GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ CNC ĐẠI HỌC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.03 MB, 80 trang )
LỜI NÓI ĐẦU
Để tăng năng suất, độ chính xác gia công cũng như có thể thực hiện gia công các sản
phẩm có bề mặt phức tạp. Việc sử dụng máy công cụ CNC cho phép người thiết kế, chế
tạo thực hiện được các ý tưởng và chi tiết phức tạp. Môn học Công nghệ CNC là phần
nâng cao của các môn về công nghệ chế tạo máy trong cơ khí. Môn học này cung cấp cho
sinh viên những kiến thức cơ bản để thực hiện việc thiết kế và gia công một chi tiết máy
cụ thể trên máy công cụ điều khiển số CNC.
Giáo trình được chia làm 4 chương, trình bày từ lịch sử ra đời các máy CNC đến việc
thực hiện thao tác cụ thể để có thể tạo ra được sản phẩm trên loại máy này.
Giáo trình mới xuất bản lần đầu, không tránh được các sai sót. Vì vậy, rất mong được
sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp và độc giả.
Mọi ý kiến phản hồi xin gửi về địa chỉ:
Khoa Công nghệ Cơ khí - Đại học Điện lực
235 Hoàng Quốc Việt, Từ liêm, Hà nội
Điện thoại: 04-2185580
Email:
Các tác giả
1
MỤC LỤC
Lời nói đầu:............................................................................................................... 1
Mục lục ..................................................................................................................... 2
Chương 1: Khái niệm cơ bản ................................................................................ 4
1.1. Nguyên tắc của hệ điều khiển theo chương trình số ......................................... 4
1.2. Điều khiển NC ................................................................................................... 13
1.3. Điều khiển CNC ................................................................................................ 15
1.4. Điều khiển DNC ................................................................................................ 15
Chương 2: Máy công cụ CNC ............................................................................... 17
2.1. Khác biệt giữa máy truyền thống và máy CNC. ............................................... 17
2.2. Bộ phận điều khiển máy CNC........................................................................... 19
2.3. Hệ thống phần mềm CNC ................................................................................. 21
2.4. Xử lý thông tin trên hệ CNC ............................................................................. 21
2.4.1. Điều khiển đọc................................................................................................ 21
2.4.2. Bộ nhớ chương trình....................................................................................... 21
2.4.3. Cụm tính toán hiệu chỉnh. .............................................................................. 22
2.5. Hệ truyền động trên máy CNC.......................................................................... 23
2.5.1. Quá trình cấp dao............................................................................................ 23
2.5.2. Quá trình cấp chi tiết. ..................................................................................... 23
2.5.3. Các dạng cơ cấu dẫn hướng của máy công cụ điều khiển số. ........................ 25
2.5.4. Các xích động của máy CNC ......................................................................... 26
2.6. Sơ đồ động học máy CNC................................................................................. 27
Chương 3: Lập trình trên máy CNC .................................................................... 29
3.1. Cấu trúc một chương trình NC và các ký tự tiêu chuẩn .................................... 29
3.1.1 Vị trí của lập trình trên máy CNC trong quá trình gia công............................ 29
3.1.2 Cấu trúc một chương trình NC ........................................................................ 29
3.1.3 Cấu trúc của một câu lệnh .............................................................................. 30
3.1.4 Cấu trúc của một từ lệnh ................................................................................ 31
3.1.5 Các ký tự tiêu chuẩn ...................................................................................... 32
3.2. Hệ thống điều khiển và địa chỉ tương thích....................................................... 34
3.2.1 Các hệ tọa độ trên máy CNC : ........................................................................ 34
3.2.2 Xác định hệ tọa độ của máy và chi tiết : ......................................................... 37
3.2.3 Các điểm 0 và điểm chuẩn trên máy CNC ..................................................... 39
3.2.4 Ghi kích thước cho chi tiết gia công CNC : ................................................... 43
3.2.5 Các dạng nội suy : .......................................................................................... 45
3.2.6 Các dạng điều khiển CNC .............................................................................. 46
3.3. Lập trình trức tiếp trên máy CNC...................................................................... 51
3.3.1 Các hình thức tổ chức lập trình ...................................................................... 51
2
3.3.2 Lập trình trực tiếp trên máy............................................................................. 52
3.3.3 Phạm vi ứng dụng và ưu nhược điểm.............................................................. 53
3.3.4 Trình tự và nguyên tắc lập trình ..................................................................... 53
3.4. Lập trình trong quá trình chuẩn bị sản xuất....................................................... 54
3.4.1 lập trình trong quá trình chuẩn bị sản xuất ..................................................... 54
3.4.2 Phạm vi sử dụng và ưu nhược điểm ............................................................... 54
3.4.3 Sự khác nhau giữa lập trình chuẩn bị sản xuất và lập trình phân xưởng ..... 55
3.5. Lập trình bằng tay.............................................................................................. 56
3.5.1 Khái niệm. ....................................................................................................... 56
3.5.2 Ngôn ngữ lập trình .......................................................................................... 57
3.6. Lập trình với các tham số .................................................................................. 58
3.6.1 Khái niệm ........................................................................................................ 58
3.6.2 Ví dụ về lập trình với tham số ......................................................................... 59
3.6.3 Lập trình tham số với các phép tính toán học ................................................. 60
3.6.4 Chương trình Macro sử dụng các thông số ..................................................... 61
3.6.5 Hiệu chỉnh cho dụng cụ cắt CNC :.................................................................. 63
Bài tập chương 3....................................................................................................... 70
Chương 4: Một số máy CNC thông dụng khác ................................................... 72
4.1. May gia công bằng tia lửa điện ......................................................................... 72
4.1.1. Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 72
4.1.2. Bản chất vật lý của quá trình ăn mòn xung tia lửa điện ................................ 73
4.2. Máy gia công bằng tia nước .............................................................................. 75
4.2.1. Nguyên lý gia công........................................................................................ 75
4.2.2. Các thông số công nghệ. ................................................................................ 75
4.2.3. Ưu điểm và phạm vi ứng dụng. ..................................................................... 76
4.3. Máy cắt dây ....................................................................................................... 76
Tài liệu tham khảo.................................................................................................. 80
3
CHƯƠNG I
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. NGUYÊN TẮC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ
Máy điều khiển số (Computer Numerical Control - CNC) đã ra đời từ lâu, năm
1808 được coi là thời điểm ra đời của máy điều khiển số, khi mà Joseph M. Jacquard cho
ra đời chiếc máy dệt dùng tấm thép trên đó có lỗ để tự động điều khiển đường chuyển
động của kim dệt. Tuy nhiên khi đó nó chưa được phát triển mạnh mẽ vì chưa có máy và
hệ điều khiển số thích hợp.
