Giáo trình điều khiển máy tính vào hệ thống sản xuất

Điều khiển máy công cụ được định nghĩa là sự tác động lên các cơ cấu của máy để thực hiện quá trình công nghệ gia công chi tiết đạt các chỉ tiêu kỹ thuật, năng suất và chi phí [7].. Với

§µo V¨n HiÖp

§iÒu khiÓn sè m¸y c«ng cô

(Bµi gi¶ng)

Hµ Néi, 8-2009

Mục lục

Chương 1: Nhập môn điều khiển số máy công cụ 1

1.1 Khái quát về điều khiển quá trình công nghệ 1

1.1.1 Điều khiển quá trình công nghệ với máy công cụ truyền thống 3

1.3.2 Điều khiển quá trình công nghệ với máy tự động 3

1.3.3 Điều khiển thích nghi quá trình công nghệ 4

1.2 Các dạng điều khiển tự động máy công cụ 4

1.2.1 Điều khiển bằng cam 6

1.2.2 Điều khiển theo mẫu 6

1.2.3 Điều khiển nhờ bảng cắm 7

1.2.4 Điều khiển theo chương trình số 8

1.3 Điều khiển số máy công cụ 8

1.3.1 Khái niệm điều khiển số 8

1.3.2 NC và CNC 13

1.3.4 Trung tâm gia công CNC 17

1.3.5 Điều khiển số trực tiếp 20

1.4 Lịch sử phát triển của máy NC 22

1.4.1 Sự ra đời và phát triển của máy NC 22

1.4.2 Các giai đoạn phát triển 25

1.5 Các ưu, nhược điểm của máy CNC 26

1.5.1 Các ưu điểm của máy CNC 27

1.5.2 Các nhược điểm của CNC 32

1.6 Hướng sử dụng và phát triển máy CNC 33

1.6.1 Lựa chọn và sử dụng hợp lý máy CNC 33

1.6.2 Điều khiển thích nghi máy CNC 36

1.6.3 Máy có cấu hình thay đổi được 41

Chương 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 45

2.1 Nguyên tắc điều khiển CNC 45

2.1.1 Các phương pháp nội suy 46

2.1.2 Các kiểu điều khiển 48

2.3 Đặc điểm kết cấu và điều khiển các hệ thống 50

2.3.1 Hệ thống điều khiển trục chính 50

2.3.2 Hệ thống điều khiển chạy dao 51

2.3.3 Thiết bị gá kẹp chi tiết 54

2.3.4 Hệ thống thay dao tự động 55

Chương 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 59

3.1 Các chế độ làm việc của máy CNC 59

3.2 Cơ sở hình học của việc lập trình NC 60

3.2.1 Các hệ toạ độ 60

3.2.2 Phương pháp nhập toạ độ 61

3.2.3 Quy định gốc toạ độ phôi (zero phôi) 61

3.2.4 Bù thông số dao 64

3.3 Cơ sở công nghệ của việc lập trình NC 66

3.3.1 Cơ sở công nghệ tiện 66

3.3.2 Cơ sở công nghệ phay 66

3.4 Những vấn đề chung về lập trình NC 68

3.4.1 Cấu trúc của chương trình NC 68

3.4.2 Các phương pháp lập trình 69

3.4.3 Các loại ngôn ngữ lập trình 73

Tài liệu tham khảo 78

Chương 1: Nhập môn điều khiển số máy công cụ

Máy NC (Numerical Control Machine Tools) nếu được dịch một cách đầy đủ phải là máy công cụ điều khiển theo chương trình số, nhưng thường được gọi tắt là máy công cụ

điều khiển số hoặc máy NC Tuy cũng là một loại máy tự động như nhiều thế hệ máy tự

động trước, máy NC có những tiến bộ về nền tảng công nghệ và tính năng Để giúp bạn

đọc hiểu sâu sắc hơn về bản chất của NC, những ưu điểm và ứng dụng của máy NC, chúng tôi điểm qua về vấn đề tự động hoá quá trình công nghệ và về máy tự động nói chung trước khi đi vào những vấn đề cụ thể của máy NC

1.1 Khái quát về điều khiển quá trình công nghệ

Để đạt được kết quả gia công mong muốn, quá trình công nghệ (gia công trên máy

công cụ) cần phải được điều khiển Có thể nói lịch sử phát triển của khoa học công nghệ chế tạo máy gắn liền với lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển máy công cụ Điều khiển máy công cụ được định nghĩa là sự tác động lên các cơ cấu của máy để thực hiện quá trình công nghệ gia công chi tiết đạt các chỉ tiêu kỹ thuật, năng suất và chi phí [7]

Điều khiển máy công cụ có thể "bằng tay" (do con người thực hiện) hoặc "tự động", nghĩa

là không có sự can thiệp trực tiếp của con người Tương ứng với 2 phương pháp điều khiển

là 2 loại máy: máy thông thường và máy tự động

Máy thông thường (Conventional Machine Tools), đôi khi còn được gọi một cách

không thật rõ ràng là máy vạn năng (Universal Machine Tools hoặc General Purpose Machine Tools), là các máy công cụ không được tự động hoá hoặc tự động hoá ở mức rất

thấp Mặc dù đã có những tiến bộ vượt bậc về kết cấu; có thể đạt độ chính xác gia công cao (đến àm); tốc độ làm việc cao (3000 ữ 4000v/ph) và khả năng công nghệ cao (gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau); các tiện ích sử dụng được cải thiện (ví dụ đo, hiển thị toạ độ và chu trình gia công dạng số), nhưng về nguyên lý làm việc và kết cấu cơ bản thì các máy hiện đại (hình 1.1) không có gì khác so với máy cổ điển (hình 1.2) Về bản chất, chúng đều được người điều khiển trực tiếp Người thợ đứng máy phải trực tiếp thực hiện hầu hết các công việc, từ khi gá phôi cho đến khi hoàn thành nguyên công và tháo chi tiết khỏi máy Đó là chuỗi các công việc: gá phôi, chọn dao, đặt chế độ cắt, dịch chuyển dao, giám sát quá trình và kiểm tra kết quả gia công, tháo chi tiết khỏi máy

Trên máy tự động (Automated Machine Tools), một số chức năng được điều khiển tự

động Từ máy thông thường thành máy tự động điều khiển số hiện đại, máy công cụ trải qua nhiều giai đoạn TĐH Trước hết người ta ưu tiên TĐH hệ thống chuyển động tạo hình, sau đó là TĐH các hệ thống phụ trợ

Hình 1 1: Kết cấu của máy tiện hiện đại

Hình 1 2: Kết cấu của máy tiện cổ điển

1.1.1 Điều khiển quá trình công nghệ với máy công cụ truyền thống

Máy công cụ truyền thống được điều khiển bằng tay (hình 1.3) Quá trình công nghệ chứa đựng tương tác cơ, lý, hoá giữa các yếu tố của hệ thống và các yếu tố nhiễu loạn

Thông số đầu vào của hệ thống là chế độ công nghệ (tốc độ cắt S và lượng chạy dao F), các thông số đầu ra Y thể hiện phản ứng của hệ thống (kích thước, độ nhám bề mặt, lực

cắt, nhiệt độ vùng cắt, rung động, mòn dao, ) Chức năng điều khiển hoàn toàn do con người (công nhân) thực hiện Con người căn cứ yêu cầu công nghệ, tính toán các thông số

công nghệ X, đặt chúng vào máy, giám sát đầu ra Y của quá trình để thực hiện các hiệu

chỉnh cần thiết Trong hệ thống này hoàn toàn không có yếu tố tự động điều khiển Về

nguyên tắc, đây là hệ điều khiển quá trình Với cấu trúc này của hệ thống, quá trình công

nghệ nằm trong vòng điều khiển nên mặc dù không đạt được độ chính xác và độ nhạy cần thiết (do con người thực hiện), hệ thống có khả năng thích ứng với biến động của qúa trình Do các đặc điểm nói trên mà máy công cụ thông thường được gọi là hệ thống điều

khiển thích nghi bằng tay (Manual Adaptive Control)

Hình 1 3: Sơ đồ điều khiển quá trình theo công nghệ truyền thống

1.3.2 Điều khiển quá trình công nghệ với máy tự động

Khi thực hiện quá trình công nghệ trên máy tự động (hình 1.4), việc tính toán các chế độ công nghệ vẫn do con người thực hiện Bộ điều khiển thay thế con người đưa các

thông số công nghệ (S, F) vào máy và điều khiển máy hoạt động theo các giá trị đã ấn

định Nó chỉ giúp tự động hoá khâu nhận, đọc, giải mã chương trình, tính toán và điều

khiển hệ thống thực hiện đúng trình tự và thông số công nghệ quy định sẵn Chính vì vậy,

điều khiển máy công cụ là điều khiển theo chương trình

Hình 1 4: Sơ đồ điều khiển quá trình với máy tự động

Mục tiêu điều khiển tự động trên các máy công cụ hiện nay là đảm bảo các cơ cấu công tác hoạt động theo đúng trình tự và các chế độ công nghệ (S, F) ghi trong chương trình chứ không phải là các thông số ra (Y) của quá trình Chất lượng của quá trình hoàn

toàn phụ thuộc vào tính đúng đắn của phép tính thông số công nghệ ban đầu Quá trình công nghệ nằm ngoài vòng giám sát của bộ điều khiển nên nó không thể nhận biết và không thể phản ứng trước các biến động (nhiễu loạn) trong xảy ra trong quá trình công

nghệ và những biến động của thông số ra Y Vì vậy, bộ điều khiển này được gọi là bộ điều khiển tĩnh (Fixed Controller)

