Nghiên cứu lập trình PLC và khảo sát đặc tính ổn định khi gia công trên máy phay cao tốc HSM50

VIỆN SĐH-ĐHBKHN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐỨC LUẬN

NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH PLC VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ỔN ĐỊNH
KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CAO TỐC HSM50
Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS-TS. HOÀNG VĨNH SINH

Hà nội 04 – 2011

1


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: Nguyễn Đức Luận
Học viên lớp: Cao học CTM2009-2011
Mã số học viên: CB 090160
Dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Vĩnh Sinh tôi nhận nghiên cứu đề tài:
“ Nghiên cứu lập trình PLC và khảo sát đặc tính ổn định khi gia công
trên máy phay cao tốc HSM50”
Tôi xin cam đoan, luận văn này là quá trình nghiên cứu của bản thân. Nếu có

sai sót gì tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hải phòng, ngày 19 tháng 10 năm 2010
Người cam đoan

Hoàng Văn Quý

2


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... 2
MỤC LỤC .................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................. 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................... 12
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 15
1.Lý do chọn đề tài. .................................................................................... 15
2.Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài......................... 16
3.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài. ................................. 16
3.1.Ý nghĩa khoa học của đề tài. ............................................................... 16
3.2.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài. ................................................................ 18
TỔNG QUAN ............................................................................................. 19
1.Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 19
2.Nội dung cần giải quyết của đề tài ...................................................... 19
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC ......................... 21
1.1.Hiện tượng vật lý khi gia công cao tốc. ............................................ 21
1.1.1.Nhiệt cắt. ...................................................................................... 25
1.1.2.Lực cắt. ......................................................................................... 30

3


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

1.2.Hiện tượng động học khi gia công cao tốc. ...................................... 33
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH
PLC CHO MÁY PHAY CAO TỐC HSM50 .......................................... 34
2.1.Giới thiệu về bộ điều khiển PC - Base. ............................................. 34
2.1.1.Cpu. .............................................................................................. 34
2.1.2.Driver. .......................................................................................... 37
2.1.3. Chức năng và nhiệm vụ của I/O. .................................................. 38
2.1.4. Chức năng và nhiệm vụ của Operation panel. .............................. 39
2.1.5.Chức năng và nhiệm vụ của keyboard........................................... 39
2.1.6.Chức năng và nhiệm vụ của motor. ............................................... 40
2.2.Phân loại các tính năng điều khiển bằng PLC................................. 40
2.2.1. Nhóm chức năng NC điều khiển. .............................................. 41
2.2.2. Nhóm chức năng PLC điều khiển............................................ 41
2.3.Sơ đồ khối điều khiển các chức năng. .............................................. 42
2.3.1.Sơ đồ luồng dữ liệu (DFD). .......................................................... 42
2.3.2.Sơ đồ phân cấp chức năng hệ thống. ............................................. 43
2.4.Thiết kế cơ sở các biến vào-ra. ......................................................... 49
2.4.1.MPG ............................................................................................. 49

4


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

2.4.2.Bàn phím vận hành ....................................................................... 50
2.4.3.Thiết bị ngoại vi ............................................................................ 52
2.4.4.Sensor ........................................................................................... 56
2.4.5.C Bit ............................................................................................. 57
2.4.6.S Bit.............................................................................................. 60
2.4.7.Thanh ghi R .................................................................................. 64
2.5.Sơ đồ khối một số chức năng chính. ................................................. 68
2.5.1.Sơ đồ khối điều khiển chức năng Cycle Start ................................ 68
2.5.2.Sơ đồ khối điều khiển chức năng Feed Hold. ................................ 69
2.5.3.Sơ đồ khối điều khiển chức năng chọn hướng trục điều khiển. ..... 70
2.5.4.Sơ đồ khối điều khiển chức năng chọn trục trong chế độ MPG và
Dry Run ................................................................................................. 71
2.5.5.Sơ đồ khối điều khiển chức năng Emergency Stop và Machine lock
……………………………………………………………………72
2.5.6.Sơ đồ khối điều khiển chức năng động cơ bơm dd làm mát và
Mode select ........................................................................................... 73
2.5.7.Sơ đồ khối điều khiển chức năng thay đổi Feed rate và thay đổi tốc
độ trục chính .......................................................................................... 74
2.6.Bảng kê chương trình. ...................................................................... 75