Chương trình điều khiển máy mà thông tin điều khiển viết dưới dạng “ 1 “ và “
0 ” được gọi là chương trình điều khiển số và máy được điều khiển theo chương trình
trên gọi là máy điều khiển theo chương trình số. Tấm thép mang chương trình điều khiển
tự động hoàn chỉnh trên được xem là vật lưu trữ chương trình điều khiển máy.
Khi nói đến sự hình thành và phát triển các dạng máy công cụ điều khiển số
không thể nói tới sự ra đời và phát triển của máy tính tính số. Phát minh ra máy tính là
một bước ngoặt quan trọng của điều khiển số.
Với việc phát triển mạnh mẽ của máy tính và kỹ thuật một loạt thế hệ máy mới
đã ra đời. Vào năm 1976 người ta đưa máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC
nhằm mở rộng đặc tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy so với các máy NC. Các
máy này chính là máy CNC ( Computer Numerical Control ).
Cùng với việc mở rộng đặc tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy ( ứng
dụng máy tính vào hệ thống điều khiển ) thì các chức năng trợ giúp cho quá trình gia
công ngày càng phát triển và năm 1965 hệ thống thay dao tự động được đưa vào sử dụng
và người ta còn trang bị cho máy CNC nhiều hệ thống khác nữa như hệ thống kiểm tra
các thông số của quá trình cắt gọt …Làm cho các chức năng của máy CNC ngày càng mở
rộng và hoàn thiện.
Năm 1958 người ta sử dụng một số từ tiếng Anh làm kí tự để hình thành
chương trình điều khiển máy. Hệ điều khiển máy gồm chương trình điều khiển, chương
trình tính toán thông số hình học, tính toán lựa chọn chế độ gia công như tốc độ cắt,
lượng chạy dao, chiều sâu cắt, bôi trơn làm mát. Tập hợp các ký tự hình thành chương
trình dùng để điều khiển máy được gọi là ngôn ngữ APT ( Automatically Programmed
Tool ). Nhờ có ngôn ngữ lập trình mà công việc viết chương trình gia công hay việc sửa
đổi chương trình, cung như việc lưu trữ chương trình được thực hiện một cách dễ dàng.
Và người ta đã phát triển ra mhiều dạng chương trình điều khiển khác nhau : ADAPT,
AUTOSPOT….
Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật một loạt các hệ thống gia
công hiện đại, tiên tiến ra đời như: năm 1979 hệ thống CAD – CAM – CNC; năm 1984
đồ hoạ máy tính phát triển, được ứng dụng để mô phỏng quá trình gia công trên máy
công cụ… Và ngày nay là các hệ thống sản xuất linh hoạt, hệ thống sản xuất tích
hợp…để đáp ứng với sự thay đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm nhằm phục vụ nhu cầu luôn
thay đổi của con người.
Điều khiển số (NC) trong 30 năm qua đã tác động mạnh tới ngành chế tạo máy, đã
tạo ra các thế hệ máy mới và công cụ tự động hóa cơ khí mới. Ngày nay máy điều khiển
4
số là thành phần cơ bản của gia công linh hoạt. Để có thể đáp ứng được nhu cầu cao, từng
máy điều khiển phải có khả năng đảm nhận những chức năng điều khiển nhất định.
Trong thời gian đầu chưa có máy điều khiển số thích hợp, người ta chưa biết được
những yêu cầu phụ phát sinh khi cài đặt hệ thống điều khiển số vào máy thường và phải
thay đổi gì về mặt kết cấu máy. Do vậy, người ta bắt đầu từ máy phay và tiện. Những
máy này đã được chế tạo phù hợp với phương thức điều khiển theo chương trình số hoặc
được trang bị các cơ cấu chép hình và trên cơ sở đó trang bị cho chúng các hệ thống đo
và hệ khởi động dùng cho chế độ điều khiển số. Nhờ đó, chỉ sau một năm thế hệ máy mới
ra đời. Đó là máy điều khiển số với những nét đặc trưng cơ bản của máy điều khiển theo
chương trình số như sau:
- Tự động hóa cao.
- Tốc độ dịch chuyển, tốc độ quay cao (> 103 vòng/phút).
- Tốc độ chính xác cao (sai lệch kích thước gia công đạt tới µ m ).
- Năng suất gia công cao (gấp 3 lần năng suất gia công của máy thường).
- Tính linh hoạt cao (thích nghi nhanh với đối tượng gia công thay đổi, phù hợp với
sản xuất loạt nhỏ).
- Tập trung nguyên công cao (gia công nhiều bề mặt của chi tiết trong một lần gá
phôi).
- Chuẩn bị công nghệ để gia công chi tiết phải được lập trình để điều khiển máy
theo ngôn ngữ mà hãng chế tạo máy đã cài đặt cho hệ điều khiển NC, CNC.