1.3.3 Điều khiển thích nghi quá trình công nghệ

Muốn tự động kiểm soát kết quả gia công, bộ điều khiển phải có khả năng nhận biết

những thay đổi của các thông số ra Y hoặc các thông số môi trường đặc trưng, có khả năng

bù trừ hoặc hạn chế biến động của chúng, nhằm duy trì sự làm việc bình thường hoặc đảm bảo hiệu quả cao nhất cho quá trình Hệ thống điều khiển như vậy được gọi là hệ điều khiển thích nghi (ĐKTN) Sơ đồ ĐKTN máy công cụ được thể hiện trong hình 1.5 Trong

hệ thống này, con người chỉ phải tính chế độ gia công Bộ điều khiển (thường là CNC) vẫn giữ chức năng nhận và duy trì thông số công nghệ đã định Bộ ĐKTN giám sát thông số ra hoặc thông số môi trường, ra quyết định điều khiển và lệnh cho bộ CNC thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết Việc giám sát và hiệu chỉnh chế độ công nghệ được thực hiện trong

thời gian thực, khiến máy công cụ làm việc với chế độ gia công S 2 , F 2 khác với chế độ gia

công tính toán S 1 , F 1, đảm bảo giá trị hợp lý nhất của thông số ra

Hình 1 5: Sơ đồ điều khiển thích nghi quá trình công nghệ

Về cấu trúc logic, sơ đồ ĐKTN trong hình 1.5 tương tự như sơ đồ điều khiển bằng tay trong hình 1.3, nhưng ĐKTN do máy móc thực hiện nên đảm bảo được độ chính xác

và độ nhạy cao Khác về bản chất so với điều khiển thông thường, ĐKTN mang tính tích cực, động và thông minh

1.2 Các dạng điều khiển tự động máy công cụ

Từ máy thông thường đến máy CNC hiện đại, máy công cụ trải qua nhiều giai đoạn phát triển Đó là quá trình tự động hoá từng phần, từng hệ thống của máy với sự ứng dụng

các kỹ thuật tiên tiến nhất của mỗi thời kỳ Trước hết, người ta ưu tiên TĐH hệ thống chuyển động tạo hình, sau đó TĐH các hệ thống phụ trợ Về kỹ thuật, tất cả các dạng TĐH dùng tín hiệu tương tự và tín hiệu số đã được lần lượt sử dụng

Để đảm bảo các thông số hình học và chất lượng gia công, hệ thống chuyển động tạo

hình phải làm việc theo một chương trình lập trước Chương trình gia công được biểu hiện dưới các dạng khác nhau và được ghi lên một phương tiện thích hợp, được gọi là vật mang tin Căn cứ vào dạng biểu diễn chương trình và vật mang tin (phần tô xám trong hình 1.6),

có thể phân biệt 4 dạng điều khiển Đó là dạng điều khiển bằng cam (I), điều khiển theo mẫu (II), điều khiển nhờ bảng cắm (III) và điều khiển theo chương trình số (IV)

Hình 1 6: Các dạng điều khiển máy công cụ

1.2.1 Điều khiển bằng cam

Trong hệ thống điều khiển bằng cam

(Cam Control), khoảng và tốc độ dịch chuyển

của các cơ cấu được điều khiển nhờ biên dạng

của cam Sự phối hợp giữa các cơ cấu được

thực hiện nhờ vị trí tương đối của các cam với

nhau trên trục phân phối Trên hình 1.7 là sơ

đồ cơ cấu chạy dao của máy tự động revolver

Khoảng dịch chuyển của các dao phụ thuộc

biên dạng của các cam tương ứng Tốc độ ăn

dao phụ thuộc vào tốc độ của trục phân phối

và đồng bộ với tốc độ trục chính Các dao hoạt

động đồng bộ theo chu trình, phụ thuộc vào vị

trí lắp ráp của các cam trên trục Như vậy,

trong dạng điều khiển này, chương trình gia

công được thể hiện qua hình học vị trí của các

cam, có dạng tương tự và hệ thống cam - trục

phân phối là vật mang tin Hình 1 7: Hệ thống điều khiển bằng cam

1.2.2 Điều khiển theo mẫu

Hệ thống điều khiển theo mẫu

(Tracer Control) còn được gọi là hệ

thống chép hình, trong đó quỹ đạo

của dao (tạo nên biên dạng của chi

tiết gia công) được sao chép từ biên

dạng của mẫu (hình 1.8) Tuỳ theo

cơ cấu truyền chuyển động từ đầu dò

1.2.3 Điều khiển nhờ bảng cắm

điện, điện tử như tiếp

điểm, rơle, diode, bộ

đếm, định thời, ) để

điều khiển một chuỗi

công việc nhất định

(hình 1.9) Hình 1 9: Bảng cắm là vật mang tin

Như vậy trong trường hợp này, bảng cắm chính là vật mang tin Mỗi hàng trong

bảng tương ứng với một lệnh trong chương trình, nên số hàng trên bảng cắm (thường là 24) giới hạn số lệnh điều khiển Trên mỗi hàng có các lỗ (thường là 34) cách đều nhau Khi mỗi lỗ được cắm thì một chức năng được kích hoạt (ví dụ dịch chuyển theo chiều +X) Khi mỗi lệnh (hàng) được hoàn thành thì các công tắc hành trình sẽ tác động, cho phép chuyển sang lệnh ghi trong hàng kế tiếp Khi một lỗ được cắm thì chức năng tương ứng được kích hoạt liên tục cho đến khi chuyển sang lệnh mới Vì vậy, điều khiển dùng

bảng cắm thuộc dạng điều khiển nối cứng (Hard-Wired Control)

Một bộ điều khiển có thể dùng kết hợp nhiều bảng cắm, mỗi bảng chứa một modul chương trình theo chức năng nhất định Trên một số máy công cụ còn dùng 2 loại bảng cắm: bảng cắm cơ khí chứa các dưỡng, vấu để điều khiển quỹ đạo và toạ độ dịch chuyển của cơ cấu công tác Bảng cắm điện điều khiển các chức năng phụ trợ (như bật tắt, đảo chiều động cơ, thay dao, tưới dung dịch, ) Tín hiệu điều khiển dùng với bảng cắm có thể

là liên tục hoặc rời rạc, tuỳ theo phần tử được dùng

Có thể nói, điều khiển bằng bảng cắm chưa phải là điều khiển theo chương trình số, nhưng nó gợi ra ý tưởng mang tính cách mạng trong lĩnh vực điều khiển máy công cụ:

điều khiển theo chương trình số

1.2.4 Điều khiển theo chương trình số

Điều khiển theo chương trình số là dạng điều khiển theo chương trình cho trước,

được sản sinh và lưu trữ dưới dạng các ký tự (chữ số, chữ cái hoặc các ký tự khác) Nhờ sử dụng chương trình dạng ký tự mà việc sản sinh, sửa đổi chương trình dễ dàng hơn; thiết bị lưu trữ và đọc chương trình đa dạng và đơn giản hơn, nhất là khi máy tính được sử dụng với tư cách bộ điều khiển Vì điều khiển số máy công cụ là nội dung cơ bản, xuyên suốt của tài liệu này nên từng vấn đề: khái niệm, kết cấu, vận hành, lập trình cho máy công cụ

điều khiển số sẽ được trình bày kỹ hơn, theo từng chương riêng

Đặc điểm của các dạng điều khiển nói trên được tóm tắt trong bảng sau

Vật mang tin Dạng điều

khiển Nhiệm vụ Hình học Chức năng phụ trợ

Nơi sản sinh chương trìnhBằng cam định vị, dịch chuyển cam (đĩa, thùng, mặt đầu) phòng thiết kếBằng mẫu định vị, dịch chuyển mẫu, dưỡng phòng thiết kếBảng cắm định vị, dịch chuyển vấu, mẫu bảng cắm tại máy

phòng công nghệ

CNC

định vị, dịch chuyển chính xác với dạng hình học phức tạp

băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ, bộ nhớ trong

phòng công nghệ hoặc tại máy

1.3 Điều khiển số máy công cụ

1.3.1 Khái niệm điều khiển số

Hiện có nhiều định nghĩa về điều khiển theo chương trình số(*)

Theo Hiệp hội công nghiệp điện tử Mỹ [3] (U S Electronic Industries Association - EIA), thiết bị điều khiển số là một hệ thống, hoạt động của nó được điều khiển bằng dữ liệu số Hệ thống phải dịch tự động ít nhất một phần của dữ liệu này

Theo Britannica Concise Encyclopedia, điều khiển số là điều khiển một hệ thống hay thiết bị bằng cách nhập trực tiếp dữ liệu dưới dạng chữ số, chữ cái, ký hiệu, từ hoặc tổ hợp các dạng trên

(*) Thuật ngữ "điều khiển số" được dịch trực tiếp từ "Numerical Control" Tuy nhiên, trong tiếng Việt, "điều khiển số" còn có nghĩa là điều khiển dùng tín hiệu số "Digital Control" Trong nhiều trường hợp, cần phân biệt để tránh nhầm lẫn Trong tài liệu này, trừ những chỗ có ghi chú, thuật ngữ "điều khiển số" cần được hiểu một cách chính xác là "điều khiển theo chương trình số" (như trong tiếng Nga:

"числовое программое управление")

Theo ГОСТ 20523-80 [7], điều khiển theo chương trình số máy công cụ là điều khiển quá trình gia công theo chương trình, trong đó các dữ liệu được cho dưới dạng chữ số

Chương trình gia công (Part Program) là bản hướng dẫn gia công, trong đó chứa

các thông tin hình học (mô tả quỹ đạo chuyển động tương đối giữa dao và phôi) và thông tin công nghệ (tốc độ trục chính, lượng chạy dao, ) Các lệnh và từ trong chương trình

được tập hợp theo một quy tắc và trình tự quy định và được biểu diễn theo một hệ mã tiêu chuẩn (ví dụ ISO) mà bộ điều khiển có thể hiểu và xử lý được Nhờ mã hoá mà các thông tin được biểu diễn dưới dạng số Bộ điều khiển phải dịch chương trình ra mã máy để xử lý