5


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

2.6.1.Nhóm các chức năng điều khiển phụ thuộc ................................... 77
2.6.1.1. Cycle start. ............................................................................. 77
2.6.1.2.Feed hold ................................................................................ 78
2.6.1.3.Chọn hướng trục điều khiển. ................................................... 78
2.6.1.4.Chọn trục điều khiển trong chế độ MPG. ................................ 79

2.6.1.5. Dry Run. ................................................................................. 79
2.6.1.6.Emergency stop. ...................................................................... 80
2.6.1.7.Machine lock. .......................................................................... 80
2.6.1.7.Chọn chế độ điều khiển, điều chỉnh lượng chạy dao và thay đổi
tốc độ trục chính. ................................................................................ 81
2.6.2. Nhóm các chức năng điều khiển không phụ thuộc. ...................... 81
2.6.2.1.Động cơ bơm dung dịch làm mát. ............................................ 81
CHƯƠNG 3 ................................................................................................ 82
KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG PHAY TRÊN MÁY HSM50 . 82
3.1.Những kết quả về lý thuyết để khảo sát ổn định. ............................ 82
3.1.1.Phương pháp phân tích.................................................................. 85
3.1.2.Phương pháp số ............................................................................ 90
3.1.3. Phương pháp thực nghiệm. .......................................................... 92

6


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

3.2. Các thông số ảnh hưởng đến tính ổn định. ..................................... 92
3.2.1.Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn. .................................................. 92
3.2.2.Ảnh hưởng của tần số dao động tự nhiên. ..................................... 94
3.2.3.Ảnh hưởng của số răng cắt............................................................ 95
3.2.4.Ảnh hưởng của chiều rộng ăn dao. ................................................ 96
3.3.Xây dựng biểu đồ bằng thực nghiệm. .............................................. 97
3.3.1.Nội dung thí nghiệm. .................................................................... 97
3.3.2.Thiết bị thí nghiệm...................................................................... 100
3.3.3.Tiến hành .................................................................................... 100
Kết luận ................................................................................................. 103
Hướng nghiên cứu tiếp theo ................................................................. 103

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................. 105

7


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các chữ viết tắt
Ký

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ARM

Application Reference Model

Ứng dụng mô hình tham chiếu

CAD

Computer-Aided Design

Thiết kế

hiệu

dưới sự trợ giúp của máy tính

CAM

Computer-AidedManufacturing

Chế tạo sản phầm
dưới sự trợ giúp của máy tính

CAD

Computer Aided Design

Thiết kế
dưới sự trợ giúp của máy tính

CNC

Computer Numerical Control

Máy điều khiển số

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lí trung tâm

CIM

Computer Integrated

Sản xuất tích hợp máy tính

Manufacturing
DFD

Data Flow Diagram

Sơ đồ dòng dữ liệu

FMS

Flexible Manufacturing System

Hệ thống sản xuất linh hoạt

8


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

H/W

Hardware

Phần cứng

LD

Ladder Diagram

Sơ đồ thang

LED

Light Emitting Diode

Đi ốt phát quang

MDI

Multiple Document Interface

Giao diện nhiều bản ghi

MMI

Man Machine Interface

Giao diện người máy

MPG

Manual Pulse Generator

Máy tạo xung bằng tay

NCK

Numerical Control Kernel

Hạt nhân của điều khiển số

OS

Operating System

Hệ điều hành

PLC

Programmable Logic Control

Lập trình điều khiển logic

Các kí hiệu
aD

chiều rộng cắt

cx,y

hệ số giảm chấn theo phương x và y (Ns/m)

Frj

lực hướng tâm (N)

Ftj

lực tiếp tuyến (N)

Fx,y

lực cắt theo phương x và y (N)

fz

tốc độ chạy dao mỗi răng (m/tooth)

g(φj) hàm tác động giữa dao và phôi

9


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

h(φj) chiều sâu cắt (m)
hxx

hệ số cắt (N/m2)

j

răng cắt thứ j

Kr

hệ số lực cắt hướng tâm (N/m2)