- Máy gia công CNC có giá trị kinh tế rất lớn những giá thành máy lại cao. Mỗi một
máy công cụ được cấu tạo từ một tổ hợp những trục thẳng và quay (linear and rotate
axises). Để có thể điều khiển các trục này bằng chương trình số phải có hai điều kiện:
+ Mỗi trục NC cần có một hệ thống đo về dịch chuyển bằng điện tử.
+ Mỗi trục NC cần có một khớp trực tiếp với hệ điều khiển số.
Nhiệm vụ của chương trình NC là so sánh các giá trị cần đạt về vị trí đã định trước
với các giá trị thực tế về vị trí do hệ thống đo về dịch chuyển thông báo. Và khi có sai
lệch giữa hai giá trị này nó sẽ phát ra một tín hiệu điều chỉnh truyền đạt tới các bộ phận
dẫn động của các trục để cân bằng các sai lệch đó. Nguyên lý nạp và xử lý các thông tin
hình học trong một vòng điều khiển khép kín (Control Cycle).
Điều khiển theo quỹ đạo liên tục thông báo các giá trị mới mà các trục điều khiển
phải đạt tới, nhờ đó có thể đạt tới những chuyển động liên tục theo quỹ đạo.
Ở máy tiện, trục chính của máy cũng được xác lập là trục điều khiển số nếu sử dụng
những dụng cụ được phát động để khoan hoặc phay.
Phần lơn các trung tâm gia công được trang bị bàn tròn quay điều khiển NC. Bàn tròn
quay theo nhịp ví dụ như nhịp quay 4 trung tâm tiện 4x900 hoặc 12x300, không tính vào
các trục điều khiển NC.
Cấu trúc điện tử của các hệ điều khiển CNC ngày nay đã được thiết lập dựa trên cơ sở
sử dụng các bộ vi sử lý (microprocessors) 16 và 32 bit và các mạng tích hợp IC (Integrate
Circuit), số lượng các bộ vi sử lý được sử dụng cho hệ CNC thường từ 2 đến 5.
5
Bộ đọc băng đục lỗ
Bộ nhớ
chuơng trình
X
1
1
2
5
Giá trị yêu cầu
+
Sai lệch
Giá trị thục
_
Hệ đo
Động cơ
Bàn máy
Hỡnh 1.1. Nguyờn lý mỏy iu khin s
1. Dũng lu thụng tớn hiu.
Hỡnh 2.2 trỡnh by mụ hỡnh dũng lu thụng tớn hiu trong h iu khin s, trong ú
chia thnh cỏc lp thụng tin sau õy :
- Lp 1: Np d liu.
* Bng tay, nh bng iu khin
- Bng tay, nh cỏc c cu c khớ (tay quay,tay gt ) cp xung . Dng tớn hiu
ny gii hn cho vic gia cụng cỏc chi tit l, kt cu n gin hoc cho cỏc quỏ
trỡnh iu khin mỏy.
- Bng u c cỏc vt mang tin.
- Trc tip (online) t b nh ca mt mỏy tớnh iu hnh.
- Lp 2: Lu tr.
Thụng tin u vo c lu tr trong cỏc b nh bỏn dn chng trỡnh gia
cụng chi tit bao hm cỏc thụng tin hỡnh hc v thụng tin cụng ngh c lu tr
trong b nh RAM. Cỏc d liu hiu chnh mỏy cng c lu tr trong b nh
RAM hoc EAROM. Cỏc d liu chng trỡnh cho cm iu khin tng thớch
c lu tr trong PROM.
- Lp 3: Lu chuyn.
Trong lp ny, cỏc d liu chng trỡnh bt u c x lý. ng dch
chuyn cn thc hin trong cõu lnh k tip c tớnh toỏn, qu o tng quan
vi biờn dng lp trỡnh c tỡm ra cú tớnh n khong cỏch bự dao. Cỏc th phỏp
kim tra, nghim li nhng thụng s chng trỡnh quan trng (nh im kt thỳc
mt ng cong phi tuyn ...).
6
Hình 1.2: Nguyên lý vận hành của một máy công cụ điều khiển số
7
Hình 1.3: Lưu thông tín hiệu trong hệ điều khiển số
- Lớp 4: Lưu xử lý.
Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm ra những giá trị cần về vị trí cho mạch
điều chỉnh vị trí trên từng trục chạy dao. Nó cũng đưa ra các số liệu điều khiển
trục chính công tác, cũng như điều khiển chung toàn máy.
- Lớp 5: Điều chỉnh.
8
Gồm các cụm điều chỉnh vị trí , điều khiển tốc độ dịch chuyển trên các trục
cho phù hợp với tốc độ chạy dao đã lập trình, tuỳ thuộc vàovị trí tức thời của mỗi
trục.
- Lớp 6: Điều khiển toàn máy.
2. Hệ thống số và mã số.
- Biểu thị:
VD : Con số 100 được biểu thị trong hệ thống nhị phận như sau :
1002 = 1.26 + 1.25 +0.24 + 0.23 + 1.22 + 0.21 + 0.20 = 1100100
tương ứng trong hệ thập phân là
64 + 32 + 0 + 0 + 4 + 0 + 0 = 10010
- Ý nghĩa:
Các giá trị con số được biểu thị dưới dạng hai ký tự 1 và 0, chúng sẽ được kỹ thuật
thực hiện tương đối đơn giản. VD: cấp dòng năng lượng là tương ứng với trạng thái 0. Về
mặt kỹ thuật tin học, dạng khác nhau của dòng năng lượng không có ý nghĩa gì, dù nó là
năng lượng điện, nhiệt, quang, thuỷ lực hay khí nén ... Xử lý tin chỉ quan tâm đến ký tự
biểu thị trạng thái và do đó ý nghĩa quan trọng của hệ nhị phân nằm trong giải pháp điện
tử cho các tín hiệu 0 và 1. Các tín hiệu điện tử này có tốc độ xử lý cao, lại có mật độ tích
chứa lớn trong các phần tử bán dẫn.