Mã hoá ở đây là sự chuyển đổi thông tin các dạng khác nhau (ngôn ngữ nói, số)

sang dạng số (ký tự) Ví dụ lệnh "Chạy dao theo đường thẳng từ vị trí hiện tại đến toạ độ X=100, Y=150 với tốc độ 300mm/ph" được mã hoá như sau: G01 X100 Y150 F300; "Khởi

động trục chính theo chiều kim đồng hồ" được mã hoá thành M03 Nhờ thông tin được số

hoá (thoát ly bản chất vật lý) mà nó có thể được ghi vào các thiết bị lưu trữ văn bản Thiết

bị lưu trữ (vật mang tin) dùng cho máy NC rất đa dạng và thay đổi không ngừng theo sự tiến bộ của phương tiện truyền và lưu trữ thông tin: băng đục lỗ, bìa đục lỗ, băng từ, đĩa từ, các thiết bị điện tử (như RAM, Memory Card, USB Flash Drive) Chương trình NC còn có thể được truyền từng qua cáp (RS 232, RS 485) hoặc truyền file qua mạng máy tính, như mạng cục bộ (LAN) hoặc Internet

Tuy các phương tiện lưu trữ và truyền thông tin khác nhau về bản chất vật lý, nhưng nguyên tắc mã hoá vẫn giống như ở băng đục lỗ

Theo nguyên tắc máy tính số, mọi thông tin được số hoá và được biểu diễn theo mã nhị phân, trong đó chỉ dùng 2 ký tự, là "0" và "1" Trong máy NC, "1" tương ứng trạng thái có tín hiệu (xung), "0" tương ứng trạng thái không có xung Trong máy CNC (bộ điều khiển là máy tính số) trạng thái "1" hoặc "0" được chứa trong 1 bit thông tin Nhờ sử dụng kết hợp các bit theo một quy tắc nhất định, ta có thể biểu diễn bất cứ ký tự nào

Do hạn chế về kích thước, các băng đục lỗ chỉ có 8 rãnh (Track), nên hệ mã nhị phân

thuần tuý chỉ biểu diễn được 258 ký tự, không thể biểu diễn được các số lớn và các số thập

phân nhiều chữ số Để khắc phục điều đó, người ta đã đưa ra hệ mã thập-nhị phân Coded Decimal Code), gọi tắt là BCD Code Trong hệ BCD, chỉ các chữ số từ 0-9 là được

(Binary-biểu diễn dưới dạng nhị phân, còn phần thập phân được (Binary-biểu diễn dưới dạng thập phân Với 1 băng đục lỗ 8 rãnh, ta có thể biểu diễn bất cứ ký tự nào và lượng thông tin là không hạn chế Hình 1.10 mô tả một đoạn băng đục lỗ theo hệ mã BCD, chuẩn ISO Băng gồm 8

rãnh (Track) chứa thông tin (đánh số từ 1-8) chạy dọc suốt chiều dài của băng và 1 hàng

lỗ (nhỏ) ăn khớp với răng của cơ cấu dịch chuyển Mỗi hàng (vuông góc với phương chuyển động) biểu diễn 1 ký tự Vị trí có lỗ biểu thị giá trị 1, vị trí không có lỗ - giá trị 0

Quy tắc kết hợp các bit đ−ợc gọi là hệ mã (Code System) Ta lấy 2 hệ mã thông dụng

để làm ví dụ về cách mã hoá thông tin Đó là hệ EIA của Hiệp hội công nghiệp điện tử Mỹ

và hệ ISO của tổ chức tiêu chuẩn thế giới Quy −ớc về các rãnh theo các hệ mã nh− sau:

Hệ EIA: - rãnh 1-4 biểu diễn các chữ số 1-9 theo mã nhị phân;

- rãnh 5 chứa mã kiểm tra;

- rãnh 6 số 0;

- rãnh 6 và 7 kết hợp với các rãnh 1-4 biểu diễn các chữ cái và ký hiệu;

- rãnh 8 kết thúc dòng lệnh

Hệ ISO (DIN 66024):

- rãnh 1-4 kết hợp với rãnh 5, 6 biểu diễn các chữ số 0-9;

- rãnh 1-5 kết hợp với rãnh 7 biểu diễn các chữ cái A-Z;

- rãnh 8 chứa mã kiểm tra;

- rãnh 1-4 kết hợp với rãnh 6 biểu diễn các ký hiệu

Mã kiểm tra (Parity Check) dùng để kiểm tra lỗi Hệ EIA đòi hỏi số lỗ trên mỗi hàng

phải lẻ Nếu số lỗ mang thông tin là số chẵn thì máy đục lỗ phải tự động đục thêm lỗ vào rãnh 5 để tạo thành số lỗ lẻ Khi đọc thông tin để gia công, nếu gặp hàng có số lỗ chẵn thì

bộ điều khiển (NC) coi đó là lỗi Hệ ISO yêu cầu số chẵn và mã kiểm tra ở rãnh 8

Hình 1 10: Biểu diễn thông tin trên băng đục lỗ 8 rãnh nhờ BCD code

Hình 1.11 cho tóm tắt về quy −ớc biểu diễn thông tin theo hệ mã EIA và hệ mã ISO

Theo hệ mã ISO thì đoạn băng trên hình 1.10 biểu thị lệnh G01 X25Y4

H×nh 1 11: Quy −íc

vÒ biÓu diÔn th«ng

tin theo hÖ m· EIA

vµ hÖ m· ISO

Càng ngày máy tính trên máy NC càng gần với máy tính thông dụng Vì vậy mọi phương tiện lưu trữ và truyền thông của máy NC cũng được dùng chung với các loại máy

tính khác Ngoài hệ mã BCD đã nói ở trên, mã ASCII (Ameriacan Standard Code for Information Interchange), một hệ mã dùng chung cho máy tính, đang dần dần được dùng

phổ biến cho các bộ điều khiển công nghiệp trên nền máy tính số, trong đó có máy NC Trên màn hình của các bộ điều khiển (CNC) ra đời trong khoảng thập niên gần đây,

chương trình NC được hiển thị như file văn bản (text file), người dùng có thể sửa chữa, lưu trữ, sao chép Hầu hết các bộ CNC hiện đại có thể đọc trực tiếp hoặc chuyển đổi (Import, Export) các chương trình NC được soạn thảo bởi các bộ soạn thảo văn bản (Text Editor)

thông dụng Trên thực tế, người vận hành các máy CNC hiện đại không phải bận tâm đến

hệ mã nào đang được sử dụng Việc soạn thảo, sửa chữa và xử lý các chương trình NC

được thực hiện như các file văn bản thông thường

Hình 1 12: Sơ đồ cấu trúc của máy CNC

Bộ điều khiển (Machine Control Unit - MCU) và máy công cụ là 2 bộ phận cấu thành

chính của máy NC (hình 1.12) MCU thực hiện mọi chức năng điều khiển, cung cấp tín hiệu cho các thiết bị chấp hành trên máy công cụ Về phần mình, MCU có 2 modul: bộ xử lý dữ

liệu (Data Processing Unit - DPU) và các mạch điều khiển (Control Loops Unit - CLU) DPU có nhiệm vụ đọc và giải mã chương trình, tính toán lượng và tốc độ dịch chuyển của

các trục chạy dao (nội suy) và cung cấp số liệu cho CLU Số liệu đó gồm toạ độ điểm cần tới, chiều và vận tốc chuyển động của mỗi trục chạy dao; các thông tin phụ trợ (chiều quay trục chính, dung dịch bôi trơn, ) CLU cấp tín hiệu chuyển động cho các thiết bị chấp hành

và nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và vận tốc của cơ cấu công tác Như vậy, chỉ khi nào CLU xác nhận lệnh trước đã hoàn thành thì DPU mới cung cấp thông tin tiếp theo

Quan niệm đó không sai, nhưng chưa đủ thể hiện sự tiến bộ chất của CNC so với NC

Việc sử dụng máy tính số làm bộ điều khiển làm thay đổi căn bản cấu trúc và tính năng của

toàn hệ thống

Về cấu trúc, quá trình chuyển hoá từ NC sang CNC trước hết là quá trình chuyển dần

các chức năng từ phần cứng sang phần mềm Điều khiển NC thường được gọi là điều khiển nối cứng (Hard-Wired Control), nghĩa là các chức năng đều được thực hiện bởi phần cứng

Cho đến cuối thập kỷ 196x, khi minicomputer xuất hiện (vào năm 1969) thì một số chức năng

được chuyển từ phần cứng sang phần mềm Tuy nhiên, vào thời đó, minicomputer còn đắt so với giá của máy công cụ Cho đến cuối thập kỷ 197x và thập kỷ 198x, microcomputer mới

được ứng dụng rộng rãi trong NC nhờ tính năng tốt mà kích thước nhỏ gọn và rẻ tiền Các bộ CNC dựa trên microcomputer được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cho đến bây giờ Vai

trò của phần mềm trong CNC ngày càng chiếm ưu thế và ngày nay CNC được quan niệm là

điều khiển nối mềm (Soft-Wired Control), trong đó các quá trình thu nhận, xử lý và truyền dữ

liệu (từ điều khiển vào/ra, nội suy, quản trị dữ liệu, tạo lệnh điều khiển, giám sát hệ thống, )

đều do máy tính với phần mềm thích hợp thực hiện Ví dụ, bộ NC được chế tạo năm 1968

chứa 400 bảng mạch gồm, trong khi các bộ CNC hiện đại với cùng chức năng chỉ có 1 bảng mạch Hình 1.13 minh hoạ sự chuyển các chức năng điều khiển từ phần cứng sang phần mềm

Về cơ bản, trên các máy NC, cả DPU và CLU đều có cấu trúc phần cứng Trên máy CNC, chức năng DPU do máy tính đảm nhiệm, còn CLU vẫn giữ cấu trúc phần cứng