Kt

hệ số lực cắt tuyến tính (N/m2)

kx,y

hệ số độ cứng theo phương x và y (N/m)

mx,y khối lượng của dụng cụ cắt theo phương x và y (kg)
n

tốc độ vòng quay (rpm)

N

số răng của dụng cụ căt

t

thời gian (s)

T

chu kỳ chuyển động răng (s)

w

chiều sâu cắt (m)

x

dịch chuyển của dụng cụ cắt theo phương chạy dao x (m)

y

dịch chuyển của dụng cụ cắt vuông góc phương chạy dao y (m)

φj

vị trí góc của răng thứ j (deg)

φe

vị trí góc kết thúc cắt (deg)

φs

vị trí góc bắt đầu cắt (deg)

τ

thới gian lặp lại vị trí của răng kế tiếp (s)

10


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

ζx,y

hệ số giảm chấn tương đối

ω0x,y tần số tự nhiên (rad/s)
Φ

ma trận chuyển đổi

11


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.Quan hệ nhiệt độ và vận tốc cắt trong gia công cao tốc................. 22
Hình 1.2. Vùng tốc độ của HSM ................................................................... 23
Hình 1.3. Thuộc tính chung của gia công cao tốc ......................................... 24
Hình 1.4. Biểu đồ liên hệ giữa lượng tiến dao và tốc độ trục chính .............. 24
Hình 1.5. Sơ đồ nguồn nhiệt và phân phối nhiệt ........................................... 26
Hình 1.6. Mô hình lực cắt của lưỡi cắt trên chi tiết khi phay ....................... 30
Hình 1.7.Biểu đồ quan hệ giữa Fx và Fy ...................................................... 32
Hình 2.1.Sơ đồ phần cứng của bộ điều khiển................................................ 34
Hình 2.2.Cấu tạo của CPU ........................................................................... 35
Hình 2.3.Sơ đồ khối điều khiển Motor .......................................................... 37
Hình 2.4.Sơ đồ luồng dữ liệu ........................................................................ 42
Hình 2.5.Sơ đồ phân cấp chức năng hệ thống .............................................. 43
Hình 2.6.Phương pháp đưa tín hiệu vào - ra ................................................ 44
Hình 2.7. DFD mức 0 cho chương trình PLC ............................................... 45
Hình 2.8. DFD mức 1: Xử lý bần phím vận hành và nhận tín hiệu từ cảm biến
..................................................................................................................... 46
Hình 2.9. DFD mức 1: Đưa tín hiệu ra để điều khiển thiết bị ngoại vi ......... 47

12


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Hình 2.10. DFD mức 1: Xử lý thông tin với NC ........................................... 48
Hình 2.11. Sơ đồ khối điều khiển chức năng Cycle Start .............................. 68
Hình 2.12. Sơ đồ khối điều khiển chức năng Feed Hold ............................... 69
Hình 2.13. Sơ đồ khối điều khiển chức năng chọn hướng trục điều khiển ..... 70
Hình 2.14 và 2.15 Sơ đồ khối điều khiển chức năng chọn trục trong chế độ
MPG và sơ đồ khối điều khiển chức năng Dry Run ...................................... 71
Hình 2.16. và 2.17 Sơ đồ khối điều khiển chức năng Emergency Stop và sơ đồ
khối điều khiển chức năng Machine lock ...................................................... 72
Hình 2.18 và 2.19 Sơ đồ khối điều khiển chức năng động cơ bơm đ làm mát
và sơ đồ khối điều khiển chức năng Mode select .......................................... 73
Hình 2.20 và 2.21 Sơ đồ khối điều khiển chức năng thay đổi Feed rate và sơ
đồ khối điều khiển năng thay đổi tốc độ trục chính....................................... 74
Hình 2.22.Sơ đồ phân nhóm chức năng điều khiển ....................................... 75
Hình 3.1. Hình ảnh bề mặt chi tiết có chatter và không chatter .................... 83
Hình 3.2. Mô hình quá trình cắt và bề mặt cắt ............................................. 84
Hình 3.3. Hình dạng của một biểu đồ ổn định .............................................. 85
Hình 3.4. Mô hình đơn giản của quá trình cắt giữa dao và phôi .................. 85
Hình 3.5. Sơ đồ hàm truyền lực của hệ thống ............................................... 86
Hình 3.6. Sơ đồ hàm truyền lực rút gọn ........................................................ 86