- Quy đổi từ hệ thập phân sang hệ nhị phân:
VD: Quy đổi giá trị thập phân Z10 = 23,625
Chia cột từ dấu phẩy
23
0,325
(Liên tục chia cho 2)
(liên tục nhân với 2)
23 : 2 = 11 lẻ 1
0,625 x 2 =1,250 = 0,250 + 1
11 : 2 = 5 lẻ 1
0,25 x 2 = 0,50 = 0,50 +
0
5 : 2 = 2 lẻ 1
0,50 x 2 = 1,00 = 0,00 +
2 : 2 = 1 lẻ 0
1
1 : 2 = 0 lẻ 1
Vậy giá trị tương ứng trong hệ nhị phân là: Z2 = 10111,101
Đổi ngược lại ta có:
Z10 = 1.24 + 0.23 + 1.22 + 1.21 + 1.20 + 1.2-1 + 0.2-2 + 1.2-3
= 16 + 0 + 4 + 2 + 1 + 1/2 + 0 + 1/8
9
=
23 + 0,5 + 0,125
= 23,625
3. Hệ thống ký tự số – chữ cái nhị phân.
- Hệ nhị phân thuần tuý (chỉ biểu thị các con số) được ứng dụng để xử lý số liệu trong
nội bộ hệ điều khiển.
- Để đưa vào hay xuất ra những thông tin cho hệ điều khiển, ngoài những con số còn
cần đến các ký tự chữ cái, dấu trong câu, dấu biểu trưng, dấu phép tính ... Những ký tự đa
dạng này có thể được trình bày nhờ các tổ hợp ký tự 1 và 0 thuộc hệ nhị phân.
- Quy luật tổ hợp các ký tự 0 và 1 để biểu thị nhiều ký tự khác nhau được gọi là mã
hoá (code) và được tiêu chuẩn hoá (quốc gia, quốc tế ), (VD DIN 66024).
- Ký tự 0 và 1 được gọi là Bit (Binary digit ) là đơn vị thông tin nhỏ nhất.
- Các mã số ứng dụng trong quá trình cấp và chuyển giao thông tin trong điều khiển
số phải thoả mãn điều kiện sau:
* Phải là mã nhị phân : các ký tự truyền đi phải được biểu thị bằng tổ hợp các ký tự
0 và 1.
* Mã số phải đảm bảo đủ nhiều khả năng tổ hợp các ký tự nhị phân, nhờ đó tất cả các
chữ cái, chữ số cũng như các ký tự đặc biệt, dấu hiệu hoạt động, dấu hiệu tính toán đều
có thể biểu thị được.
* Mã số phải được xây dựng sao cho các lỗi trong khi truyền đạt thông tin được
nhận ra một cách tự động.
* Mã số cần tương thích được với tất cả các mã truyền đạt thông tin trong xử lý số
nói chung.
- Trong hệ điều khiển số, để truyền đạt thông tin thường dùng mã số theo tiêu chuẩn
DIN 66024. Đây là 1 tiêu chuẩn con nằm trong hệ tiêu chuẩn Mỹ ASCII (American
Standard Code for Information Interchange).
- Mã số này cho phép trình bày toàn bộ các thông tin cần thiết cho hoạt động của máy
công cụ điều khiển theo chương trình số.
- Mã số theo tiêu chuẩn DIN 66024 cũng là mã ISO. Đó là hệ mã số 7bit, mỗi một ký
tự biểu đạt đều được trình bày qua sự tổ hợp của 7 bit, Như vậy, ta có thể biểu đạt được :
27 = 128 ký tự khác nhau
-7 bit của một kí tự được bổ sung thêm bit thứ 8 – bít kiểm tra. Sao cho mỗi kí tự
đều thường xuyên đưa ra số chẵn của mỗi bit.
- Sau đây là bảng trình bày mã số theo DIN 66024 cho 50 ký tự có các tổ hợp bit xác
định.
10
Bảng 1.1. Bảng mã hóa
Bít – Nr. (K = bít kiểm tra)
K
7
6
5
4
Số rãnh (T = rãnh chu kỳ)
8
7
6
5
4
24
23
Mã nhị phân
Nr
Ký tự
Tổ
hợp
1
NUL
0
0
2
BS
1
3
HT
4
T
3
2
1
3
2
1
22
21
20
ký tự
0
và
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
LF
0
0
0
0
1
0
0
1
0
5
CR
1
0
0
0
1
0
1
0
1
6
SP
1
0
1
0
0
0
0
0
0
7
(
0
0
1
0
1
0
0
0
0
8
)
1
0
1
0
1
0
0
0
1
9
%
1
0
1
0
0
0
1
0
1
10
:
0
0
1
1
1
0
0
1
0
11
/
1
0
1
0
1
0
1
1
1
12
+
0
0
1
0
1
0
0
1
1
13
-
0
0
1
0
1
0
1
0
1
14
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
15
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
16
2
1
0
1
1
0
0
0
1
0
17
3
0
0
1
1
0
0
0
1
1
18
4
1
0
1
1
0
0
1
0
0
19
5
0
0
1
1
0
0
1
0
1
11
1
20
6
0
0
1
1
0
0
1
0
1
21
7
1
0
1
1
0
0
1
1
1
22
8
1
0
1
1
1
0
0
0
0
23
9
0
0
1
1
1
0
0
0
1
24
A
0
1
0
0
0
0
0
0
1
25
B
0
1
0
0
0
0
0
1
0
26
C
1
1
0
0
0
0
0
1
1
27
D
0
1
0
0
0
0
1
0
0
28
E
1
1
0
0
0
0
1
0
1
29
F
1
1
0
0
0
0
1
1
0
30
G
0
1
0
0
0
0
1
1
1
31
H
0
1
0
0
1
0
0
0
0
32
I
1
1
0
0
1
0
0
0
1
33
J
1
1
0
0
1
0
0
1
0
34
K
0
1
0
0
1
0
0
1
1
35
L
1
1
0
0
1
0
1
0
0
36
M
0
1
0
0
1
0
1
0
1
37
N
0
1
0
0
1
0
1
1
0
38
O
1
1
0
0
1
0
1
1
1
39
P
0
1
0
1
0
0
0
0
0
40
Q
1
1
0
1
0
0
0
0
1
41
R
1
1
0
1
0
0
0
1
0
42
S
0
1
0
1
0
0
0
1
1
12
43
T
1
1
0
1
0
0
1
0
0
44
U
0
1
0
1
0
0
1
0
1
45
V
0
1
0
1
0
0
1
1
0
46
W
1
1
0
1
0
0
1
1
1
47
X
1
1
0
1
1
0
0
0
0
48
Y
0
1
0
1
1
0
0
0
1
49
Z
0
1
0
1
1
0
0
1
0
50
DEL
1
1
1
1
1
0
1
1
1
Bít kiểm tra
Vùng bít dành cho các ký tự chữ cái
Vùng bít dành cho các ký tự số thập phân
Các giá trị số trong hệ nhị phân
Rãnh dẫn băng
Các giá trị số trong hệ nhị phân
1.2. ĐIỀU KHIỂN NC
Cuối những năm 40, dự án nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số được triển khai tại Học
viện công nghệ MIT (Massachusetts) trong sự phối hợp với ngành công nghiệp hàng
không Hoa Kỳ.