Hình 1 13: Sự chuyển các chức năng điều khiển từ phần cứng sang phần mềm

- Tín hiệu điều khiển sử dụng trong các hệ điều khiển nối cứng là xung điện áp Mỗi

xung điện áp tạo nên dịch chuyển bằng 1 đơn vị chiều dài cơ sở (Base Length Unit - BLU)

của trục được điều khiển Số lượng các xung đặt lên trục xác định khoảng cách cần dịch chuyển, tần cấp số xung xác định vận tốc dịch chuyển Ngược lại, tín hiệu điều khiển trong

hệ CNC có dạng số nhị phân Mỗi từ (word) chứa số bit nhất định (thường là 8, 16 hoặc 32 bit tuỳ theo bộ vi xử lý) Mỗi bit dữ liệu tạo ra dịch chuyển bằng 1 BLU cho trục điều khiển

Về tính năng, CNC có nhiều ưu việt nhờ việc sử dụng máy tính số với phần mềm

tích hợp trong điều khiển Hình 1.14 cho thấy sự khác nhau giữa NC và CNC

Hình 1 14: So sánh tính năng của NC và CNC

- Máy tính CNC có đầy đủ các dạng phần mềm cơ bản(*): hệ điều hành, các phần mềm hệ thống và phần mềm ứng dụng Vì vậy, CNC thực hiện được đủ các chức năng của máy tính: quản lý và điều hành file, quản lý bộ nhớ, điều khiển màn hình, bàn phím, mạng truyền thong, soạn thảo chương trình, mô phỏng đồ hoạ, truyền thông, ) Các bộ CNC

trên nền PC (PC Based CNC) dùng các hệ điều hành thông dụng, như Windows, Unix, tạo

cho người dùng môi trường làm việc thuận lợi và quen thuộc

(*) Các loại phần mềm có hệ điều hành (Operating System - OS), thực hiện chức năng giao diện người dùng, quản trị bộ nhớ, quản trị file, ; phần mềm hệ thống (System Software) - quản trị, phối hợp đồng bộ

và điều khiển toàn bộ phần cứng của hệ thống, như truyền dữ liệu, ghi file vào bộ nhớ, hiển thị thông tin

lên màn hình, và phần mềm ứng dụng (Application Software) - thực hiện các chức năng chuyên biệt, như

soạn thảo chương trình, mô phỏng đồ hoạ, thu nhận tín hiệu, điều khiển các cơ cấu,

- Giao diện người dùng của máy CNC hấp dẫn và tiện lợi: màn hình đồ hoạ màu để trợ giúp lập trình và mô phỏng kiểm tra chương trình, thông báo trạng thái và cảnh báo lỗi, hướng dẫn vận hành, )

- Máy tính tạo nên tính linh hoạt, dễ biến đổi và nâng cấp bộ điều khiển Chỉ bằng cách thay đổi phần mềm, có thể tạo ra các bộ điều khiển khác nhau mà không phải hoặc phải thay đổi rất ít về phần cứng Ví dụ, chỉ cần cài lại phần mềm, người dùng có thể nhận

được hệ điều khiển Fanuc, Siemens, Heidenhian, trên cùng một hệ thống máy tính và phần cứng Thông qua phần mềm có thể quy định cấu hình của máy: số trục điều khiển,

định giới hạn vùng làm việc (Software Limit Switch), chiều và tốc độ chuyển động, thêm

bớt các thiết bị phụ trợ, ) Các bộ CNC hiện đại thường được thiết kế với cấu hình chuẩn Cấu hình cụ thể được khai báo theo phần cứng của máy công cụ

- Khả năng bảo mật hệ thống được tăng cường Phần mềm không chỉ giúp nhà sản

xuất giữ được bản quyền và bí quyết công nghệ (Know-how) mà còn cho phép người dùng

bảo vệ các khai báo cấu hình hệ thống, chương trình điều khiển; ngăn chặn sự truy cập,

sao chép, sửa đổi trái phép vô tình hay cố ý Phần mềm cũng cho phép sao lưu (Back-up)

hệ thống và chương trình để khi cần thì khôi phục lại (Restore)

Do giữ vai trò ngày càng quan trọng nên giá trị của phần mềm ngày càng tăng so với phần cứng (hình 1.15) Đầu tiên, các bộ điều khiển đơn giản với các CPU chuyên dùng được tạo ra Sau đó, chúng được thay bằng các CPU thông dụng với phần mềm chuyên dùng

Ngày nay nhiều bộ điều khiển được tạo ra hoàn toàn nhờ phần mềm chạy trên PC (PC based CNC) với hệ điều hành thông dụng (Windows hoặc Unix) Từ thập kỷ 198x, các bộ

NC dựa trên phần cứng không được sản xuất và hiện nay, NC mặc nhiên được hiểu là CNC

Hình 1 15: Giá trị phần mềm ngày càng tăng so với phần cứng

Bảng sau cho phép so sánh một cách tóm tắt các đặc điểm của NC và CNC

So sánh NC và CNC

Đặc tính so sánh Điều khiển NC Điều khiển CNC

Thời gian xuất hiện 1954 - đầu thập kỷ 197x Khoảng 1970 - nay

Thực hiện các chức

năng điều khiển

Mạch phần cứng điện tử Máy tính với các chương trình điều

khiển máy công cụ Dạng tín hiệu điều

Dùng mọi thiết bị lưu trữ thông dụng (bàn phím, bộ nhớ trong, bộ nhớ ngoài, các giao diện truyền thông, mạng cục bộ, Internet, )

Đọc 1 lần nhiều block, ghi vào bộ nhớ đệm và sử dụng dần

Khả năng Giới hạn các chức năng cơ

bản: nội suy, nhận định dạng băng từ, vị trí tuyệt

đối và tương đối, nhận mã

ký tự

Bao gồm các chức năng cơ bản như NC và mở rộng: thêm dạng nội suy (parabol, xoắn ốc), soạn thảo, truyền thông, bộ nhớ, hiển thị, giao tiếp vào/ra,

Cấu trúc phần cứng

điều khiển

Phức tạp, bởi vì các chức năng điều khiển được thực hiện bởi các mạch điện tử

Không có bộ nhớ trong Có bộ nhớ trong Sử dụng các thiết

bị lưu trữ thông dụng (băng từ, đĩa

từ, USB flash drive, )

1.3.4 Trung tâm gia công CNC

Trung tâm gia công (Machining Center) CNC khác máy CNC thông thường ở chỗ,

có khả năng thực hiện nhiều nguyên công công nghệ khác nhau, như tiện, phay, doa, gia công ren, mài, mà bình thường phải dùng một số máy CNC thông thường Do yêu cầu về tập trung nguyên công mà các trung tâm gia công (TTGC) có những đặc điểm kết cấu sau:

- Có nhiều trục điều khiển (4 đến 5 trục hoặc hơn);

- Có hệ thống thay dao tự động;

- Có cơ cấu cấp phôi, kẹp phôi tự động

- Có khả năng giao tiếp với các thiết bị sản xuất khác, như robot, băng tải,

Nhờ có khả năng tập trung nguyên công cao mà các TTGC cho phép tăng năng suất, tăng độ chính xác gia công

Thường có 2 loại TTGC, là TTGC ngang và TTGC đứng TTGC ngang dựa trên cơ sở máy tiện, còn TTGC đứng dựa trên máy phay

Ngoài 2 trục X, Z như máy tiện, TTGC ngang thường có thêm các trục Y, C Kho

chứa dao trên trung tâm ngang thường có dạng revolver (Turret), trên đó các dao có thể

được dẫn động (Driven Tool) Một số TTGC ngang có tới 2 trục chính, 2 đài dao, nên có

thể gia công hoàn chỉnh các chi tiết có hình dạng phức tạp, như các rãnh, lỗ lệch tâm hoặc hướng kính; có thể gia công các mặt profile theo phương pháp bao hình, Trong hình 1.16

là hình ảnh một TTGC ngang và các dạng chi tiết được gia công trên đó

Hình 1 17: Trung tâm gia công đứng 6 trục

TTGC như trong hình 1.18 có 5 trục (X, Y, Z, B, U), có kho chứa dao dạng xích Hệ

thống cấp phôi tự động (Automatic Pallet Changer) như trong hình 1.18 thường được dùng nhiều trong sản xuất linh hoạt Các phiến gá (Pallet) có tác dụng như đồ gá Phôi

được lắp lên đó trước khi gia công và được gia công ngay trên khay Sau khi gia công xong, cả phôi và khay có thể được chuyển đến nguyên công sau Việc gá, tháo phôi được thực hiện bên ngoài máy, trong khi gia công chi tiết khác nên không chiếm thời gian máy

Hình 1 18: Trung tâm gia công đứng 5 trục

1.3.5 Điều khiển số trực tiếp

Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control) hay điều khiển số phân bố

(Distributed Numerical Control), đều được viết tắt là DNC là giải pháp nối mạng các máy

CNC để có thể dùng chung các thiết bị nhập, lưu trữ chương trình và các tiện ích khác (ví dụ phần mềm CAD/CAM) Bình thường, mỗi máy CNC độc lập cần có thiết bị nhập (bàn phím, thiết bị đọc) và lưu trữ riêng Điều đó không chỉ bất lợi về mặt kinh tế, gây phiền phức khi

sử dụng (ví dụ, bộ nhớ của máy không đủ lưu trữ trọn vẹn các chương trình lớn, gây gián

đoạn quá trình gia công) mà còn gây khó khăn cho việc quản lý thống nhất dữ liệu và chương trình Có DNC, các máy CNC riêng lẻ không cần hoặc chỉ cần bộ nhớ chương trình

rất nhỏ Các chương trình lớn được truyền trực tiếp từng block từ máy tính DNC tới máy CNC để thực hiện, hoặc các chương trình được phân bố cho các máy CNC theo nhiệm vụ

Về kết cấu, hệ DNC (hình 1.19) là mạng máy tính nên gồm có:

Hình 1 19: Giải pháp DNC

1 Máy tính trung tâm (DNC Computer) Máy tính DNC có nhiệm vụ đọc chương

trình, lưu trữ và phân phối cho các máy CNC theo yêu cầu Vì vậy, nó phải có cấu hình đủ mạnh, đặc biệt bộ nhớ dung lượng lớn, được cài các phần mềm chuyên dùng (phần mềm DNC) phục vụ quản lý, phân phối chương trình và hệ điều hành mạng và trang bị các thiết

bị đọc chuyên dùng Máy tính DNC cũng nhận dữ liệu phản hồi từ các máy công cụ để phục vụ cho việc cung cấp chương trình và phục vụ cho công tác điều hành, quản lý (thống kê và lập báo cáo số lượng sản phẩm, thời gian gia công, sự cố, ) Để đáp ứng nhu cầu gia công của các máy CNC và nhận thông tin phản hồi ngay lập tức, hệ thống thông tin 2 chiều này hoạt động theo thời gian thực

2 Thiết bị mạng (gồm các đường cáp, giao diện, chuyển mạch) để liên kết các thiết

bị trong hệ thống

3 Các máy CNC - đối tượng phục vụ

Tương tự như các mạng máy tính thông thường, mạng DNC cũng được nối theo vòng tròn (hình 1.20) và theo hình sao hay hướng tâm (hình 1.21)

cụ, hoặc một số ít máy công cụ

- Máy tính DNC thường được đặt ở xa các máy công cụ Máy tính ở điều khiển CNC

được đặt liền máy công cụ

- Phần mềm DNC được phát triển không chỉ để điều khiển từng bộ phận của thiết bị sản xuất mà còn phục vụ như là một phần của hệ thống quản lý thông tin trong hệ thống

sản xuất của công ty Phần mềm DNC được có thể bổ sung (tăng cường) các khả năng của máy CNC đặc biệt

Những ưu điểm chính của DNC:

- Điều khiển nhiều máy bởi máy tính (Time Sharing)

- Khả năng lưu trữ và tính toán lớn

- Vị trí của máy tính được đặt ở xa khu vực sản xuất nên dễ đảm bảo về môi trường

- Loại bỏ được băng từ và thiết bị đọc băng từ ở máy công cụ để nâng cao độ tin cậy

- Loại bỏ bộ điều khiển nối cứng (Hardwired Controller) trên một số hệ thống

- Cho phép dùng chung các phần mềm đắt tiền (CAD/CAM, Post-Procesor) và giảm

dung lượng lưu trữ Ví dụ các chương trình được lưu trữ dưới dạng chung (CL Data), khi cần chuyển cho máy nào thì mới dịch (Post-processed) theo mã và cấu hình tương ứng

1.4 Lịch sử phát triển của máy NC

1.4.1 Sự ra đời và phát triển của máy NC

Mẫu đầu tiên của máy công cụ điều khiển số (gọi là máy NC - Numerical Control) do

Viện công nghệ Massachusetts (MIT) - Mỹ thiết kế và chế tạo vào năm 1949, theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay

Trước đó, các chi tiết máy hoặc các khuôn mẫu phức tạp thường được chia thành các phần đơn giản hơn Sau khi gia công xong, chúng mới được ghép lại với nhau thành chi tiết hoàn chỉnh bằng phương pháp hàn, tán, Công nghệ đó đắt và không đảm bảo được độ chính xác về kích thước và hình học mong muốn cũng như sự đồng đều về cơ tính vật liệu Sau này, nhờ phương pháp chép hình, người ta đã chế tạo được các chi tiết phức tạp hơn Tuy vậy, công nghệ gia công trên máy chép hình vẫn còn nhiều nhược điểm, như độ chính xác không cao (do quán tính của hệ thống lớn, do sai số truyền động cơ khí, do sai số của mẫu, ); năng suất thấp (do phải hạn chế tốc độ trượt của đầu dò trên mẫu); đắt và kém linh hoạt (vì các dưỡng mẫu là các chi tiết cơ khí chính xác, dùng vật liệu đặc biệt nên khó chế tạo) ý tưởng áp dụng điều khiển số vào máy công cụ đã gây nên cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo cơ khí Có thể hình dung máy công cụ điều khiển số là một máy chép hình, nhưng các dưỡng, mẫu, cam, cơ khí được thay bằng chương trình máy tính Chương trình không bị mòn như các dưỡng mẫu, mang đi mang lại dễ dàng Việc soạn thảo, sửa đổi chương trình lại dễ, nhanh và rẻ hơn nhiều so với chế tạo cam, dưỡng, nên máy NC nhanh chóng được hoan nghênh

Ngay sau đó, một phương án chế tạo máy NC công nghiệp được đề nghị với 3 nguyên tắc sau:

- Sử dụng máy tính(*) để tính toán quỹ đạo chạy dao và lưu dữ liệu vào bìa đục lỗ

- Dùng thiết bị đọc tại máy để tự động đọc dữ liệu từ bìa đục lỗ

- Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ xử lý và liên tục đưa ra thông tin điều khiển các

động cơ được gắn lên trục vít me

Năm 1952, chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel

được trưng bày tại MIT Như vậy, ý tưởng dùng nguyên lý điều khiển số vào máy công cụ xuất hiện do nhu cầu của quân đội Mãi khoảng giữa thập kỷ 60, máy NC mới được sản xuất

và sử dụng trong công nghiệp Tuy nhiên các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng Việc sử dụng chúng cũng rất khó khăn, như chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được Giao tiếp giữa người và máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím Sau khi các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp (khoảng năm 1960) thì máy gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, Các băng đục lỗ sau này

được thay bằng băng hoặc đĩa từ, Nhưng nói chung, tính năng sử dụng của các máy NC

vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng vào đây

Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý (1974) và các tiến bộ kỹ thuật về lưu trữ

và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điều khiển số máy công cụ Các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy máy tính và thuật ngữ CNC

(viết tắt của Computer Numerical Control) được sử dụng từ đầu thập kỷ 70 Máy CNC ưu

việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt, như tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, nhưng

ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác Các máy CNC ngày nay có màn hình, bàn phím và nhiều thiết

bị khác để trao đổi thông tin với người dùng Nhờ màn hình, người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công, Máy CNC có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo, trong hệ thống sản xuất Chúng có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng và Internet

Ngoài kỹ thuật điều khiển tự động, sự phát triển của máy CNC và công nghệ gia công trên chúng còn gắn liền với một lĩnh vực khác của công nghệ thông tin: thiết kế và sản xuất có trợ giúp của máy tính mà chúng ta quen gọi là CAD/CAM Đó là lĩnh vực ứng dụng máy tính vào công tác thiết kế, tính toán kết cấu, chuẩn bị công nghệ, tổ chức sản

(*) Chiếc máy tính điện tử đầu tiên mang tên ENIAC (Electronic Numerical Integrator and

Computer) do Mauchly và Eckert chế tạo vào năm 1943

xuất, hạch toán kinh tế, Một hệ thống sản xuất tự động, có khả năng tự thích ứng với sự

thay đổi đối tượng sản xuất được gọi là hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible

Manufacturing System - FMS) FMS gồm máy các máy hoặc trung tâm gia công CNC,

robot, các thiết bị vận chuyển, thiết bị kiểm tra, đo lường, làm việc dưới sự điều khiển của một mạng máy tính Sự tích hợp mọi hệ thống thiết bị sản xuất và tích hợp mọi quá trình thiết kế - sản xuất - quản trị kinh doanh nhờ mạng máy tính với các phần mềm trợ

giúp công tác thiết kế và công nghệ, kinh doanh, tạo nên hệ thống sản xuất tích hợp

nhờ máy tính (Computer Integrated Manufacturing - CIM)

CAD/CAM là lĩnh vực có liên quan mật thiết với kỹ thuật điều khiển số các thiết bị

sản xuất CAD (Computer Aided Design), được dịch là "thiết kế có trợ giúp của máy

tính", là một lĩnh vực ứng dụng của CNTT vào thiết kế Nó trợ giúp cho các nhà thiết kế

trong việc mô hình hoá, lập và xuất các tài liệu thiết kế dựa trên kỹ thuật đồ hoạ CAM

(Computer Aided Manufacturing), được dịch là "sản xuất có trợ giúp của máy tính",

xuất hiện do nhu cầu lập trình cho các thiết bị điều khiển số (máy CNC, robot, thiết bị vận chuyển, kho tàng, kiểm tra) và điều khiển chúng Chúng vốn xuất hiện độc lập với nhau, nhưng ngày càng xích lại gần nhau CAD/CAM là thuật ngữ ghép, dùng để chỉ một môi

trường thiết kế - sản xuất với sự trợ giúp của máy tính

Quá trình xuất hiện, phát trển của máy CNC và các lĩnh vực liên quan, là CAD/CAM, CIM được tóm tắt trong hình 1.22 Chúng ta thấy vào cuối thế kỷ XX, CAD/CAM, CNC

đang trong thời kỳ phát triển mạnh và kỷ nguyên của CIM được khởi đầu

Hình 1 22: Lịch sử phát triển của CNC và các lĩnh vực liên quan

1.4.2 C¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn

***

1950s-1970s

Programs had to be walked to NC controls, generally on paper tape NC controls had paper tape readers precisely for this purpose Many companies were still punching programs on paper tape well into the 1980s, more than twenty-five years after its elimination in the computer industry

be responsible for tracking and authorising NC program modifications Depending on program size, for the first time operators had the opportunity to modify programs at the DNC terminal No time was lost due to broken tapes, and if the software was correctly used, an operator running incorrect or out of date programs became a thing of the past

Older controls frequently had no port capable of receiving programs such as an RS232 or

RS422 connector In these cases, a device known as a Behind The Reader or BTR card was used The connection between the control's tape reader and the internal processor was interrupted by a microprocessor based device which emulated the paper tape reader's signals, but which had a serial port connected to the DNC system As far as the control was concerned, it was receiving from the paper tape unit as it always had; in fact it was the BTR or Reader Emulation card which was transmitting A switch was frequently added to permit the paper tape reader to be used as a backup

