Luận văn thạc sĩ nghiên cứu Điều khiển truyền Động trục chính trong các máy cnc của siemens

Tligu qua kinh tế của mãy công cụ CNC Hiệu qua kinh té do may công cụ CNC mang lai: « Khi chỉ tiết có độ phúc tạp cao, lựa chơn phương pháp gia công phù hợp nhất lá gia công trên máy CNC

„ BỘ GIÁO DỤC VẢ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG DẠI HỌC BÁCH KHOA ELA NOL

NGUYÊN NGỌC:

NGHTEN CVU DIEU KHTEN TRUYEN DONG TRUC CHINA TRÔNG

cAc MAY CNC CUA SIEMENS

LUẬN VĂN THẠC SỈ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội — Năm 2013

„ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẢO TẠO _

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành: — KỸ THUẬT ĐIỆN

LUAN VĂN TIAC SĨ KỸ THUẬT

LOI CAM DOAN

Tên tồi là Nguyễn Nguyên Ngọc học viên lớp cao học kỹ thuật điện khóa 2011B Sau hai năm học tập và nghiên cửu, được sự giúp đỡ của các thấy cô giáo và

đặc biệt là T§ Trần Văn Thịnh - Thầy giáo hưởng dẫn tốt nghiệp — Tôi đã hoàn

thành khóa học thạo sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện

Tôi đã quyết định chọn để tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu điều khiển truyền động

trục chính trong các máy CNC của Siemens”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cửu của riêng tôi Cáo số liệu, kết quê trong luận văn lä hoàn toàn trung thực và chưa từng được at công bố trong bắt kỳ công trình nào khác Nếu cỏ tôi xin hoản toàn chịu trách nhiệm Tôi tin rằng, luận văn nay sẽ lả tài liệu tham khảo cho những ai ruồn tìm biểu về hệ thống điều khiển trong

Băng 1.1: So sánh máy gia công công cụ

Băng 3.1: Sơ sánh các động cơ truyền động cho CNC

Bảng 4.1 các giá trị của a tương ứng với giá trị góc 9,

Bảng 4.2 Bộ điểu chỉnh R„{p} theo các giá trị của a tương ứng

Bảng 4.3 Xác định tham số cho bộ ditu khién P, PT, PID

Băng 4.4: Xây dựng các luật điều khiển mờ

TPANH MỤC HỈNH VẼ Hinh 1.1: Sinumerik Power line

Hình 1.2: Sinumerik Solution line

Hình 1.3: May khoan CNC céng nghiép

Hình 1.4: Máy phay CNC công nghiệt

Hình 1.5: May tign CNC công nghiệp

Hình 1.6: May doa co công nghiệ

Hinh 1.7: May mai tran NC công nghiệp

Hình 1.8: Trung tam gia công CNC

Hình 1.9: May gia công EDM

Hình 1.10: Máy cắt bằng tia nước CNC

Hình I.11: Hệ tọa độ máy CNC

Hình 1.12u: Hệ toa độ decác

Hinhl12: b-hệfogđộcực; c-hệ tọa độ trụ

Tình 1.14: Điểm gốc trên máy phay CNC

Hình 1.13: Điểm gốc trên máy tiện CNC

Hin 1.15: Cac dang di chuyén thẳng của dụng cụ cắt

Hinh 1,17: Hệ thống điều khiển vong hé

Tình 1.18: Hệ thẳng điều khiển vùng kin

Hinh 2.1: Thành phần cơ bẫn của hệ thống điều khién CNC

Hình 2.2: Thành phần cơ bản cửa PCU và máy tỉnh điều khiển Siemen

Hình 2.3: Bộ mã hoá quang tăng dẫn

Hình 2.4: Bộ mã hoá quang tuyệt đối

Hình 2.5: Encoder thăng Hình 2.6: Thước đo vị tri

Hinh 2.7: Cau tgo Synchro va resolver

Hinh 2.8: Cau tao Inductusyi

Hình 2.9: Câu tạo của biến áp vi sai bi

Hình 2.10: Mạch xử lý fiu hiệu đầu ra của LVĐT

Hình 3.6: Cau tric cy ban của hệ thống thích nghỉ

Đăng 3.1: Sơ sánh các động cơ truyền động cho CNC

Hình 4.3: Trục chính máy gia công truyền dộng trực tiếp

Hình 4.6: Sơ đỗ điều khiển vị trí và tốc độ động cơ

Hình 4.7: Sơ đỗ cấu trúc chỉ tiết của động co không đẳng bộ

Hình 4.8: Sơ đỗ cẫu trúc tổng hợp của động cơ không đồng hộ

Tình 4.9: Ba thành phan của hộ điều khiển PTD

Hình 4.10: Mô hình hệ thống điều khiến với bộ PID

Tình 4.11: Mô hình bộ điều khiển mở lai kinh điển

Hình 4.12: Bộ diều khiển mờ lai kinh diễn với 2 dầu vào và 1 dầu ra

Hình 4.13: Câu trúc bên trong bộ chỉnh định mò:

Tình 4.17: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Hình 4.18: Sơ dỗ khối bệ thống diều khiển kín

Hình 4.19: Các dạng đường đặc tính tần số của hệ kín Bang 4.1 các giá trị của a tương ứng với giá trị góc Qx

do

Bảng 4.2 Bộ điều chỉnh R„(p) theo các giá trị của a tương ứu, Tình 4.22: Mô hình mô phỏng mạch vòng điều chỉnh tốc độ của hệ thông truyền động diện sứ dụng biến tần và động cơ không đồng bộ Tinh 4.23: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ với R„(p) = IL.228+14.166/n

Tình 4.24: Kết quả mô phỏng điều khiến tốc độ với R„(n) = f.161+5.038ip

Hình 4.25: Kết quả mô phỏng diễu khiển tốc dộ với R„(p) = 0.132+2.783/p

Hinh 4.26: Kết quả mô phỏng điển khiến tốc độ với R„(p) = U.114+1.776/p

Tình 4.27: Kết quả mê phỏng điều khiến tốc độ với R„(n) = 0.106+1.4161p

Hình 4.28: Sơ dễ cấu trúc mạch vòng diễu chỉnh vị trí tổng quát Tinh 4.30: Sơ dé cẫu trúc rút gọn của mạch vòng điều chỉnh vị trí "4 Hình 4.32: Mô hình mô phóng diều khiển vị trí dùng PID kinh điển „74

Hinh 4.33: Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiến PLD fhco biểu thức (4-27) 75