13


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Hình 3.7. Biểu diễn hàm truyền trên hệ tọa độ ảo ........................................ 87
Hình 3.8. Đồ thị ổn định được xây dựng từ các đường biên ổn định ............. 89
Hình 3.9. Biểu đồ ổn định khi hệ số giảm chấn theo phương xvà y thay đổi
lần lượt là 0.01, 0.02, 0.04 ........................................................................... 93
Hình 3.10. Biểu đồ ổn định khi tần số dao động tự nhiên thay đổi lần lượt là
750*2π, 1000*2π, 1500*2π rad/s................................................................. 94
Hình 3.11: Biểu đồ ổn định khi số răng cắt của dao phay thay đổi lần lượt là
1, 2, 4. .......................................................................................................... 95
Hình 3.12. Biểu đồ ổn định khi hệ số chiều rộng ăn dao đổi lần lượt là 0.1,
0.3, 0.5 ......................................................................................................... 96
Hình 3.13. Biều đồ giới hạn ổn định ............................................................. 97
Hình 3.14.Hình ảnh so sánh với chi tiết........................................................ 98
Hình 3.15. Bảng thông số thí nghiệm ........................................................... 99
Hình 3.16.Hình ảnh của một thí nghiệm ..................................................... 101
Hình 3.17. Dạng biểu đồ kết quả thí nghiệm mong muốn với các chế độ cắt
khác nhau…………………………………………………………………………..99

14


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài.
“Nghiên cứu lập trình PLC và khảo sát đặc tính ổn định khi gia công trên
máy phay cao tốc HSM50”
Điều khiển CNC làm việc như một bộ não trong tự động hóa sản xuất,
nó chiếm hơn 30% giá của máy công cụ. Công nghệ CNC thường được xem
như là một thước đo trình độ công nghệ sản xuất một quốc gia, và hiện đang
dẫn đầu bởi các nước lớn tiên tiến như Mỹ, Nhật Bản, và Đức. Công nghệ

CNC không thể được phát triển với một công nghệ duy nhất mà cần để tích
hợp công nghệ máy tính, công nghệ phần cứng, công nghệ vật liệu,… và như
vậy, nó thường được gọi là "hạt nhân của công nghệ công nghiệp",để phát
triển được công nghệ này đòi hỏi phải có chiến lược hỗ trợ kinh tế dài hạn,
chủ yếu là ở cấp độ chính phủ. Mặc dù vai trò của nó quan trọng như vậy
nhưng sách về bộ điều khiển CNC là khá hiếm trên thị trường.Việc tìm hiểu
và nắm vững cấu trúc hệ thống và phát triển nó nhằm nâng cao hiệu quả kinh
tế và từng bước góp phần hiện đại hóa ngành công nghiệp nước nhà là vấn đề
đặt ra rất cấp thiết cho tất cả các nhà kỹ thuật hiện nay.
Để có thể từng bước làm chủ được công nghệ tiên tiến trên thế giới này
đòi hỏi rất nhiều giai đoạn như: Lập trình PLC cho đầu vào ra, lập trình các
mã G-code, M-code, định nghĩa các biến nội: S-bit, C-bit… Công việc tìm
hiểu lập trình PLC cho đầu vào ra trong các bộ điều khiển là một trong các
bước đi đầu tiên để có thể hiểu được phương pháp thiết kế và lập trình của
một phần mềm từ đó có thể phát triển mở rộng các tính năng khác tích hợp
cho bộ điều khiển.