1990s and beyond

The PC explosion in the late 1980s and early 1990s signalled the end of the road for proprietary DNC terminals With some exceptions, CNC manufacturers began migrating to PC-based controls running DOS, Windows or OS/2 which could be linked in to existing networks using standard protocols Customers began migrating away from expensive minicomputer and workstation based CAD/CAM toward more cost-effective PC-based solutions Users began to demand more from their DNC systems than secure upload/download and editing PC-based systems which could accomplish these tasks based on standard networks began to be available at minimal or no cost In some cases, users no longer needed a DNC "expert" to implement shop

floor networking, and could do it themselves However, the task can still be a challenge based on the CNC Control wiring requirements, parameters and NC program format

To remain competitive, therefore, DNC companies moved their offerings upmarket into DNC Networking, Shop Floor Control or SFC, Manufacturing Execution Systems or MES These terms encompass concepts such as real-time Machine Monitoring, Graphics, Tool Management, Traveler Management and Scheduling Instead of merely acting as a repository for programs, DNC systems aim to give operators at the machine an integrated view of all the information (both textual and graphical) they require in order to carry out a manufacturing operation, and give management timely information as to the progress of each step DNC systems are frequently directly integrated with corporate CAD/CAM, ERP and Process Planning systems

Special Protocols

A challenge when interfacing into machine tools is that in some cases special protocols are used Two well-known examples are Mazatrol and Heidenhain Many DNC systems offer support for these protocols Another protocol is DNC2 or LSV2 which is found on Fanuc controls DNC2 allows advanced interchange of data with the control, such as tooling offsets, tool life information and machine status as well as automated transfer without operator intervention

Machine Monitoring

One of the issues involved in machine monitoring is whether or not it can be accomplished automatically In the 1980s monitoring was typically done by having a menu on the DNC terminal where the operator had to manually indicate what was being done by selecting from a menu, which has obvious drawbacks There have been advances in passive monitoring systems where the machine condition can be determined by hardware attached in such a way as not to interfere with machine operations (and potentially void warranties) Many modern controls allow external applications to query their status using a special protocol

1.5 Các ưu, nhược điểm của máy CNC

Về bản chất vật lý, quá trình gia công trên máy thông thường và máy CNC hoàn toàn như nhau: kích thước và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công được hình thành và điều khiển bởi sự tương tác cơ, lý, hoá giữa dụng cụ và chi tiết gia công Nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại được nghiên cứu và ứng dụng hàng trăm năm nay dựa trên máy truyền thống vẫn đúng cho máy CNC Hiệu quả do điều khiển số mang lại, thực chất là cho phép thực hiện hợp lý hơn các chế độ gia công, phát huy năng lực của máy ở mức độ cao hơn mà trên máy thông thường, do hạn chế của điều khiển thủ công, không thực hiện được Sự tích hợp giữa kỹ thuật cơ khí, điều khiển tự động và công nghệ thông tin đã tạo ra cho máy CNC các tính năng mới, vượt trội so với máy thông thường Việc chuyển vai trò điều

khiển của con người cho máy móc tạo nên sự chính xác, linh hoạt, nhanh nhạy, bền vững của hệ thống công nghệ Nhờ các tính năng ngày càng ưu việt của hệ thống tích hợp cơ khí

- điều khiển tự động - công nghệ thông tin mà máy CNC có rất nhiều ưu điểm

1.5.1 Các ưu điểm của máy CNC

Hiệu quả kinh tế - xã hội của việc sử dụng máy CNC được thể hiện ở các khía cạnh sau đây:

Năng suất gia công cao

Tổng thời gian gia công một loạt chi tiết T gồm 3 thành phần:

T = Tc + Tp + Tck, trong đó, Tc - thời gian chính (trực tiếp cắt gọt); Tp - thời gian phụ (thời gian chạy không, thay dao, thay đổi chế độ cắt, kiểm tra, ); Tck - thời gian chuẩn bị - kết thúc loạt gia công (chuẩn bị dao cụ, đồ gá, dụng cụ đo, phôi liệu, )

Về lý thuyết, điều khiển số không làm giảm thời gian chính mà chỉ giảm 2 thành phần thời gian còn lại Tuy nhiên, trên thực tế máy CNC cho phép giảm cả 3 loại thời gian

so với máy công cụ truyền thống

- Thời gian chính Tc được cải thiện nhờ phát huy tối đa công suất gia công của máy, trong khi trên máy thông thường, do hạn chế về tay nghề hoặc tình trạng tâm sinh lý của công nhân điều đó không đạt được Ví dụ, tốc độ trục chính trên máy tiện CNC có thể tới hàng vạn vòng/phút, còn khi làm việc trên máy thông thường, công nhân chỉ có thể chạy tới vài ngàn vòng/phút Máy CNC có kết cấu cơ khí cứng vững, ổn định về cơ, nhiệt nên tốc độ và công suất gia công có thể phát huy tối đa Chế độ công nghệ trên máy CNC dường như chỉ phụ thuộc vào độ bền, độ cứng vững của hệ thống công nghệ và yêu cầu kỹ

thuật của chi tiết gia công Công nghệ cắt cao tốc (High Speed Cutting) chỉ phát huy được

hiệu quả cao trên máy CNC Việc gia công bằng nhiều dao, nhiều vị trí đồng thời cũng làm giảm đáng kể thời gian chính

- Thời gian phụ Tp giảm trước hết nhờ tăng tốc độ chạy không và giảm thời gian định

vị Các máy CNC hiện đại cho phép tăng tốc độ chạy không lên tới vài chục mét/phút mà không gây va chạm và định vị vẫn chính xác Trên các máy có hệ thống thay dao tự động, thời gian thay dao chỉ tính bằng giây Chế độ công nghệ được thay đổi từ chương trình, công nhân không mất thời gian gạt số Việc dừng máy để kiểm tra kích thước trong các nguyên công hầu như được loại bỏ do khả năng điều khiển chính xác vị trí và quỹ đạo của máy CNC rất cao Các trung tâm gia công thường có hệ thống cấp phôi, kẹp nhả phôi, lấy chi tiết tự động nên thời gian gá kẹp phôi rất ngắn Khi làm việc với máy CNC, công nhân chỉ đóng vai trò giám sát chứ không tham gia trực tiếp vào quá trình gia công nên máy có thể làm việc cả khi vắng mặt công nhân và một công nhân có thể trông coi nhiều máy

- Việc chuẩn bị máy CNC để gia công một loại sản phẩm mới rất nhẹ nhàng: nạp chương trình gia công và chuẩn lại các toạ độ Toàn bộ thời gian trên chỉ cần không quá 30 phút Trong khi đó, nếu chi tiết đòi hỏi thiết kế và chế tạo đồ gá thì thời gian trên có thể kéo dài hàng tuần Khả năng điều khiển và phối hợp chính xác các trục theo chương trình cho phép loại bỏ các đồ gá và dao định hình phức tạp Nhờ vậy không những giảm được thời gian lắp đặt, căn chỉnh đồ gá mà còn loại bỏ các sai số truyền động do chế tạo và hao mòn cơ khí, tăng độ chính xác gia công Việc lập chương trình mới có thể tiến hành ngoài máy (trên máy tính độc lập) hoặc thực hiện ngay trong khi máy gia công nên chiếm thời gian máy không đáng kể

- Các máy và các trung tâm gia công CNC cho phép tập trung nguyên công cao độ Trên một máy có thể gia công nhiều bề mặt, bằng các phương pháp công nghệ khác nhau;

có thể gia công thô và tinh trên cùng một máy, trong cùng một lần gá, bằng nhiều dao, nhiều trục đồng thời Điều đó giảm bớt việc vận chuyển, gá đặt nên không những làm tăng năng suất mà còn giảm sai số gia công

Người ta đã tổng kết rằng, thời gian trực tiếp gia công (Tc) trên máy thông thường chỉ chiếm không quá 10% trong tổng số thời gian gia công (T) Trên máy CNC thời gian

đó lên tới 70%

Năng suất gia công trên máy CNC hầu như không phụ thuộc vào tay nghề và trạng thái tâm, sinh lý của công nhân

Chất lượng gia công cao

Chất lượng gia công (độ chính xác kích thước, hình dáng và chất lượng bề mặt gia công) suy đến cùng phụ thuộc 3 yếu tố: nguyên vật liệu, thiết bị và công nhân

Yếu tố nguyên vật liệu giả thiết là không thay đổi So sánh về thiết bị thì máy CNC

đảm bảo độ chính xác cao và đồng đều nhờ hệ thống điều khiển - đo lường rất chính xác (cỡ 0,01 - 0,001 mm), hệ thống cơ khí cứng vững và ổn định, quá trình cắt được điều khiển hoàn toàn nhờ chương trình nên loại trừ được các sai số do chế tạo và hao mòn các cữ, dưỡng Các máy CNC hiện đại đều có khả năng bù kích thước và mòn dao, bù khe hở

và biến dạng nhiệt cơ khí Trên máy thông thường, tay nghề và tình trạng tâm, sinh lý của người thợ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công Khi gia công trên máy CNC, công nhân chỉ có nhiệm vụ nạp chương trình, giám sát việc gá phôi, thay dao và tình trạng làm việc của máy Vì vậy tâm sinh lý, tay nghề của công nhân hoàn toàn không ảnh hưởng đến chất lượng gia công

Trong số các thông số kỹ thuật của máy CNC, có 2 thông số ảnh hưởng trực tiếp đến

chất lượng gia công Đó là độ chính xác định vị (Accuracy hay Positioning Accuracy) và

độ chính xác lặp lại (Repeatability)

Độ chính xác định vị (ĐCXĐV) liên quan tới thuật ngữ độ phân giải điều khiển

(Control Resolution) Độ phân giải điều khiển (ĐPGĐK) nói lên khả năng của MCU, có

thể chia khoảng dịch chuyển của bàn máy thành những đoạn nhỏ mà bộ điều khiển có thể

nhận biết được Nói cách khác, đó là khoảng dịch chuyển nhỏ nhất của bàn máy mà bộ