- Năm 1953 công bố sáng chế máy phay điều khiển theo chương trình số NC.
- Năm 1959 Những máy NC đầu tiên của Châu Âu được trưng bày tại triển lãm
máy công cụ tại Paris.
- Năm 1960, máy NC ở thời kỳ này được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp
hàng không. Bởi kích thước còn lớn, nhạy cảm với môi trường và đắt do trình độ kỹ thuật
đương thời của bóng đèn điện tử và rơ le (cơ/ điện/ thuỷ).
- Sau năm 1960, là máy NC của nền công nghiệp điện tử điôt và tranzito, nhưng
đa số các linh kiện vẫn đòi hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ lớn, còn rất nhiều mối hàn và
giao diện ghép nối, vừa tốn kém chi phí chế tạo vừa hạn chế độ tin cậy trong vận hành
điều khiển. Thông tin điều khiển ghi trên băng đục lỗ, dung lượng thấp, phải đọc thông
tin theo từng bước, khi gia công nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ cho
từng lần gia công. Khi thay đổi chương trình đều khiển chẳng hạn muốn thay đổi chế độ
cắt cho phù hợp hơn, đòi hỏi phải cải biến hay làm lại băng đục lỗ.
13
Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ điều khiển số (NC) có liên hệ với hệ thống đo vị trí hiên số và mạch điều
chỉnh vị trí (giai đoạn 1960-1970).
Trong đó:
A: Băng đục lỗ
G: Khuyếch đại điều chỉnh
B: Mạch logic ghép cứng
H: Động cơ chạy dao
C: So sánh giá trị cần - thực về vị trí
I: Vị trí đo tốc độ
D: Biến đổi số tương tự
J: Bàn máy
E: Khuyếch đại
K: Cụm đo vị trí
F: So sánh giá trị cần - thực về tốc độ
L: Biến đổi tương tự / số
Hình 1.5: Sơ đồ khối của hệ điều khiển số (thế hệ thứ 2).
- Trong những năm 70, là thời kỳ của máy điều khiển số ứng dụng kỹ thuật vi điện tử
và vi mạch tích hợp. Những hệ NC sử dụng các bản mạch logic nối cứng được thay thế
bởi các hệ điều khiển có bộ nhớ với dung lượng lớn. Do nối ghép các cụm vi tính vào hệ
điều khiển số mà những phần cứng có nhiệm vụ chuyên dụng trước đây được thay thế
bởi các phần mềm linh hoạt hơn. Dung lượng nhớ ngày càng được mở rộng, tạo điều kiện
lưu trữ trong hệ điều khiển số trước hết là từng chương trình đơn lẻ, sau đó là cả một thư
viện chương trình, lại có thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng thông qua cấp
lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy.
14
1.3. ĐIỀU KHIỂN CNC
Chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý
cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý µP . Các hệ thống
CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng, dùng cho nhiều mục
đích điều khiển khác nhau.
- Vật mang tin từ từ băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến tới đĩa compact (CD) có dung
lượng nhớ ngày càng mở rộng, độ tin cậy và tuổi thọ cao.
- Việc cài đặt các máy tính (Computer) trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC
đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có
phòng lập trình riêng. Nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình được trực tiếp trên
máy. Dữ liệu nạp vào, nội dung lưu trữ, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cùng
các dữ liệu chỉ dẫn khác cho người điều khiển đều được hiển thị trên màn hình.
- Màn hình ban đầu chỉ là đen trắng với giao diện text, nay đã dùng màn hình màu
giao diện đồ hoạ, có độ phân giải cao (có thêm toán đồ và hình vẽ mô phỏng tĩnh hoặc
động). Biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thị.
- Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý
điều hành một cách tổng thể hệ thống sản xuất của một xí nghiệp hay của một tập toàn
công nghiệp.
Hình 1.6: Sơ đồ của hệ điều khiển CNC đa xử lý (mức phát triển hiện tại).
