỈNH VÀ BÙ TRỪ :

Trong điều khiển số yêu cầu lập trình gia công là theo tọa độ tâm dao (Tool center coordinate)
thay cho điểm biên trên chu vi dao cắt. Do đó không thể sử dụng trực tiếp tọa độ chi tiết vì tâm dao
cách đường biên cắt một khoảng bằng bán kính dao.

Phép dòch chỉnh vò trí tâm dao này được gọi là Bù trừ bán kính (Radius compensation)

Trong qui trình gia công chi tiết có thể sử dụng nhiều dao với những chiều dài khác nhau. Do đó
khi lập trình ta không quan tâm đến chiều dài dao (lập trình với dao giả đònh) nhưng khi gia công cần
phải dòch chỉnh chiều dài dao.

Việc sử dụng bù trừ dao sẽ hạn chế các phép tính toán tọa độ tâm dao, do đó làm đơn giản
công việc lập trình.

Ngoài ra có thể sử dụng bù trừ trong các trường hợp :

+ Dao gia công khác với dao lập trình
+ Phải thay dao do gẫy dao và không có dao tương tự như đã lập trình
+ Sự thay đổi kích thước do dao bò mòn, mài hay sửa lại
+ Khi gia công thô và gia công tinh được thực hiện với cùng một chương trình.
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


22

Ví dụ lập trình không bù trừ bán kính dao


Điểm X Y
1
2
3
Với dao có đường
kính 10mm

Hãy xác đònh tọa độ
của các điểm 1,2 ,3,4
chuyển tiếp trên quỹ
đạo cắt để thực hiện
hiện gia công biên
dạng chi tiết như
hình vẽ
4
Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC

23

Với dao có đường
kính 10mm

Hãy xác đònh tọa độ
của các điểm 1, 2 ,3
, 4 , 5 chuyển tiếp
trên quỹ đạo cắt để
thực hiện gia công
biên dạng chi tiết
như hình vẽ

Điểm X Y
1
2
3
4
5

Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC


24



Tài liệu giảng dạy môn lý thuyết CAD/CAM - CNC

25

LẬP TRÌNH CÓ BÙ TRỪ BÁN KÍNH DAO.

Được thực hiện bởi các lệnh G41/G42 , Các lệnh này tạo ra các vector bù trừ vuông góc với đường
biên chi tiết và có độ lớn bằng bán kính dao
Để khai báo chấm dứt hiệu chỉnh dùng G40

G41 G42
Phay biên
dạng lồi

Phay hốc