điều khiển có thể điều khiển được Nếu khoảng dịch chuyển nhỏ hơn ĐPGĐK thì bộ điều khiển không thể nhận biết được và ta sẽ mắc một sai số điều khiển ĐPGĐK phụ thuộc

nhiều yếu tố, như năng lực xử lý (số bit) của bộ NC, bộ điều khiển truyền động (ví dụ số bước/vòng của động cơ bước), độ phân giải của hệ thống đo (ví dụ số xung phát ra trong 1 vòng quay của encoder) Với một hệ phức hợp, ĐPGĐK sẽ là ĐPG thấp nhất của các yếu

tố thành phần Để làm ví dụ, ta lấy trường hợp số bit của NC là yếu tố quyết định Nếu gọi

n là số bit của mỗi trục thì số khoảng chia (số điểm điều khiển) trên trục sẽ là

Số điểm điều khiển = 2n

ĐPGĐK là khoảng cách giữa 2 điểm điều khiển kề nhau:

n

2

chuyển dịch

ng Khoả

K PGĐ

=

2

K PGĐ

Đ V CXĐ

Hình 1 23: Biểu diễn ĐCXĐV và ĐCXLL của máy NC

Định nghĩa về ĐPGĐK, ĐCXĐV, ĐCXLL được minh hoạ trong hình 1 23

Ví dụ, một bộ NC điều khiển máy tiện theo 2 trục với số bit là 16 (gọi là bộ điều khiển 16 bit) Khoảng dịch chuyển của trục Z là 800 mm, trục X là 300 mm Sai số cơ khí tuân theo luật phân bố chuẩn với phương sai σ = 0.0075 mm Ta thử tính ĐPGĐK,

ĐCXĐV và ĐCXLL của hệ thống Ta sẽ giải bài toán trên cho bộ điều khiển 8 bit và 32 bit để so sánh kết quả

Vì 2 trục có khoảng dịch chuyển khác nhau nên phải xác định ĐPGĐK và ĐCXĐV cho từng trục Ta có thể lập một bảng tính Excel như sau để tính luôn cho cả 3 trường hợp:

bộ điều khiển 8, 16 và 32 bit

Số điểm ĐK 2n = 256 65 536 4 294 967 296 Cả 2 trục 3*sigma = 0.0225 ĐCXLL = 6*sigma = 0.0450

Trục Z Khoảng dịch Z 800

ĐPGĐK (mm) Z/2n 3.125 0.0122 0.000000186

ĐCXĐV (mm) ĐPGĐK/2 + 3*sigma 1.585 0.0286 0.022500093 Trục X Khoảng dịch X 300

- Năng lực của máy tính (số bit) càng lớn thì độ chính xác định vị càng cao Các bộ

điều khiển mới dùng máy tính 32 bit nên có thể đạt độ chính xác định vị rất cao

- Khi ĐPGĐK thấp thì sai số định vị phụ thuộc nhiều vào sai số điều khiển Khi nâng cao ĐPGĐK thì sai số cơ khí chiếm vị trí quan trọng

- Với cùng một bộ điều khiển, muốn tăng khoảng dịch chuyển (khoảng điều khiển) của bàn máy thì phải hy sinh độ chính xác định vị

Tính linh hoạt cao

Máy CNC hơn hẳn máy thông thường ở tính linh hoạt Điều đó biểu hiện ở hai khía cạnh Thứ nhất, trên một máy CNC có thể thực hiện nhiều chức năng công nghệ khác nhau

và việc chuyển đổi giữa các chức năng rất dễ dàng Ví dụ, trên máy phay CNC có thể thực hiện các nguyên công khoan, khoét, doa, gia công mặt phẳng, định hình, răng, ren, gia công các rãnh, hốc phức tạp như hốc tròn, chữ nhật, elip, Các mặt cong không gian, như mặt cầu, mặt xoắn ốc, cũng có thể gia công trên máy phay 3 trục Các máy phay 4-5 trục cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng gia công và có thể gia công các sản phẩm nghệ thuật, như tạc tượng Máy tiện CNC, ngoài các chức năng như máy thường, có thể gia công ren với bước thay đổi, ren trên mặt côn Điều quan trọng là các mặt cong định hình

có thể gia công trên máy CNC một cách dễ dàng, dùng đồ gá và dao thông thường chứ không cần đồ gá và dao chuyên dùng Trên các trung tâm gia công có thể thực hiện các công việc phay, khoan, doa, tiện, mài, đồng thời Chính vì vậy mà máy CNC có khả năng tập trung nguyên công cao để gia công các chi tiết phức tạp Biểu hiện thứ hai của tính linh hoạt là việc thay đổi đối tượng gia công trên máy CNC rất dễ dàng, gần như chỉ thay đổi chương trình chứ không cần thay đồ gá, dao cụ phiền phức như trên máy thông thường Nhờ có khả năng thích ứng linh hoạt với đối tượng gia công mà máy CNC là thiết

bị cơ bản của các hệ thống sản xuất linh hoạt

Nhờ tính linh hoạt cao của mình mà máy CNC được sử dụng phổ biến không chỉ trên các dây chuyền, trong các tế bào sản xuất tự động mà còn được sử dụng riêng lẻ trong loại hình sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, thậm chí cả chế thử

Chi phí gia công giảm

Chi phí gia công một loạt N chi tiết có thể được biểu diễn qua công thức sau:

C = Ccb + Ctx(1 + p)N trong đó, C - chi phí tổng cộng; Ccb - chi phí cơ bản, gồm khấu hao thiết bị, nhà xưởng;

Ctx - chi phí thường xuyên cho một chi tiết gồm lương công nhân, nguyên vật liệu, năng lượng chạy máy, ; p - tỷ lệ phế phẩm trung bình; N - số lượng chi tiết trong loạt

Máy CNC có năng suất

cao, không đòi hỏi công nhân

bậc cao, ít sinh phế phẩm nên

cho phép giảm chi phí thường

xuyên Tuy nhiên, chi phí mua

sắm, bảo trì, lập trình, đảm bảo

môi trường cho máy CNC lớn

hơn nhiều lần so với máy thông

thường Ngược lại, máy chi phí

ban đầu để mua sắm máy thông

- Máy CNC, đặc biệt là các trung tâm gia công rất đắt tiền Giá của chúng từ vài

chục ngàn đến hàng triệu đô la Mỹ, gấp từ 5 đến hàng chục lần giá máy thông thường cùng cỡ

- Máy CNC là thiết bị công nghệ cao, có hệ thống cơ khí chính xác và hệ thống điều

khiển, đo lường tinh vi, phức tạp Để bảo đảm độ chính xác, chúng cần điều kiện bảo quản

và làm việc khắt khe Các yêu cầu về dụng cụ, vật tư bảo quản, bảo dưỡng máy CNC cũng

cao và tốn kém hơn máy thường

- Máy CNC đòi hỏi đội ngũ cán bộ kỹ thuật được đào tạo chuyên sâu Máy CNC tuy

không đòi hỏi người vận hành có thay nghề cao nhưng lại đòi hỏi một đội ngũ cán bộ kỹ thuật đồng bộ và được đào tạo chuyên sâu Lập trình viên phải có kiến thức vững về công nghệ gia công cơ khí, hiểu biết về cấu hình máy, thành thạo ngôn ngữ và công cụ lập trình (CAD/CAM) Thợ vận hành phải nắm chắc kết cấu, tính năng, chế độ vận hành máy, chế

độ bảo quản bảo dưỡng và khắc phục các sự cố thông thường; đồng thời có khả năng lập trình cơ bản Cán bộ kỹ thuật bảo trì, sửa chữa cần hiểu biết sâu kết cấu chung và kết cấu từng hệ thống của máy; có khả năng chẩn đoán tình trạng hoạt động và phân tích, khắc phục sự cố của máy Trong nhiều trường hợp, cần liên hệ với nhà sản xuất để nhận trợ

giúp kỹ thuật Nói chung, đội ngũ cán bộ kỹ thuật làm việc với máy CNC gồm các kỹ sư

cơ điện tử, được đào tạo chuyên sâu về lập trình, vận hành, bảo trì, sửa chữa các hệ thống sản xuất tự động hoá

- Máy CNC là máy có cấu hình cứng (Fixed Configuraton, Non-Configurable Machine Tools), chỉ có nhà sản xuất mới thay đổi được Nhà sản xuất luôn luôn đưa ra các cấu hình tuy chọn (Options) hấp dẫn (độ chính xác cao, nhiều trục điều khiển, tốc độ gia

công cao, nhiều chức năng tự động hoá, ) Người mua máy nếu không xuất phát từ nhu cầu và trình độ sử dụng thực tế thì sẽ bỏ tiền ra mua các máy đắt tiền với đầy đủ chức năng nhưng có nhiều chức năng thừa, rất ít dùng, dẫn đến sự lãng phí lớn

- Về bản chất, CNC là điều khiển cứng Máy CNC làm việc theo chương trình, nghĩa

là mọi hoạt động của nó tuân theo đúng trình tự và chế độ công nghệ quy định sẵn trong chương trình (xem lại mục 1.1) Bộ điều khiển không thể nhận biết được và không thể phản ứng trước những biến động trong quá trình công nghệ (sự biến động về kích thước, cơ tính vật liệu phôi; sự thay đổi khả năng cắt của dao; ) nên các chế độ công nghệ ghi trong chương trình mang tính dự phòng cao Điều đó khiến trong phần lớn thời gian, máy làm việc dưới khả năng Điều đó dẫn đến sự lãng phí về năng suất gia công

1.6 Hướng sử dụng và phát triển máy CNC

Trong phần trên, chúng ta đã phân tích các ưu, nhược điểm của máy CNC thông thường Để phát huy ưu điểm, khắc phục những nhược điểm của máy CNC cần tìm ra và

áp dụng các giải pháp về kết cấu, điều khiển và sử dụng chúng Sau đây chúng ta sẽ phân

tích một số giải pháp quan trọng nhất

1.6.1 Lựa chọn và sử dụng hợp lý máy CNC

Khi lựa chọn và sử dụng máy CNC cần phải trả lời 2 câu hỏi quan trọng:

Dùng máy vạn năng hay máy CNC?