TT Bang 4.4: Xây dung các luật điểu khiển mo

Hình 4.35: Định nghĩa các tập mờ cho bién ET linh 4.34: Dịnh nghĩa các biển vào ra của bộ điểu khiến mờ lai PD

Tĩnh 4.36: Định nghĩa các tập mờ cho biễn DET

Hình 4.37: Định nghĩa các tập mờ cho hiển TT Hinh 4.38: Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điền khiển mờ lai FD

Hình 4.39: Quan sát tín hiệu ra của hộ điều khiển mờ lai PD

Hình 4.40: Hình dạng bề mặt của bộ diều khiển mi lai PD a Hình 4.41: Mô hình so sảnh hệ thống điểu chỉnh vị tri sử dụng bộ điều khién PLD kinh điển và bộ điều khiển mở lai PD 179

Hình 4.43: Đáp ứng tốc dộ khí sứ dụng bộ diều khiển PID và mờ lai PD với

khoảng dich chuyén bing 0.001 rad BL

Hình 4.44: Đáp ứng vị trí khi xử dụng bộ điều khiển PID va mé lai PD với khoảng

Hình 4.45: Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PID và mờ lai PD với khoảng

Hình 4.46: Đáp ứng vị trí khí sử dụng bộ điều khiển PID và mờ lai PD với khoảng

82 Hình 4.47: Đáp ứng vị trí khi sứ dụng bộ diễu khiển PID va me lai PD với khoảng

y = Isin(2afQ với f=10 rad/s

Hình §.1: Giao diện thiết kế bộ diều khiển SIZER

Hình §.2: Giao diện thiết kế bộ điều khiển trực X

LOT CAM DOAN

DANH MUC BANG

Tịch sử phát triển của máy câng cu CNC

Quá trình phát triển các máy CNC của Sieme:

Hiệu quả kinh tế rủa máy công cụ CNC

Trung tam gia cong (Machining center)

May gia céng EDM (Electronic Discharge Machi

Máy cắt bằng tỉa nwéc (Water jet cutting)

Mét sé dinh nghia co ban trong may CNC

Toa độ quy chiết

Phân loại hệ thông điền khiển máy công cụ CN¡

Phân loại theo dạng điển khiển

Điều khiển theo dường, n tục

Phân lưại then kiểu điều khiển

Hệ diễu khiển kiểu vỏng hở

Hệ điều khiển kiểu ving kin

Số Hệu vào (dan inpuf)

“Xử lý số liệu (data processing)

Số Hiệu ra (duta outpnÐ)

Dữ Hệu vào/ra (machine I/O interface)

Phẫn cứng cụm điều khiểi

Bộ xử lý trung tầm (CPU)

Phin tử điều khiễn

Phan ti sé boc (Arithmetic and logic unit - ALU)

Bién ap Căm biến hiệu ứng HaH

3.4.1 Động cơ DC servo chổi than

3.4.2 Động cơ DC servo không chỗi thai

3.8 ĐộngcơAC servo

3.6 Biến đối chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiễn trong may CNC39

3.7 Mạch vòng diễu khiển trong hệ CNC

3.71 Khái niệm

3.7.2 Hệ nỗi trụ

3.7.3 Hệ thống điều khiển thích nghỉ

3.7.4 Hệ thắng điều khiển tối ưu

Chương 4 Nâng cao chất lượng truyền động trục chính của máy CNC

4.11 Cầu tạo và yêu cầu truyền động trục c

4.1.1.1 Trục chính dẫn động bang dây đai

4.13 Điễu khiển vị trí và tắc độ động cơ khang đồng bộ

42 Mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ

4.3 Tổng hựp hộ điều khiến mử lai PID

4.3.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID

43.2 Phương pháp tổng hợp hộ điều khiển PID kinh điễn

43.3 Bộ diều khiến mờ laiPID

433.1 Giới thiệu chun:

4.3.3.2 lêu khiển mờ lai kinh di

43.3.3 Bộ điều khiến mờ lai chính định mờ tham số bộ diều khiến PID

4.4 Tổng hợp bộ diều chỉnh dòng diện

4S Tổng hợp bộ diều chỉnh tốc dộ

45.1 Tuyến tính hoá phương trình m

45.2 Tổng hợp bộ diều chỉnh tốc dộ theo phương pháp tối ưu đối xứng

453 Tính tuân gần đúng các thông số động cư không đồng bộ ba nha cu thé 66

4.8.4 Xác định các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ R„{p}

45

Simulink cia Matlab

4.6 Téng hop bé diéu chinh vi tri

4.6.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển PID kinh dién

4.6.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD

4.6.3 Kết quả mỗ phỏng hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiến PID và bộ

4.6.4, So sánh chất hrợng điều khiển bám của bệ điễu chỉnh vị trí ding bộ điều

Chương 5 Thiết kế phẩn điều khiển máy CNC vả lập trình PLC cho máy CNC cia Siemens

%1 Thiết kế phần điễu khién may CNC

5.1.1 Giới thiệu chưng về nhần mềm thiết kế SIZER

5.1.2 Thiết kế cụ thể hệ điều khiển Sinumerik 840D/80D sI

52 Lập trình PLC cho máy CNC của Siemens

52.1 Đoạn chương trình chính (hối OBI)

522 Đoạn chương trình điều khiển trục chính

MỞ ĐẦU

Lỷ đo chọn đề tải

Xuất phát từ nhú cầu phát triển sản xuất tuáy CNC trong nude thay thé dần các mảy CNC nhập khâu từ nước ngoài Day chuyén may moc hién dai phục vụ sản xuất, khoảng năm năm trở lại đây, với sự đầu tư cho nghiên cứu về máy Công cụ diễu khiển số CNC của Chính phổ, sự cố gẵng của các nhà khoa

học và doanh nghiệp, đã có hảng loạt máy CNC “Made im Việt Nam” ra đời và

sẵn xuất

đang được người đùng tin cậy Tuy nhiên, làm thé nao đề phát triết

may CNC trong nước, nâng cao nồng lực đội ngũ cán bộ quản lý và sử dụng

máy gia công CNC là điều thực sự cần thiết đổi với Việt Nam

Mục đích nghiên cứu

Tể tải có mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, giải quyết bài toán điểu khiển truyền động trục chính - thành phân có tính quyết định nhát trong máy gia

công công cụ vả các truyền đông khác

Đối tượng và phạm vi nghiền cứu

Xây dụng câu trúc điều khiển động cơ truyền động trục chính trong các

tây gia céng cong cu CNC cia Siemens Thuc hiện các mô phống để kiểm

nghiệm kết quả phân tích, tỉnh toán lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu để tải khoa học này thì cần phải kết hợp hơi phương phép nghiên

cửu như sau:

Phương pháp nghiên cứu lý tuyết: Nghiên cứu các vẫn đề về img dụng điều khiển thích nghĩ, các nô hình động cơ diễn xoay chiều, các hàm tối ưu long matlab va cac tinh toán sản đứng,

Phương pháp mỗ phỏng: Sử dụng các công cu trong phan mém Matlab dé tạa

đũ liêu mỗ phỏng và mô phỏng kiểm nghiệm

._Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của dễ tải

Đây là đề tài nghiên cửu ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển truyền đệng, điện tự động Đề lãi xây dung hé théng điều khiển truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng, cao hơn các hệ thông thông thường

6 Kết câu rủa luận văn

Luan văn baa gằm năm chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về máy công cụ CNC

Chương 2: Thiết bị do lường và diều khién CNC

Chương 3: Truyền động trong máy CNC

Chương 4: Cải tiễn chi lượng truyền déng trong may CNC

Chương 5: Thiết kế phần điều khiển máy CNC và lập trinh PLC cho may CNC

của Siemens

te

Chương 1 Giới thiệu chung vỀ máy công cụ CNC

1 Tổng quan chưng

1.1.1 Lịch sử phát trién của máy công cụ CNC

Máy CNC (eomputer mrumerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tỉnh tế có thẻ tạ ra những chỉ tiết phức tạp theo yêu câu của công nghệ hiện đại Phát

triển nhanh chóng với những tiến bộ trong kỹ thuật máy tính, chúng ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia ước có hạt mải, máy đột rập và nhiều công, cụ công nghiệp khác Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm may mde lớn sử đụng logic máy tính đề điều khiến các chuyển động và thực hiện quá

trình gia công

Mặc đủ máy tiên chê biên gỗ đã được sử dụng từ thời Kính Thanh, nhưng chiếc may tiên giá công kun loại thực tế dẫu tiêu mới được Henny Maudslay phát mình vào

xăm 1800 Nó olú đơn giản la một công cụ giữ mâu kun loại (phôi) đang được gia

công trong một bản kẹp hay trục quay va quay mau kim loại này, vì vậy một công cụ cắt gọt có thể gia công bể mặt theo dường mức mong muốn Công cụ cất này dược

nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái quay tay hay vô lăng Dộ chính xác

vẻ lich cỡ được nhân viên vận hảnh điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lãng và di chuyển công, cụ cắt theo số lượng hap ly Chiếc máy phay dẫu tiên dược Ki

Whitney phat minh nim 1818, van bảnh theo cách thứo tương tự như vậy, ngoại trừ

công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay

Từ thiết kế sơ khai đến hoạt động ngảy nay, thiết kế máy CNC hiện đại bat

nguồn từ tác nhằm của John T Parsons cuối những năm 1940 và đâu những năm 1950

Parsons sém nhận ra rary bing cach str dung may tinh TBM thời kỉ đâu, ông đã có thể

tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tỉnh

bằng tay và sơ đề

Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiêu dé van dụng vô lãng vá vận hanh dao cỏ Cac déng cơ nay nhận chỉ dân diện từ một dau dọc băng từ — đọc một băng giây có chiều rộng khoảng 2,5cra có đục một hàng lỗ Vị trí và thứ tự lỗ cho phép dẫu dọc sẵn xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tắc độ chính xác Các xụng điện được quản lý bởi một máy tỉnh đơn giản

khong co bộ nhớ Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiến sé Với những, tiến bộ trong điện tử tích hợp, băng từ đã bị loại bỏ và nẻu có thể chỉ được sử đụng đề

tai các chương trình vào bộ nhỏ từ Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc

hàng nghìn bít thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tỉnh chương trình, Để đặt

thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu

được Chương trình có thể bao gồm các lệnh “mã hóa”, như “M03” — hưởng dẫn bộ điều khiển chuyển trục chỉnh tới một vị trí mới hay “G99”— hướng dẫn bộ điều khiển

đọc một đầu vào phụ từ một quá trình náo đó trong máy Các lệnh mã héa là phương

thức phố biến nhất để lập trình ruột công cu may CNC

Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thế đơn giản chi can nhập đít liệu về vị trí, đường kinh và chiều sâu cửa một chỉ tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chủ tiết đó dưới dạng phôi Thiết bị mới nhất cô thể chọn một

mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính (CAD-CAM), tính toán tốc độ dao cô, đường vận

chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chỉ tiết mả không cần bản vẽ hay một chương,

trinh

1.12 Quá trình phát triển các máy CNC cia Siemens

Cac may CNC của Siemen dược chua làm bai đòng máy: Sinumerik Power line va

Sinumerik Solution line

NI siNÔU 720, Penton seri ame

a

pmountat anes

Hinh 1.2; Smumerik Solution line

1.13 Tligu qua kinh tế của mãy công cụ CNC

Hiệu qua kinh té do may công cụ CNC mang lai:

« Khi chỉ tiết có độ phúc tạp cao, lựa chơn phương pháp gia công phù hợp nhất lá

gia công trên máy CNC, Béi vi gia céng wén may CNC rút ngắn thời gian gia công, đạt độ chính xác cao và giá thành rẻ hơn so với khi gia công trên máy công cụ vạn năng,

« Khả năng thay đổi đạng sân phẩm nhanh bởi chỉ cần thấy đổi chương nh điểu

khiển mà không cần thay đổi cầu trúc máy hoặc thêm các dé gá chuyên ding, May CNC dap ứng được tỉnh linh hoạt trong sản xuất