Trong đó:
A: Nạp dữ liệu chương trình
I: Cụm đo tốc độ
B: Biến đổi số tương tự
J: Bàn máy
H: Động cơ chạy dao
K: Cụm đo vị trí
1.4. ĐIỀU KHIỂN DNC (Direct Numerical Control
Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng cục bộ và liên thông
phát triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các nhà công nghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt
động của nhiều máy CNC dưới sự quản lý của một máy tính trung tâm DNC (Directe
Numerical Control) với mục đích khai thác một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp
các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất và quản lý chất lượng sản phẩm...
15
Hình 1.7. Mô hình điều khiển DNC
Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ
rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM (Computer Integrated
Manufacturing) với việc trang bị thêm các robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống
đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã
mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể.
Hình 1.8. Mô hình tổ hợp sản xuất
16
CHƯƠNG II
MÁY CÔNG CỤ CNC
2.1. KHÁC BIỆT GIỮA MÁY TRUYỀN THỐNG VÀ MÁY CNC.
Về cơ bản cả máy công cụ vạn năng và máy công cụ điều khiển số đều có các modul
về kết cấu khung giống nhau, đó là:
- Đế máy.
- Thân máy.
- Bàn trượt.
- Đầu trục chính.
Hình 2.1: Máy phay thông thường
Hình 2.2. Máy phay CNC
17
Những điểm chi tiết về sự giống và khác nhau giữa máy công cụ vạn năng và máy
công cụ điều khiển số:
Bảng 2.1. So sánh hai loại máy
Máy
Máy công cụ vạn năng
Máy công cụ điều khiển số
Nội dung so sánh
Nguồn động lực
- Động cơ 3 pha thông
thường.
- Động cơ 1 chiều điều khiển
vô cấp.
- Động cơ AC – xoay chiều
biến tần đièu khiển vô cấp.
- Động cơ bước (step – motor).
- Động cơ bước và động cơ
thuỷ lực.
Tốc độ truyền dẫn
- Phân cấp
- Vô cấp.
Truyền động
- Liên hệ nối tiếp (thông - Độc lập.
qua hộp số)
Biến đổi truyền dẫn
- Thanh răng/ bánh răng - Thanh răng/ bánh răng yêu
thường.
cầu có cơ cấu kẹp khử khe hở.
- Vít me/ đai ốc thường.
- Vít me/ đai ốc bi.
Điều khiển
- Các công tắc và tay gạt - Điều khiển số, bảng điều
cơ khí (điều khiển bằng khiển + màn hình hiển thị.
tay).
Tính điển hình của xích
động
- Dài, thông qua nhiều cơ - Ngắn nhất như có thể.
cấu.
- Mềm dẻo( mang tính linh
- Cứng, khó thay đổi.
hoạt trong quá trình thay đổi
tốc độ).
Đối với sản xuất loạt nhỏ và vừa, máy CNC trong nhiều trường hợp là công cụ gia
công có những nét ưu điểm hơn so với máy thường ở những điểm sau:
-
Gia công được các chi tiết phức tạp hơn.
-
Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn.
-
Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao và giảm thời gian
phụ.
-
Tính linh hoạt cao hơn.
-
Độ lớn loạt tối ưu nhỏ hơn.
18
-
Độ chính xác gia công ổn định đều.
-
Chi phí kiểm tra giảm.
-
Chi phí cho phế phẩm giảm.
-
Hoạt động liên tục trong nhiều ca sản xuất.
-
Một công nhân có thể vận hành nhiều máy đồng thời.
-
Hiệu suất cao hơn.
-
Tăng năng lực sản xuất.
-
Một công nhân có thể vận hành nhiều máy đồng thời.
-
Hiệu suất cao hơn.
-
Tăng năng lực sản xuất.
-
Có khả năng thích hợp trong gia công linh hoạt.
Những nét ưu việt của máy NC ở trên đây là không phụ thuộc vào kiểu máy, những
máy NC có khả năng lập trình tại xưởng sản xuất, theo nhận xét của các nhà sản xuất có
nhiều kinh nghiệm thì chúng cũng có tính linh hoạt cao hơn và đồng thời tiết kiệm được
thời gian. Điều quan trọng là người ở xưởng sản xuất chấp nhận máy NC, vận hành được
máy NC, được đào tạo tốt và có khả năng khắc phục được các sự cố nhỏ.
2.2. BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC
Đối với các loại máy công cụ điều khiển số CNC về cơ bản có hai thành phần :
* Cụm điều khiển máy MCU (Machine Control Unit)
- Cụm điều khiển được hình thành trên cơ sở thiết bị điều khiển điện tử, thiết bị vào ra
và các thiết bị số. Nó được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số CNC
* Cụm dẫn động (Driving unit)
- Cụm dẫn động là tập hợp những động cơ, sensor phản hồi,phần tử điều khiển,khuếch
đại và các hệ dẫn động.Trong đó dộng cơ và các sensor phản hồi là thành phần đặc
trưng cho máy công cụ điều khiển số CNC
Cụm điều khiển có nhiệm vụ liên kết các chức năng để thực hiện điều khiển máy.Các
chức năng ấy bao gồm :
1. Số liệu vào (Data input):
- Chức năng này đảm nhận việc vào và lưu trữ dữ liệu đầu vào. Đó là số liệu mô tả
đường chạy dao và điều kiện gia công sản phẩm.
2. Xử lý số liệu (Data procesing):
19
- Sau khi nhận được cấu trúc chương trình điều khiển, MCU sẽ tiến hành mã hoá nó
thành số nhị phân (0/1) và lưu dữ trong bộ nhớ đệm. Các số liệu này được bộ xử ký trung
tâm tính toán, xác định vị trí , kích thước, lượng chạy dao và hiệu chỉnh dụng cụ cũng
như các số liệu rời rạc như yêu cầu điều khiển quá trình đóng ngắt chất bôi trơn làm mát
và đảm bảo trình tự truyền tín hiệu giữa máy công cụ, PMC(điều khiển trình tự) và các hệ
điều khiển CNC.