15


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Vì vậy việc tìm hiểu để phát triển các ứng dụng của các bộ điều khiển
nói chung và nghiên cứu lập trình PLC cho đầu vào ra của bộ điều khiển nói
riêng là công việc hết sức cấp thiết, đây cũng chính là lý do tác giả lựa chọn
nghiên cứu đề tài này.
2.Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Mục đích của của đề tài là hiểu được quy trình thiết kế hệ thống của
một phần mềm nói chung cũng như phần mềm PLC nói chung. Tạo cơ sở cho
các người đi sau có thể tiếp tục phát triển mở rộng các tính năng tích hợp cho

bộ điều khiển.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu chủ yếu của đề tài là bộ điều khiển
PC-Base LNC-M600 và lập trình PLC ứng dụng của bộ điều khiển này trên
máy phay cao tốc HSM50. Từ đó có thể đánh giá được tính ổn định của máy
HSM50 trong quá trình phay cao tốc thông qua biểu đồ ổn định được xây
dựng từ thực nghiệm.
Giải quyết được những vẫn đề trên sẽ giúp cho những nhà chuyên môn
có cái nhìn thấu đáo hơn về các bộ điều khiển và các ứng dụng của nó trong
các máy gia công nói chung và máy phay cao tốc nói riêng để có thể tối ưu
hóa được các thông số gia công trong quá trình phay qua đó nâng cao năng
suất của máy nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng bề mặt theo yêu cầu qua đó
đạt hiệu quả kỹ thuật cũng như kinh tế cao.
3.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
3.1.Ý nghĩa khoa học của đề tài.

16


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Ngày nay máy CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí. Ngoài việc nắm vững được
cách vận hành của máy thì song song với việc đó đòi hỏi chúng ta phải từng
bước nghiên cứu và làm chủ được các công nghệ tiên tiến trên thế giới này.
Như chúng ta đã biết thì trong máy CNC bộ điều khiển là quan trọng nhất
cũng như đắt nhất nó chiếm khoảng 30% giá thành. Việc nghiên cứu và nắm
vững, ứng dụng được các bộ điều khiển CNC hiện có sẽ tạo cơ sở để làm chủ
được lĩnh vực chế tạo và bảo dưỡng máy CNC tại Việt Nam
Khi các nhà đầu tư nước ngoài vào nước nhà không chỉ đem đến một
phương pháp quản lý hiện đại, mà cùng với đó là những thiết bị tối tân trợ

giúp quá trình tạo ra sản phẩm một cách nhanh chóng, dễ dàng và chính xác
nhất có thể trong đó phương pháp sản xuất FMS & CIM là một phương pháp
sản xuất tiên tiến nhất hiện nay nó tích hợp hầu hết các công nghệ hiện đại
nhất. Một thành phần không thể thiếu được trong hệ thống trên là các máy
CNC và robot công nghiệp.
Trong khuôn khổ hạn hẹp của đề tài này chỉ mong sao cung cấp một cái
nhìn tương đối rõ nét về bộ điều khiển LNC-M600 nói riêng cũng như các bộ
điều khiển khác nói chung. Cách thiết kế cấu trúc phần cứng và phần mềm
của các bộ điều khiển hiện nay để từ đó có thể từng bước tích hợp những tính
năng mở rộng cho máy CNC.
Các kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học:
- Xây dựng sơ đồ khối điều khiển các chức năng của bộ điều khiển từ
đó tạo tiền đề cho những ứng dụng tích hợp về sau.

17


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

- Xây dựng được biểu đồ ổn định của máy phay cao tốc HSM50 từ đó
làm cơ sở quan trọng để nâng cao năng suất gia công trên máy này.
3.2.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Từ kết quả nghiên cứu được, chúng ta hoàn toàn có thể có những bước
đánh giá được khả năng ứng dụng của các bộ điều khiển cũng như khả năng
có thể tích hợp được những tính năng khác cho máy CNC mà bộ điều khiển
có thể đáp ứng được .Làm được những điều đó ngoài mang lại hiệu quả kinh
tế rất lớn nó còn cho chúng ta cơ sở để có thể chế tạo và bảo dưỡng máy CNC
tại Việt Nam một cách chủ động
Hiểu được sơ đồ khối các chức năng cũng như các điều kiện “chảy” của
dòng dữ liệu sẽ cho người lập trình PLC có cái nhìn rất cụ thể với những gì

mình đang làm. Qua đó giúp cho việc lập trình đạt kết quả cao hơn và nhẹ
nhàng hơn.
Nắm bắt nguyên lý thiết kế chung của các bộ điều khiển giúp chúng ta
hoàn toàn có thể biết được là chúng ta có thể “can thiệp” được vào những
phần nào của bộ điều khiển từ đó giúp ta đánh giá được khả năng tích hợp các
tính năng khác của bộ điều khiển khi thiết kế.
Các kết quả mang tính thực tiễn:
- Phần mềm PLC cho bộ điều khiển kiểu PC-Base ứng dụng cho máy
phay cao tốc HSM50
- Biều đồ đánh giá sự ổn định trong quá trình phay của máy HSM50.