«_ Thời gian gia công chỉ tiết ở máy CNC nhỏ hơn so với máy vạn nắng vì nguyên

công tập trung cao, gia công nhiều nguyên công trong củng một lúc

1.1.4 So sánh máy gia công công cụ

Bảng 1.1: Sơ sánh các máy gia công công cụ

đạng hình thang nên ma sát trượt

Đại lượng Máy công cụ thông thường May céng cu CNC

Chuyén Chuyển động bởi các dộng cơ| Chuyển động theo các phương

ÄX,Y/Z nhờ các dộng cơ vô cấp kết hợp biến tân

Các vít me là các vít mẹ có định dang dạng con lăn nên có ma sét

đâm đến nhanh mỏn To vậy có dộ

tơ và không chính xáo

Động cơ| Một động ca dùng cho ba bản | Dùng ba loại động ca giống như

chay dao | trượt XL Y, Z Dùng động cơ AC | đối với động cơ trục chính nhưng

BG vit me | Hinh thang ma sát trượt theoxich | Ranh ton lăn bi (Vit me dai ốc

Do lường | Cơ khí Gích) Điện LÉ quang học thông qua

dịch Độ chính xác 0,01 đến 0,02 mãn Thước thủy tính quang học

chuyển ban

Điều khiên Tay (Co khử: Võ lồng, ty gai

thông qua các ro le trung gian

Các qua tinh déu st dung thủ

công bối người công nhằm Kẹp

phôi, điểu khiển máy, đo lường nên độ chính xác bạn chế Do tay nghê người công nhân quyết định Tiên hành tự động theo chương

trinh lập sẵn, kết quả gia cổng dat

được nhờ vào độ chính xác của

1.2 Máy CNC dùng trong công nghiệp

1.2.1 Máy khoan CNC (Drilling machines)

Hình 1.3: Máy khoan CNC công nghiệp Đặc điểm chính của máy khoan như hình 1.3 là hệ toa đô máy hình thành trên

cơ sở hệ toạ độ Decac theo nguyên tắc bản tay phải với 3 trục vuông góc với nhau Hệ

thông điều khiên là hệ thống điều khiến theo vị trí Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển máy khoan CNC là tỉnh toán nhanh và đừng chính xác vị trí

Thông thường câu trúc cơ bản của máy khoan van năng cũng như máy khoan CNC là trục chỉnh bỏ trí thắng đứng trùng với trục Z của hệ toa độ Decac Ban may bo trí trong mặt phẳng nằm ngang trùng với mặt phẳng XOY của hệ toạ độ Decac và vuông góc với trục chính Thông thường chỉ tiết khoan được kẹp trên bản máy

Để nâng cao hiệu suất sử dụng máy người ta có thê ghép thêm vào nỏ một vai cụm trục chính với các chức năng khác nhau Ví dụ như cần có chuyên động quay của

1 trục chỉnh người ta lắp thêm cho máy modun quay hoặc đề bản mảy có thêm chuyên

động quay/nghiêng người ta lắp thêm mođun quay/nghiéng cho ban may Nhờ khả năng mở rộng số trục, máy khoan có khả năng gia công trên tất cả các mặt của phôi 1.2.2 Máy phay CNC (Milling machines)

Hình 1.4: Máy phay CNC công nghiệp

Cấu trúc của máy phay như hình 1.4 cũng được thiết kế trên cơ sở hệ toạ độ Decac theo nguyên tắc bản tay phải ba trục toạ độ vuông góc với nhau như trong máy

khoan Máy phay được trang bị hệ thông lưu trữ dụng cụ, thiết bị thay dụng cụ, cơ cầu

kẹp, tháo phôi vả thay phôi tự động Máy phay CNC co cau tric true chính bó trí thẳng

đứng được gọi là máy phay đứng, máy phay CNC cỏ trục chính bố trí nằm ngang gọi

là máy phay nằm ngang,

May phay được trang bị hệ thống điều khiển mạnh đề tỉnh toán quỹ đạo chuyền

động của dụng cụ, nội suy thẳng, nội suy vòng vả các biên dạng phức tạp Đề gia công,

các biên dạng hoặc các bê mặt phức tạp, máy phay cần phải có số trục máy ít nhất lả

ba trục

1.2.3 Máy tiện CNC (Turning machines or Lathe machines)

m | ï

Hình 1.5: Máy tiện CNC công nghiệp

Cấu trúc cơ bản của máy tiện CNC là trục chính thường bồ trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, bản máy có thể bố trí trên mặt phẳng nằm ngang hoặc trên mặt phẳng nghiêng Phôi được kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầu chóng tâm

Máy tiên có thể có nhiều trục chính, có một hoặc nhieu ban xe dao Máy tiện có

khả năng công nghệ rộng như: Tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, doa, khoan tâm, cắt

đứt, tiên mặt đầu, phay v.v

1.2.4 Máy doa CNC (Boring machines)

Hình 1.6: Máy doa cơ công nghiệp

Trục chính của máy doa CNC thưởng bỏ trí nằm ngang hoặc thằng đứng, nhưng phủ hợp hơn cả là trục chính bỏ trí nằm ngang Đặc điểm của công nghé doa đòi hỏi

máy doa phải có độ chỉnh xác cao Vi vậy máy doa thưởng được trang bị hệ thống điều

khiển với mức độ tự đông hoá cao vả được trang bị hệ thống thay phôi, dụng cụ tự đông Máy doa cỏ số trục điều khiên lớn nhất là 08 trục Hệ điều khiển máy được thiết

kế nhằm đảm bảo máy có khả năng tự động lựa chọn chẻ độ gia công cho phủ hợp với

vật liêu dụng cụ cắt và vật liệu phôi Máy có tính năng xác định lượng mòn của dụng

cụ vả thực hiện hiệu chỉnh lượng mỏn đao ngay trong quả trình gia công Đồng thời

máy cỏn được trang bị phân mềm đồ hoạ đủ mạnh đề mö phỏng quá trình gia công chỉ

tiết trên máy

1.2.5 May mai CNC (Grinding machines)

Hinh 1.7: May mai tron NC cong nghiép

Dựa trên cơ sở công nghệ, máy mải CNC được phân ra thành các loại khác nhau Máy mái có các loại: máy mải phẳng, mải tròn ngoài, mải răng, mài định hình vả

các dạng khác Máy mải có số trục máy từ 02 đến 09 trục Công nghệ mài đòi hỏi độ

chính xác, độ bóng be mặt cao Vị vậy, độ chính xác của may mai CNC cao hơn so với

các loại máy CNC khác Để đảm bảo điều kiện gia công, hệ thông điều khiển của máy

phải đâm bảo địch chuyên bản máy êm, lượng dịch chuyên nhỏ và chỉnh xác hơn

nhiều xo với các máy khác Để đạt được độ bóng cao tốc đô cắt của máy mài cao

khoảng vải chục nghìn vòng/ phút vả lượng tiến dao vào cắt của ụ đá thông thường vào

khoảng 0,002mm/ph dén 06mm/ph

Trong quá trình gia công, đả mài mon nhanh nên máy cỏ hệ thông sửa đã tự

động Thiết bị đo xác định kích thước đá mải, tỉnh toản giả trị tốc độ cần thiết với kích

thước đả tương ứng phủ hợp với chẻ độ cắt yêu câu Máy cũng được trang bị hệ thông,