Xu thế hiện nay là giá trị phần cứng của bộ điều khiển giảm rất nhanh, trong khi giá trị phần cơ khí và phần mềm lại tăng Vì vậy các máy CNC cỡ trung bình, bộ điều khiển

contour đơn giản trên cơ sở PC (PC Based CNC) không đắt hơn nhiều so với máy vạn

năng Nhờ trợ giúp của công nghệ CAD/CAM, máy đo hoặc đầu dò 3 chiều, việc thiết

kế và chuẩn bị chương trình cho máy CNC trở nên đơn giản Máy CNC ngày càng được sử dụng phổ biến và dần dần thay thế máy vạn năng cả trong gia công thông thường

Hình 1.25 biểu diễn khu vực

sử dụng hiệu quả của máy thông

thường và máy CNC Theo đó,

máy vạn năng thông thường giá rẻ

nhưng độ chính xác thấp được

dùng chủ yếu trong sản xuất đơn

chiếc loạt nhỏ các chi tiết có độ

phức tạp và độ chính xác thấp

(vùng I) Khi yêu cầu độ phức tạp

và độ chính xác cao thì máy CNC

phù hợp hơn Trong điều kiện đó,

máy CNC vẫn cho hiệu quả kinh

tế cao cả khi sản xuất đơn chiếc,

loạt nhỏ và chế thử, thậm chí sản

xuất theo yêu cầu đặc biệt

Hình 1 25: Vùng hiệu quả kinh tế của máy thông

thường (I) và của máy CNC (II)

I

II Sản lượng

Độ phức tạp và độ chính xác của chi tiết

Cùng với các yếu tố công nghệ đã nói trên, hiệu quả kinh tế cần được tính toán, cân nhắc khi thay thế máy vạn năng bằng máy CNC

Dùng máy CNC với cấu hình nào?

Các máy và trung tâm gia công CNC khác nhau rất nhiều về cấu hình, tính năng và tất nhiên là giá cả và các chi phí sử dụng Vì vậy, chọn máy cho phù hợp với nhu cầu sử dụng cũng là bài toán kỹ thuật và kinh tế Các máy CNC cỡ vừa, cấu hình thấp (ví dụ máy phay 3 trục, máy tiện 2 trục) thường được sử dụng tại các xưởng máy với các chức năng gia công thông thường Các trung tâm gia công có thể dùng tại các xưởng chế thử với các chi tiết phức tạp nhưng số lượng ít Trừ dây chuyền cứng (hàng khối), các máy và trung tâm gia công CNC được ứng dụng trong mọi loại hình sản xuất (hình 1.26) Tuy nhiên, cấu hình của máy và trung tâm gia công cần thay đổi tuỳ theo ứng dụng cụ thể

Hình 1 26: Phạm vi ứng dụng máy và trung tâm gia công CNC

Khi sản lượng thấp, sản

phẩm thay đổi thường xuyên

thì các máy hoặc trung tâm

CNC đơn lẻ được sử dụng

Trên các máy này, các chức

năng chính được ưu tiên tự

động hoá Một số chức năng

phụ trợ, như cấp phôi tự

động, giao tiếp với robot,

băng tải, không cần thiết

Khi sản lượng cao hơn,

chúng được ghép vào các tế

bào, hệ thống, dây chuyền

sản xuất linh hoạt Hình 1 27: Tính kinh tế của việc sử dụng CNC Trên các hệ thống đó, các thiết bị gia công được chuyên môn hoá ở mức độ cao hơn nên chuyển động cắt gọt không nhất thiết phải phức tạp (ví dụ dải tốc độ trục chính có thể

hẹp hơn, số trục chạy dao không nhất thiết phải nhiều) Nhưng cùng làm việc với máy CNC còn có các robot, băng tải, máy đo toạ độ, thiết bị lưu trữ, Do đó, các máy CNC phải có giao diện phù hợp Để giảm sự can thiệp của con người (khi hệ thống làm việc nhiều ca, kể cả ban đêm, ngày nghỉ không có người giám sát và phục vụ), các hệ thống phụ trợ và phục vụ và giám sát (cấp phôi, cấp dao, đo dao, tải chi tiết, tải phoi, ) cần được

tự động hoá Hình 1.27 cho phép so sánh hiệu quả kinh tế của các loại hình sản xuất có sử dụng CNC Máy CNC đơn lẻ có thể sử dụng khi sản lượng rất thấp nhưng năng suất của chúng không cao, chi phí sản xuất (tính cho 1 chi tiết) lớn Trong các tế bào hoặc các dây chuyền sản xuất linh hoạt, máy được chuyên môn hoá, có hệ thống phục vụ đầy đủ, có năng suất cao, do đó chi phí sản xuất thấp hơn

1.6.2 Điều khiển thích nghi máy CNC

Khái niệm về điều khiển thích nghi máy công cụ

Như đã nói ở mục 1.5.2, CNC là bộ điều khiển cứng, làm việc theo chương trình lập trước Nhiệm vụ của CNC là điều khiển máy công cụ thực hiện quá trình và duy trì chế độ gia công theo đúng chương trình Trên thực tế, quá trình công nghệ thực luôn có biến động không biết trước và không theo quy luật nào nhất định Ví dụ, sự thay đổi của chiều dày và

bề rộng cắt; cơ tính vật liệu; khả năng cắt của dụng cụ; rung động của hệ thống; độ cứng vững thực tế của phôi, dao, Như đã chỉ ra trong hình 1.5, quá trình công nghệ nằm ngoài vòng điều khiển của CNC nên nó không nhận biết và xử lý được

Để đảm bảo chất lượng gia công và an

toàn của hệ thống, trong công nghệ truyền

thống, chế độ cắt được xác định theo nguyên

tắc phòng ngừa, nghĩa là theo điều kiện khó

khăn, nặng nề nhất Trên thực tế, điều kiện đó

chỉ là giả định hoặc xảy ra trong khoảnh khắc

Tromg phần lớn thời gian, máy làm việc dưới

khả năng, với năng suất thấp, chi phí cao Máy

CNC không nằm ngoài tình trạng đó

Như trên hình 1.28 lượng chạy dao trên

máy CNC (FCNC) được xác định sao cho khi

cắt với chiều sâu cắt lớn nhất (Hmax) dao

không bị mẻ Trong suốt quá trình gia công,

tuy chiều sâu cắt thực nhỏ hơn FCNC rất nhiều

nhưng hệ điều khiển vẫn duy trì giá trị đó Hình 1 28: Chế độ cắt trên máy CNC

Nếu bằng cách nào đó, bộ điều khiển hiệu chỉnh được lượng chạy dao FAC theo chiều sâu cắt thực thì năng suất sẽ tăng lên rất nhiều

Hệ điều khiển có khả năng giám sát theo thời gian thực các biến động của môi trường và tự hiệu chỉnh chế độ làm việc sao cho đạt được tốt nhất mục tiêu điều khiển

được gọi là điều khiển thích nghi (Adaptve Control - AC)

Trong trường hợp trên, có thể thiết kế bộ AC với nhiệm vụ giám sát (trực tiếp hay gián tiếp) chiều sâu cắt và tự động hiệu chỉnh lượng chạy dao FAC, duy trì giá trị lực cắt không vượt quá ngưỡng nào đó (ví dụ, không gãy dao)

Như vậy, khác với công nghệ CNC truyền thống (thiết lập chế độ công nghệ trước

khi gia công (Off-line), theo nguyên tắc phòng ngừa, bị động), AC là giải pháp tích cực, thông minh và hiệu chỉnh chế độ công nghệ ngay trong khi gia công (On-line)

AC không phải ý tưởng mới Bộ AC đầu tiên được thực hiện tại Bendix Research Liboratories vào khoảng năm 1962-1964, dưới sự bảo trợ của Không lực Mỹ Vào khoảng

thời gian đó, hãng Cincinnati Milacron cũng xây dựng một hệ tương tự Cả hai nơi đều nhận ra rằng không thể tạo ra một hệ thống có khả năng đo trực tuyến chỉ tiêu hiệu quả

(Performance Index - PI) của quá trình Mặt khác các hệ AC này đều quá đắt để có thể

ứng dụng trong công nghiệp Sau đó, hàng loạt công trình nghiên cứu được tiến hành để tìm ra giải pháp khả thi về kỹ thuật

Các hệ AC cho máy công cụ được phân làm 3 loại:

- Hệ bù hình học thích nghi (Geometric Adaptive Compensation - GAC) nhằm nâng

cao độ chính xác gia công bằng cách giám sát và bù trực tuyến sai số hình học do sự biến

động của nhiệt độ vùng cắt, do sai số hình học của máy, do mòn dao, Tuy nhiên, do khó khăn trong việc đo trực tuyến lượng mòn dao và nhiệt độ vùng cắt nên cho đến nay chưa

có bộ GAC nào được ứng dụng thực tế [11]

- Hệ điều khiển thích nghi tối ưu (Adaptive Control Optimization - ACO) nhằm hiệu

chỉnh chế độ cắt để đạt được chỉ tiêu tối ưu nhất định, ví dụ năng suất cắt cao nhất hay chi phí gia công nhỏ nhất ACO cũng gặp phải khó khăn tương tự như GAC, không có thiết bị

đo trực tuyến mòn dao và nhiệt độ vùng cắt

- Hệ điều khiển thích nghi theo trạng thái giới hạn (Adaptive Control with Constraints - ACC), thường là đảm bảo lực cắt không vượt quá giới hạn cho phép Hiện

nay đây là hướng khả thi nhất cho AC máy công cụ

Một số hệ điều khiển thích nghi hiện có

Trong số nhiều hệ ĐKTN được nghiên cứu trên thế giới thì đã có một số hệ ACO, nhưng nhiều nhất là các hệ ACC