18


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

TỔNG QUAN
Hiện nay, việc nghiên cứu một cách đầy đủ về các bộ điều khiển dùng
cho các máy CNC đang được sử dụng tại Việt Nam là chưa có. Cơ sở thiết kế
một bộ điều khiển và các ứng dụng của nó thì lại càng hiếm. Có những đề tài
đi sâu vào lập trình PLC cho một bộ điều khiển cụ thể nào đó mà không đưa
ra được phương pháp thiết kế một phần mềm PLC như thế nào làm cho những
người đi sau nếu có nghiên cứu tiếp về bộ điều khiển đó cũng rất khó đi tiếp
trên cơ sở của đề tài trên.
Vì vậy, trong khuôn khổ đề tài này sẽ tập trung “Nghiên cứu lập trình
PLC và khảo sát đặc tính ổn định khi gia công trên máy phay cao tốc
HSM50”. Khi nghiên cứu tập trung trong một tiến trình sẽ gặp phải những
vấn đề mà nếu nghiên cứu riêng rẽ không gặp phải, qua đó giải quyết được
những vấn đề đó sẽ làm
1.Phương pháp nghiên cứu

o Phương pháp nghiên cứu tổng hợp
o Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
o Phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống
o Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
2.Nội dung cần giải quyết của đề tài
Trong đề tài này tác giả chủ yếu nghiên cứu và giải quyết những vấn đề
như sau:

19


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Ø Tìm hiểu các chức năng của máy HSM50 và những yêu cầu đối
với bộ điều khiển CNC.
Ø Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình PLC cho bộ điều khiển kiểu PCBase.
Ø Xây dựng sơ đồ khối lập trình PLC cho các chức năng của máy
HSM50.
Ø Lập trình một số chức năng chính.
Ø Ứng dụng và đánh giá.

20


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC
1.1.Hiện tượng vật lý khi gia công cao tốc.
Theo kết quả của những tiến bộ trong các máy công cụ và công nghệ cắt

giảm dụng cụ cắt, trong những thập kỷ gần đây nhiều công trình nghiên cứu
về máy như: tiện, phay và khoan đã trở nên hiệu quả, linh hoạt và thông qua
quy trình công nghệ để sản xuất ra các sản phẩm có độ chính xác cao và chất
lượng bề mặt tố phục vụ cho các ngành không gian vũ trụ, ô tô, khuôn
mẫu…Những quá trình này bao gồm: Tiện cúng, phay cao tốc và khoan cao
tốc, cho đến gần đây, công nghệ phay cao tốc được áp dụng cho các hợp kim
nhôm để sản xuất các bộ phận phức tạp được sử dụng trong ngành công
nghiệp máy bay.Trong thập kỷ qua, với sự tiến bộ của máy công cụ và công
nghệ công cụ cắt, phay cao tốc có thể sử dụng để gia công các loại
thép(thường là độ cứng > 30 HRC) để làm khuôn mẫu, được sử dụng trong
việc sản xuất nhiều loại ô tô và linh kiện điện tử, cũng như các bộ phận của
khuôn đúc nhựa.
Để duy trì cạnh tranh trong một môi trường thị trường toàn cầu, các nhà sản
xuất phải nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí trong khi đáp ứng
yêu cầu khách hàng một cách chặt chẽ. Như vậy, gần đây nghiên cứu trong
công nghệ gia công đã được chủ yếu tập trung vào tăng hiệu quả thời gian
chạy máy, nếu hoạt động liên tục có thể được thực hiện trên một máy duy
nhất, nó sẽ giảm thời gian sản xuất loại bỏ các vấn đề chính xác liên quan đến
vấn đề gá đặt và kẹp lại. Lợi thế chủ yếu của gia công cao tốc như: lực cắt
thấp, sản phẩm ít biến dạng, độ chính xác tăng lên và đặc biệt là không phải
gia công tinh.