đồ hoa đủ mạnh nhằm đáp ứng cho máy có the mai duge các chỉ tiết có hình dang phức tạp nhưng vẫn đạt được đô bóng và độ chính xác cao

1.2.6 Trung tâm gia công (Machining center)

liên

Hình 1.8: Trung tâm gia cong CNC

Trung tâm gia công như hình 1.8 là máy CNC đứng hoặc nằm ngang nhưng

được trang bị hệ thông thay đao tự động Số trục điều khiển của trung tâm gia công it nhất là 03 Để mở rộng hơn nữa khả năng công nghệ của trung tâm gia công và phủ

hợp với thực tế, các kỹ sư thường thiết kế nó dưới dạng modun độc lập, hệ điều khiển

l hệ thông mở Khi cần mở rộng trục chuyển động nào đó người ta chỉ cần lắp thêm

modun tương ứng vào đề tăng số trục điều khiển của máy

Trung tâm gia công được trang bị thiết bị lưu trữ dụng cụ Thiết bị lưu trữ dụng,

cụ có đạng mâm, dạng xich một tầng hoặc nhiều tâng Lưu trữ dụng cụ theo dang xích

cho phép lưu trữ được số lượng dụng cụ lớn hơn so với dạng đĩa Củng với hệ thông,

lưu trữ dụng cu, may còn được trang bị hệ thông thay dao tự động

10

1.2.7 May gia cong EDM (Electronic Discharge Machining)

Hinh 1.9: May gia cong EDM

Công nghệ EDM được sử dụng khá rộng rãi trong sản xuất, tuy nhiên trước đây

nó ít được sử dụng EDM thực hiện theo nguyên tắc ăn mỏn điện cực Các chuyên động của bản máy va dau mang điện cực được điều khiến theo chương trình số, nên nó cũng là máy điều khiển chương trình số Quả trình gia công trên mảy EDM như hình

1.9 là quá trình phóng điện giữa điện cực và chỉ tiết gia công, vì vậy độ chính xác gia

công tuỷ thuộc vào độ chỉnh xác của điện cực Vật liệu lảm điện cực trong gia công

EDM thường làm bằng vật liệu đồng hoặc vonfram có đường kính tủy theo mục đich

sử dụng Trong quá trình gia công vùng cắt luôn được tưới dung dich dâu bôi trơn cách

điện

1.2.8 Máy cắt bằng tia nuéc (Water jet cutting)

Hình 1.10: Máy cắt bằng tia nước CNC Máy cắt mà dụng cụ cắt là tia nước như hình 1.10 có áp lực cao được gọi là máy cắt bằng tia nước Công nghệ cắt bằng tia nước cũng mới xuất hiện nhưng nó đã nhanh chỏng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất

Các trục chuyên động của máy cắt bằng tia nước được thực hiện nhờ hệ thông

điều khiển số nên máy được gọi là máy cắt bằng tia nước CNC Phương pháp gia công,

này là một hưởng phát triển cơng nghệ gia cơng nhằm nâng cao năng suất và chất lượng Dặc điểm của máy là cĩ thiết bị tạo áp suất cao cho nước và vơi phun Máy cắt bằng tia nước cĩ thế gia cơng các chỉ tiết dạng tâm Vật liệu gia cơng là tắm plastic, giấy, thép và các chỉ tiết dạng tâm khác Tốc độ cắt từ 7@mnuph đến 1000mavph, ap

suất nước từ 4000bar đến 9000bar va đường, kính tia nước cĩ thế đạt 0,lzmm Gia cơng

tiẳng tia nước cĩ vết cất mịn, trong quá trình gia cơng khơng cân làm mát và đặc biệt

là khơng xuất hiện mịn dung cụ cắt Vì vậy trong hệ thống điều khiến khơng cân tỉnh năng hiệu chỉnh lượng mén dung cụ Chiều đây chỉ tiết lớn nhật cĩ thế gia cơng được gan 80mm Chidu rộng mạch cắt khoảng lừ 0,1m đến 0,3mmn Luy thuộc vào kích thước lỗ phun Nhược diém của máy là thiết bị cơng kênh và yêu cầu dộ chỉnh xác cao, đường kính vỏi phun từ 0,1mm đến 0,3mm Tốc độ động nước từ 800m/s đến 900m/s

Để nâng cao hiệu quả giá cơng người ta cĩ thể trộn vào nước các bột min Cắt bằng tia nước cĩ các tru điểm: Loại trừ được sắn phẩm khơng cỏ ich (phọ) do quá trình gia cơng sinh ra cĩ thể ảnh hưởng tới quá trình cắt, Khơng cĩ lực chạy đao đất vào chỉ tiết,

Phương pháp gia cơng này khơng chơ dịng điện chạy qua chỉ tiết trong qua tinh gia

cơng Diễu này rất quan trọng trong một số trường hợp gia cơng đặc biệt như khi làm

ban mach in điện tử

1.3 4 dink nghia cy ban trong may CNC

1.3.1 Định nghĩa trực

Gia cơng trên máy CNC là quá trình chuyển động đụng cụ đọc theo đường hình học trên bể mặt cân gia cơng, Đường hình học được tạo ra trên chỉ tiết là đường biên

của dựng cụ cắt trong quá trinh gia cơng Thơng thường trong quá trình gia cơng, chỉ

tiết kẹp chặt trên bản máy và dụng cụ lắp trên trục chính Đề điêu khiển chuyền động, dụng cụ cất đọc theo đường, hình học trên bể mặt chủ tiết chúng ta cản tìm mỗi quan hè

vị trí giữa dung cu va chỉ tiết Mơi quan hệ giữa dung cụ và chỉ tiết cĩ thẻ thiết lập

thơng qua việo đặt chúng trong cũng một bệ toa độ Hệ toa độ Decade dive chọn sử

dụng làm hé toa dé trong may CNC Hé toa dé này dùng dễ biểu điển mỗi quan hệ vị trí giữa dụng cụ cắt và chỉ tiết hay hệ tọa đĩ này cịn được gọi là hệ toa độ máy

Nguyễn tắc thiết lập hệ toa độ Deráe: Hệ to độ tuân theo nguyên tắc bản tay phải hoặc h toa độ tuân theo nguyên tắc bản tay trái Khơng gian giới hạn bới ba kích