3. Số liệu ra (Data output)
- Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu vị trí và lượng chạy dao. Các tín hiệu này được
gửi tới mạch điều khiển secvo để sinh ra tín hiệu điều khiển dộng cơ.
4. Ghép nối vào ra (Machine I/O interface)
- Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục chính, đóng mở động
cơ làm mát, bôi trơn, dừng khẩn cấp, dừng chu trình và các tín hiệu khác từ máy công cụ
gửi tớ hệ điều khiển CNC.
5. Phần cứng điều khiển
Hình 2.3. Cấu trúc phần cứng điều khiển
Phần cứng hệ điều khiển gồm sáu thành phần cơ bản :
Hình 2.4. Sơ đồ khối cụm điều khiển máy CNC
20
2.3. HỆ THỐNG PHẦN MỀM CNC
Phần mềm hệ thống bao gồm nhiều khối liên kết với nhau (ví dụ: Vào/ ra, nội suy,
điều chỉnh vị trí). Những bộ phận chương trình này được xử lý theo chu kỳ trong đó đòi
hỏi những chu kỳ từ ngoại vi (Hardwware – Interrupts = lệnh ngắt thuộc phần cứng) hay
qua phần mềm của hệ thống (Software – Interrupts = lệnh ngắt thuộc phần mềm được xử
lý.
Hình dưới đây chỉ rõ cấu trúc ưu tiên trong phần mềm hệ thống của một hệ điều
khiển số. Các chương trình có mức ưu tiên thấp hơn. Tuy nhiên nhìn chung phải đảm bảo
được mỗi một khối chương trình có thể chạy lai được thường xuyên và chỉ như thế thì
toàn bộ hệ thống mới hoạt động tốt.
2.4. XỬ LÝ THÔNG TIN TRÊN HỆ CNC
Hình 2.5: Dòng thông tin trong mạch điều khiển vị trí của hệ CNC
2.4.1. Điều khiển đọc.
Điều khiển đọc bao quát cả quá trình đọc tin. Nó kiểm tra các thông tin đã được
đọc về tính đúng đắn của hình thức cấu trúc tin (tính chẵn của số Bit trong mã ISO hay
DIN 66024) và ngừng ngay quá trình đọc khi phát hiện các cấu trúc tin mắc lỗi.
2.4.2. Bộ nhớ chương trình.
Bộ nhớ chương trình đảm bảo chuẩn bị và thực hiện các bước xử lý song song (xử
lý đồng thời ) các thông tin của một công đoạn gia công vốn đã được đọc vào theo thứ tự
từng bước (dạng chuyển động, tọa độ của điểm kết thúc chuyển động, tốc độ trên đường
biên dạng, số vòng quay và chiều quay của trục chính.
Dung lượng bộ nhớ của các hệ CNC hiện đại cho phép nội dung thông tin của
nhiều chương trình con được lưu trữ cùng lúc trong bộ nhớ.
21
2.4.3. Cụm tính toán hiệu chỉnh.
Có nhiệm vụ đảm bảo các dữ liệu chương trình đọc vào phù hợp với không gian làm
việc của máy. Các tính toán hiệu chỉnh còn được đòi hỏi:
- Đảm bảo xác định đúng vị trí của hệ toạ độ chi tiết gia công trong hệ toạ độ máy.
Nhờ vậy trong chương trình, tất cả các toạ độ điểm trên biên dạng đều được tính dựa trên
cơ sở hệ toạ độ chi tiết gia công (hình 2.4).
H : Gốc toạ độ máy.
W : Gốc toạ độ chi tiết.
X MW : Giá trị lượng dịch chuyển của
điểm W so với M theo hướng X.
Y MW : Giá trị lượng dịch chuyển của
điểm W so với M theo hướng Y.
Hình 2.4: Vị trí của hệ tọa độ chi tiết gia công
-
Đảm bảo tính toán biên dạng tương đương so với biên dạng chi tiết trong khoảng
cách bằng bán kính dao khi lập trình với các toạ độ của biên dạng chi tiết.
- Trên hình 2.5:
A: Điểm trên chi tiết tại đó điểm cắt của dao P cần phải đi tới.
N: Điểm chuẩn của cơ cấu kẹp dao.
P: Điểm chuẩn của dao cắt.
W: Điểm gốc của hệ tọa độchi tiết.
- Trên hình 2.6:
A: Biên dạng chi tiết.
B: Khoảng cách tương ứng so với biên dạng chi tiết theo bán kính dao phay.
C: Dao phay.
W: Gốc tọa độ chi tiết.
- Đảm bảo có tính đến sai lệch giữa kích thước chiều dài thực của dao so với kích
thước danh nghĩa (ZPA).
22
Hình 2.6: Tính toán khoảng cách
tương ứng theo bán kính dao
Hình 2.5: Lượng điều chỉnh tính
đến chiều dài thực của dao
- Trên hình 2.5:
VD: Khi lập trình rất dễ không để ý đến chiều dài dao. Đoạn ZNA được lập trình như
đoạn đường chạy vào tiếp cận với chi tiết gia công. Chiều dài thực của dao sẽ được đưa
vào xử lý ngay khi thao tác trên máy. Cụm tính toán hiệu chỉnh sẽ tính cho ta đoạn đường
tiếp cận tăng /giảm thích hợp:
ZPA = ZNA - ZPN
2.5. HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRÊN MÁY CNC
Cơ cấu dẫn hướng của máy công cụ điều khiển số phải đảm bảo hai chức năng cơ
bản sau:
-
Độ chính xác dẫn động các bàn xe dao và bàn máy.
-
Khả năng chịu lực trong quá trình cắt gọt.
2.5.1. Quá trình cấp dao.
Các thế hệ máy công cụ điều khiển số ngày nay được trang bị hệ thông cấp dao hoàn
chỉnh, trong đó quá trình cấp dao và chuyển đổi dụng cụ đều được thực hiện hoàn toàn tự
động.