21


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Định nghĩa đầu tiên về HSM được đưa ra bởi carl Salomon vào năm 1931.
Khi ông tiến hành cắt kim loại ở các tốc độ cắt khác nhau. Gs C. Salomon đã
nghiên cứu trên thép( steel). Kim loại màu (non-ferrous metal) và các kim

loại nhẹ tại các tốc độ cắt: 440m/min(1444vòng/phút) (steel-thép).
1600m/min (5250 vòng/phút) (bronze- đồng thau), 2840m/min (9318
vòng/phút) (đồng). và lên 16500m/min (53133 vòng/phút) (nhôm), Các máy
công cụ thời đó là 1 hạn chế lớn cho các thí nghiệm của ông khi rất khó đạt
được 1 tốc độ gia công cao.Tuy nhiên các nghiên cứu của ông cho thấy rằng
khi tốc độ cắt đạt 5-10 lần tốc độ cắt truyền thồng thì nhiệt độ cắt sẽ giảm.

Hình 1.1.Quan hệ nhiệt độ và vận tốc cắt trong gia công cao tốc
Khi tăng tốc độ cắt → Lực cắt giảm, quá trình nhiệt được giải phóng theo
phoi cắt và theo thuyết của GS. Salomon (Salomon’s Theory ) khi gia công

22


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

tại một tốc độ nào đó, nhiệt độ gia công cắt gọt bắt đầu giảm. Nghiên cứu
mối quan hệ giữa lực cắt và tốc độ cắt, G.s Salomon đã đưa ra biểu đồ đường
cong thể hiện tốc độ cắt thích hợp của máy HSM, gọi là đường cong
Salomon.

Hình 1.2. Vùng tốc độ của HSM
Nhìn vào biểu đồ trên ta thấy : Tại vùng tốc độ của HSM thì lực cắtgiảm.
Đường “ chip break – down level “ là đường giới hạn mức bẻ phoi

23


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Hình 1.3. Thuộc tính chung của gia công cao tốc

Hình 1.4. Biểu đồ liên hệ giữa lượng tiến dao và tốc độ trục chính

24


VIỆN SĐH-ĐHBKHN

Như vậy có rất nhiều hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình gia công cao
tốc tuy nhiên trong luận văn này em xin trình bày 2 hiện tượng vật lý điển
hình đó là:Nhiệt cắt, lực cắt
1.1.1.Nhiệt cắt.
Xác định nhiệt độ tối đa và phân phối nhiệt độ dọc theo mặt cào của
dụng cụ cắt đặc biệt quan trọng bởi vì qua đó có thể kiểm soát được độ bền
của dụng cụ cắt cũng như chất lượng của phần gia công. Nhiều nỗ lực đã
được thực hiện, cách tiếp cận vấn đề với các phương pháp khác nhau bao
gồm: phân tích thí nghiệm và phân tích số.
Mặc dù đã nỗ lực nghiên cứu rất nhiều tuy nhiên vấn đề nhiệt cắt kim
loại, hầu như không có một sự đồng nhất về các nguyên tắc cơ bản. Mối liên
hệ duy nhất xảy ra trong việc cắt kim loại là tính định vị cao và phi tuyến
tính, xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất cao và biến dạng cao. Điều này đã làm cho
nó rất khó để dự đoán một cách chính xác .
Trong quá trình cắt kim loại, dụng cụ thực hiện việc hành động cắt
trong khi đó việc chống lại sự cắt của vật liệu cũng đồng thời được diễn ra.
Điều này tạo ra một lượng nhiệt lớn trong phôi kết quả là xảy ra biến dạng
trong vùng cắt. Nhiệt độ trong vùng cắt đáng kể ảnh hưởng đến mối quan hệ
áp lực và biến dạng, gãy phoi và dòng chảy của vật liệu phôi.Nói chung, nhiệt
độ tăng làm giảm độ cứng của vật liệu phôi và do đó làm tăng độ dẻo của nó.
Đó là bây giờ giả định rằng hầu như tất cả các công việc được thực hiện bởi

dụng cụ và đầu vào năng lượng trong quá trình gia công được chuyển đổi
thành nhiệt

25