12

thước ctia hé toa dé Decae gin voi may ma hé diéu khiến máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công (vùng làm việc - working area) Doan thẳng đùng đề định hưởng

một không gian hoặc một đôi tượng hình học gọi là trục Ba trục bê trí vuông góc với

nhau hình thành hệ toạ độ I2ecác Trục được xem như là đường chuẩn dùng để xác

định đối tượng nào đó trong không gian theo kích thước đải và kích thước góe

1.3.2 Định nghĩa trục may

Phan tích các chuyển động cơ học cho thầy mọi chuyển động đều là tô hợp từ

hai chuyển động cơ bản với thành phân là: chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

tron Vì vậy chuyển động dụng cụ cắt của ráy cũng được đặc trưng bởi bại chuyển động cơ bản trên Chuyên động thẳng của dựng cụ cất song song với trục hệ toạ dộ gắn với máy, gọi là trục chuyển động thắng hay gọi tất lả truc thẳng Chuyến động của dụng cụ cất quay xung quanh trục hệ toạ độ gắn với máy gọi lá trụe chuyển động quay hay gọi tắt là trục quay Chuyển động quay của dụng cụ cắt xung quanh trục nảo đó của hệ loa độ gắn với máy hoặc chuyển động dụng cụ cắt lĩnh tiên sơng sơng với trục

hệ toạ dộ gắn với máy chuyển động đó gọi là trục

1.3.3 Cấu trúc hệ trục máy

13.3.1 Trục thẳng: X, Y,Z

Hệ toạ độ Decac tuân theo nguyên tắc ban tay phải như hình 1.11 dược biểu

điễn thông qua ba ngón tay: ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa

Hình 1.11: Hệ tọa dé may CNC

1a ngón tay bể trí thành hệ trục toạ độ Ngón cải bương ứng là trục X, ngón trỏ

tương ứng là trục Y và ngón giữa tương ứng là trục Z Hệ trục toa độ Decac được gắn

với máy dược gợi là hệ toạ dộ máy Cầu trúc máy thưởng có hai kiểu bề trỉ cơ bán do

là trục chính thẳng đứng và trục chính năm ngang

Hệ trục toa độ Decac gắn vào máy công cn điều khiến số được quy định bắt dau

từ trục ⁄ Irụe 2 được bố trí trùng với trục chính còn các trọc khác được xác định theo

nguyên tắc bàn tay phải hoặo bàn tay trái Hai trục thẳng thứ nhất X, Y tương ứng với

trai chuyên động của bàn máy trong mal phẳng tạo bởi hai lục toa độ X và Y Theo quy định chuyển động nao của bản máy có hảnh trình lớn hơn thi chuyển động đó xác đình là trục thẳng X, chuyển đồng còn lại là trục thắng Y Chuyến động của trục máy

có hai chiều, quy định chiều dương của chuyển động được ký liệu (+) va chigu âm của chuyển dộng dược ký hiệu(-) Chiều của ba trục thắng được xác định như sau Chiêu đương của trục thẳng 7 quy ước là chiều tăng dan khoảng cách từ chỉ tiết đến chmp e Ngược với chiều đương của Z là chiêu âm Chiều dương của trục thẳng X dộc lập với chiều chuyển động của trục thẳng Z và có mỗi quan hệ vị trí với chi tiết hoặc trụ mảy Chiêu đương của trục thẳng X được quy định với hai trường hợp: Máy có trục chính được bó trí thẳng đứng, và máy có trục chính bố trí nằm ngang,

®_ Trường hợp máy có trục chính bố trí thẳng đứng, người quan sát đứng đối điện với trụ mảy qua bản máy và nhìn từ chỉ tiết đến trụ máy thì chiều dương của trục chính thứ nhất X có chiều hướng từ trải sang phải Ngược lại lả chiêu âm + _ Trường hợp máy có trục chính nằm ngang, người quan sat dimg ctmg phía với trụ máy nhìn từ trụ máy đến chỉ tiết, chiều đương trục thẳng X có chiều hướng

tử trái sang phải Ngược lại là chiều âm Chiểu dương của trục thẳng Y dược xác định trên cơ sở chiêu đương của trục thăng X và trục thẳng Z theo nguyên tắc bàn tay phải

1.33.2 Truc quay: A,B,C

Ta trục quay ký hiện A, B, Œ Chuyến động quay xung quanh trục thắng X là

trục quay A Quay xung quanh trục thẳng Y là trục quay B Quay quanh trục thẳng 7,

Ja trục quay C (Hình 1.11) Các trục quay có hai chiều chuyển dộng: chiều âm và chiều dương Chiều dương chuyển động của trục quay A ký hiệu +A ngược lại chiêu âm ký

higu -A Chiều dương trục quay B ký hiệu +B, chiêu quay âm -B Chiểu đương trục

quay C ký hiệu +C, chiêu âm -U Chiều cúa ba trục quay dược xác dịnh theo nguyên

14

tac ngôn tay cửa bản tay phải Đưa ngón tay cải theo chiều tử lòng bản tay đến dầu ngón tay trùng với chiều đương của trục thing X, nằm các ngón tay còn lại, chiêu chuyển động của các ngón tay còn lại trùng với chiểu quay đương của trục quay A

Tương tự như vậy với trục H, C

1.3.4 Hệ toa độ

Nhiệm vụ chính của chương trình ƠNC là cụng cấp thông in điều khiển chuyển động dung cụ hinh thành các đường hình học đã được thiết kế trên chỉ tiết Chương

trinh CÁC đòi hồi phải có hệ toa độ mà hệ toa độ đó đùng để xác định vị trí của vật thé

trên máy Trên máy ỞNC có Hai hệ toa độ có thê dùng để xác định mọi vị trí chi tiết

trén may la: Hé fog dé Decae va hé toa dé cye

1.3.4.1 Hệ toạ độ Decac

Hệ tơa độ Decae dược xem như là hệ toa độ chữ nhật dược biểu diễn như hình

1.12a Trong máy công cụ điều khiển sẻ hai trục thẳng X vá Y bố trí vuông góc hình thành hệ toạ độ phẳng Giao của chúng gọi là gốc toa độ Trong hệ toa độ phẳng dùng, chung máy công cụ CNC, người ta quy ước trục thẳng nằm ngang là trục thẳng X và trục thẳng đứng là trục Y lai trục chia mặt phẳng thành bến phân vả chứng được đánh số thứ tự thee chiêu ngược kim đồng hỗ Góc phân tư thứ nhật quy ước là nằm phía trên trục X và nằm bên phải trục Y Đặc chiếm là tất cả các diễm nằm trong góc phần tư này đầu có gia ti dương Góc phan tr thir hai được xác định là góc năm trên

trục X và nắm bền trái trục Y, các điểm nằm trong

góc phần tư thử hai có -X và +Y, Góc phần tư thử a

ba nim bên đưới trục X và bên trải trục Y, các Go pa La ts eat

rộng mặt phẳng XY thành không gim ba chiếu

Điều đỏ hình thành hệ toa độ không gian ba trục

1.3.42 Hệ toạ độ cực

Trong hệ toạ độ phẳng (hai trục), vị trí một diễm trên mật phẳng XY dược xác định bằng khoảng cách đo từ gốc toa độ đọc thea cáo trục OX và OY Nhưng trong hệ toa độ cực, vị trí một điểm bắt kỳ được xác định bởi bản kính (bán kính được đo từ gốc toa độ đến điểm khảo sát) và góc được hình thành bởi trọc OX va ban kinh của điểm