Một nhóm dao được lựu chọn theo những nhiệm vụ công nghệ dự kiến trước, được
tập hợp vào cùng một ổ tích dao, từ ổ tích dao, từng con dao được chuyển đến cho cơ cấu
kẹp qua các tay máy đổi dao, đảm bảo vừa cắt ra và thay dao mới vào vị trí kẹp liên tục
trong quá trình gia công.
Thông thường có hai loại ổ tích dao: Ổ tích dao dạng đĩa hay dạng tang quay, và ổ
tích dao dạng xích.
23
tớch dao dng a (hay dng tang quay) õy l cú s lng dao v s lng dao
cha trong nú l c nh.
tớch dao dng xớch: õy l dng cỏc s lng dao cú th ln hn v cú th thay
th c.
Hốc chứa dao
Hốc chứa dao
Dao
Dao
ổ tích dao dạng xích
ổ tích dao dạng đĩa
Hỡnh 2.7. Chuyn ng cp da trờn mỏy CNC
Ngy nay vi cỏc mỏy tin iu khin s quỏ trỡnh thay dao ch l thay i nhng
mng ct u dao. Nhng mng ct ny c gi vo cỏc hc cha dao trờn mt tang
quay, nh cỏc c cu kp nhanh ct gỏ trờn phn u dao. Cú nhiu trng hp ngi ta
s dng tớch dao c lp vi mỏy v ni ghộp vi mt ROBOT trung gian. Tc thay
i nhanh cng l vn quan trng hin nay.
2.5.2. Quỏ trỡnh cp chi tit.
Mỏy cụng c iu khin s c phõn ra lm hai nhúm mỏy vi quỏ trỡnh cp chi tit
gia cụng:
Máy
chi tiết
ROBOT
Hệ thống băng tải chi tiết
Hỡnh 2.8. Chuyn ng cp da trờn mỏy CNC
Nhúm ny cú chi tit quay: Vi nhúm mỏy ny thng thỡ vic thay chi tit gia cụng
bao gm thỏo chi tit gia cụng ra v lp chi tit cha gia cụng vo c thc hin bi mt
Robot gn lin vi thõn mỏy. Kt cu ca mỏy khi ny ph thuc vo chuyn ng m ta
yờu cu Robot thc hin. Cỏc chi tit cha gia cụng cng nh cỏc chi tit ó gia cụng
c a trờn giỏ di ng dng bng ti, hoc t trờn mỏng dn m bo s dch chuyn
ca chỳng theo nguyờn tc trng lc.
24
Nhóm máy có dao quay: Với nhóm máy này các chi tiết được gá lắp cố định trên các
bàn gá chuẩn, các bàn gá chuẩn này được đặt trên băng tải và chuyển dao cho bàn máy
một cách tự động. Việc chuyển dao giữa băng tải và bàn máy cũng được thực hiện bởi
Robot.
2.5.3. Các dạng cơ cấu dẫn hướng của máy công cụ điều khiển số.
1. Cơ cấu dẫn hướng ma sát khô hay ma sát nửa ướt.
Đây là cơ cấu dẫn hướng đầu tiên được áp dụng trong ngành cơ khí. Bề mặt tiếp
xúc chính là bề mặt chịu tác động của lực ma sát trực tiếp hoặc gián tiếp qua màng
dầu bôi trơn định kỳ. Các cơ cấu này có chất lượng cao về độ cứng vững và độ hút
rung động. Tuy nhiên chỉ những bề mặt bôi trơn là đạt được tuổi thọ yêu cầu.
2. Cơ cấu dẫn hướng có các phần tử lăn
Những phần tử lăn ở đây có thể là những viên bi lăn, các con lăn hoặc kim lăn
được chia ra làm hai nhóm:
- Nhóm cơ cấu dẫn hướng không có hành trình lặp: Đoạn dịch chuyển bị hạn chế.
- Nhóm cơ cấu dẫn hướng có hành trình lặp: Đoạn dịch chuyển không hạn chế.
Các cơ cấu dẫn hướng này được ứng dụng chủ yếu trên các máy công cụ điều
khiển số hạng nhỏ với đặc tính cơ bản là lực dịch chuyển nhỏ, hệ số ma sát thấp. Độ
cững vững của hệ thống tăng lên khi đường kính của con lăn tăng lên hoặc số lượng
phần tử lăn tăng. Khi sử dụng hệ thống dẫn hướng loại này phải lấy hệ số quá tải
tăng lên đủ lớn để được độ cứng vững ổn định.
3. Cơ cấu dẫn hướng thuỷ khí
Các đặc tính của cơ cấu dẫn hướng thuỷ tĩnh và nguyên tắc hoạt động:
- Không có sự tiếp xúc giữa chi tiết dẫn hướng và chi tiết được dẫn hướng do đó
không dẫn đến hiện tượng mòn chi tiết dẫn hướng.
- Hệ số ma sát tăng cùng với tốc độ dịch chuyển (f = 0 khi v = 0) vì vậy đây
không phải là ưu điểm của hệ thống cơ cấu này.
- Có độ cứng vững cao và khả năng giảm chấn tốt.
Các đặc tính này có thể tính toán trước một cách chính xác, nhưng hệ thống này
có thể bị nóng lên, vì vậy cần phải tính đến khả năng này của hệ thống.
2.5.4. Các xích động của máy CNC
Các đặc điểm cơ bản của hệ thống máy công cụ điều khiển số:
Tất cả các đường chuyền động đến từng cơ cấu chấp hành của máy công cụ điều
khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ
còn hai loại cơ bản sau:
-
Xích động học công suất cắt gọt.
- Xích động học của chuyền động chạy dao.
Việc tính toán thiết kế, chế tạo được thực hiện theo môđun hoá.
25