+hảo sát

Các — Tryoquyeteu

Hinhl.12: b- hệ toạ dộ cực; c-hệ tọa dộ trụ

Góc có đơn vị đa bang độ và giá trị góc dương khi đo theo chiéu ngước kim đồng hỗ, góc có giá trị khi đa góc theo chiều thuận kim đône hồ Nếu hệ toa độ cực có

thêm kich thước theo phương Z„ hệ toạ độ cực trở thành hệ toạ đã trì Với hệ toa độ

trụ một diễm dược xác định bởi ba thông số: bản kính r, góc œ và kích thước do trên trục Z Hệ toa độ tụ đùng dễ nội suy dường xoắn trên mặt trụ nhờ chuyển động quay

và chuyển động tịnh tiến Ví đụ xác định điểm A trong hệ toạ độ trụ như hình vẽ

1.3.43 Tọa độ quy chiếu

Trong máy công cự diểu khiển số, diễm có bai mục đích sử dụng dỏ là diễm biểu điển vị trí điểm trong ving gia công vá điểm được sử dụng làm điểm quy chiếu

tay gọi là điểm gốc Điểm vị trí dùng để tính loán các điểm khác nhau trên chỉ tiết và diém quy chiếu dùng, dễ xác dịnh vị trí máy Điểm quy chiếu có thể chia thành các loại

sau:

-_ Điển gắc máy (machine relerence point) la điểm gốc hệ toa độ máy, nó đặt

cô định trên máy như hình 1.13 v à 1.14 Điểm gốc máy được ký hiệu bằng,

chit cdi M (Machine) Diém gốc máy dùng để tổ chức máy sau mỗi lần mất

điện và nó cíng là điểm đùng để xác định vị trí thay đụng cụ Điểm gốc máy

dược xác định bằng chuyển mạch dặt ở vị trỉ xác định cho mỗi trục Vị trí

đặt điểm gốc máy đo người thiết kế máy quyết định Nhiều máy CNC người

16

ta thiết kế hệ điều khiển yêu cầu ban may và trục chính phải quay vẻ diễn: gốc máy trước khi thực hiện một chương trình mới

Điều khiến bản máy và trục chính về gốc máy được thực hiển theo hai cách

Bằng tay và bằng chương trinh Điều khiển về gốc máy bằng tay được thực hiện nhờ

các phím trên bản điều khiển và cách này cha phép thực hiện điều khiển độc lập từng

trục hoặc các trục đồng thời

Diéu khiển về gốc máy nhờ phần mềm chương trình đã được cài đặt sẵn trong máy Trước khi quả trình thay đụng cụ xãy ra, trục chính và bản máy được đưa về gắc bằng chương trình Lự động (Hệ điều khiển Funue và Mitsubishi dùng mã lệnh G28, Siemens dùng mã lệnh G93 đẻ thực hiện mục dịch đó), Khi máy bị mắt điểm gốc, người sử đụng cỏ thế xử lý đế có điểm gốc mới hoặc thay thể điểm gốc bằng điểm

khác theo cách sau: Chuyển máy vẻ nơi sẵn xuất để xác định lại diễm gốc máy, Sử dụng điểm thay dụng cụ như điểm gốc máy; Dùng điểm gốc chương trình thay cho điểm gốc máy

-_ Điểm góc chương trình (program reference point):

Trong nhiều trưởng hợp toa độ điểm gia công xác định theo điểm gốc máy không thuận lợi Nêu đùng một điểm không phải là điểm gốc máy, việc xác định vị trí các diễm gia công thuận lợi hơn, diễm nảy người ta gọi là diễm gốc chương trình ký hiệu bằng chữ P (Program), Vi vay điểm gốc chương trình cần phải lựa chọn trước khi

lap trình để phù hợp với chỉ tiết gia công

-_ Điểm ede chi tiét (work reference point):

Ký hiệu bằng chữ W là điểm gốc của hệ toạ độ chỉ tiết Diễm này có thé chon

một điểm bat ky trên bản máy Trong nhiều trường hợp, dùng một điểm gốc chủ tiết để gia công nhiễu chỉ tiết cùng một chương trình con giống nhau trong một lần gia công,

Sử dụng điểm gắc chương trình tạo thuận lợi cho quá trình lập trình gia sông nhiêu chỉ tiết với chương trình don giản

-_ Điểm quay vé (reference point return):

Ký hiệu E là điểm cổ định trên máy Nó được xác định nhờ các “limit switch”

hoặc các cảm biển không tiếp xúc Điểm gốc quay về đòng với hai mục dịch: Cơi là

một điểm gốc để xác định tọa độ các điểm khác và làm vị trí để thay dụng cụ cắt

17

Hệ thống điều khiển máy công cụ CNC duoc phan thành hai kiểu: Điều khiến

theo vi tri và điều khiên liên tục

1.4.1 Phân loại theo dạng điều khiển

1.4.1.1 Điều khiển theo vị trí

Điều khiển theo vị trí bay còn gọi là hệ điều khiển điểm đến diém (point to

point) Chức năng chính của hệ điều khiến theo vị trí là chuyên động nhanh dụng cụ từ điểm nảy đến điểm khác đã được định trước với độ chỉnh xác vị trí cao nhưng quá

trình cắt không xảy ra khi chuyển động dung cu tir điểm nảy đến điểm tiếp theo Hệ

thống điều khiển này thường dùng với các loai may nhu: May khoan CNC (Drilling

machine), may doa CNC (boring machine), may gap mép (reaming machine), may tién

ren CNC (tapping machine), may duc 16

a Chuyển động dụng cụ song song với trục hệ tơa độ

Giả sử cần chuyển động dụng cụ từ điểm ban dau A(xaya ) đến điểm B(xg yp) nằm

trong góc phân tư thử nhất Theo cách chuyên động dụng cụ song song với trục có thể

thực hiện theo hai trình tự:

Chuyển động dụng cụ song song với trục Y sau đỏ chuyển động dụng cụ song song, với trục X hoặc chuyên động dụng cụ song song với trục X tiếp theo chuyên động, dụng cụ song song với Y

18

Hinh 1.15: Cac dang di chuyén thang của dụng cụ cắt

Chuyển động dụng cụ lần lượt song song với các trục là cách mả thời gian cân thiết

chuyên động đụng cụ từ điểm gia công nảy đên diem gia công tiếp theo lả chậm nhất

Nhưng nó có ưu điểm là hệ điều khiến đơn giản, để dàng trong điều khiến và đặc biệt

là giá thành thấp

b Chuyển động dung cụ nghiêng góc 45°

Chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45° được điêu khiên theo trình tự , ban dau dụng cụ từ điểm A(xa, yA) chuyên động đến điểm K là tổ hợp từ hai chuyền động,

thẳng thành phần song song với hai trục máy X vả Y với cùng tốc độ vi vậy đường,

chạy đao là đường nghiêng một góc 45” Chuyên động dụng cụ thực hiện cho dén khi một trong hai gia só AX hoặc AY bằng không

Đuếng chuyết đồng dung sự

Hình 1.16 : Các dạng di chuyển nghiêng của dụng cụ cắt

c Chuyển động dụng cụ theo đường thang

Kiểu diêu khiển chuyển động dụng cụ theo dường thăng là hệ diễu khiển thực hiện đông bộ cả hai trục chuyển động X và trục Y sao cho đựng cụ chưyển động theo đường thẳng nối giữa hai diém A(x, ya) va BÓœ.ys) Tếc độ chuyển động của trục XÃ

và trục Y là khác nhau Thời gian cần thiết chuyển động từ điểm A đến điểm B kiểu

đẫn động dung cụ theo đường thẳng là nhỏ nhật sơ với hai kiến chuyển động ở trên Dễ

thực hiện chuyển động đồng thời hai trục có tốc đô khác nhau, hệ thống điển khiển

thường rất phức tạp chính vì vậy má giá thành của hệ thống nay cao hơn rất nhiều so

với hai hệ điêu khiến đã nêu ở trên

d Giải pháp thực hiện dùng chính xác

Để giảm thời gian chạy khỏng trong quả trình chuyển động dụng cụ tới vị trí gia công tiếp theo, tác đô chuyển động dụng cụ cần phải đạt được tốc độ lớn nhật cho phép Do chuyển đông của cơ cấu mang dựng cụ tốc dộ cao, quản tính chuyển đông của cơ cầu rất lớn, vi vậy vấn đẻ dừng vị trí chính xác dụng cụ với thời gian đừng lả nhỏ nhất là vận đề đặt ra cho những người thiết kế hệ thông điều khiến vị trí Để giảm lực quán tính của cơ câu chấp hành khi chuyển nhanh từ vị trí gia công này tới vị trí gia công tiếp theo bằng cách giảm đần tốc độ trước điểm dừng Có hai phuong pháp thực hiện việc giảm tếc trong máy CNC: giảm tốc độ chuyển đông theo cấp (số cấp tốc

độ phụ thuộc vào tốc dộ chuyển dộng và khối lượng chuyển dộng), giảm tốc dộ vô

cấp

1.4.1.2 - Điều khiển theo đường dẫn liên tục

Kiểu dẫn động dụng cụ liên tục là kiểu dẫn động ngược với dẫn động kiểu vị trí

Kiểu đẫn động dụng cụ liên tục là kiểu mà quá trình chuyên động dung cụ từ điểm này

đến điểm khác đẳng thời với quá trình gia công Hệ điền khiển dẫn động dụng cụ liên tục còn gọi là hệ điều khiển contour Cac may CNC ditu khién theo dường dân liên

tục là: Máy phay, máy tiện, máy bào, máy xọc, máy đoa, máy cắt

Với cách điền khiển đường đẫn dụng cụ liêu tục, tất cô các trục đồng thời chuyển dộng nhưng tốc độ chuyên dộng khác nhau Khi dung cy chuyén déng theo một đường phi tuyến, tốc độ trên các trục thay đổi quan hệ với nhau theo ham phi tuyến

1.42 Phân loại theo kiểu diều khiển

20

Đề di chuyên ban máy thì hệ thông điều khiên CNC can phải có hệ truyền đông,

mã ở đỏ nó có khả năng điều khiển được cả tốc độ lẫn vi tri Điều khiển các trục máy

CNC có thẻ thực hiện theo hai kiều điều khiên: Điều khiển kiểu vòng hở và điều khiển

kiểu vòng kin

1.4.2.1 Hé điều khiển kiểu vòng hở

Hệ điều khiển vòng hở như hình 1.17 là hệ điều khiển không có mạch phần hồi

và kết quả hoạt động của hệ không được kiêm soát Hệ thống điều khiên vòng hở trong,

máy CNC thông thường sử dụng động cơ bước đẻ di chuyên ban may May CNC str

dụng hê thông điều khiển hở như: Máy phay mạch in, mảy gia công ăn mon tia lửa

điện

Hình 1.17: Hệ thống điều khiên vòng hở

Nhược điểm lớn nhất của hệ thông điều khiên hở là đô chính xác vị trí của hệ

thông rất nhạy với sự biển đổi ctia tai trong vi ham điêu khiển không phụ thuộc vào thời gian thực Khi tải trọng thay đổi, tốc độ chuyên động cũng thay đổi theo, hệ điều

khiển không có khả năng điều khiến đề phủ hợp với tải trọng mới Trong quả trình gia công, tại vùng gia công nào đỏ cơ tỉnh của vật liệu gia công thay đổi làm tăng lực cắt dan đến giảm tóc độ cắt vả hệ thống dieu khién vong ho không kiểm xoát được sự thay đổi này nên không hiệu chỉnh được tốc độ cho phủ hợp với tốc độ yêu câu Ngoài ra hệ điều khiển hở còn chịu ảnh hướng của sự thay đổi nhiệt độ, bôi trơn và các yêu tổ bên

ngoài khác Vi vay hé thong điều khiển vòng hở chỉ phủ hợp với các máy có công

nghề gia công theo vị trí Với độ chính xác chế tạo trục vít me vả công nghệ chế tạo

động cơ bước, hệ thống điều khiển CNC kiểu vòng hở sử dụng động cơ bước cỏ thẻ

21

đạt độ chỉnh xác tới 0,001 inch Thường hệ thống điều khiển kiêu vòng hở dùng cho các máy cân độ chính xác vị trí không cao

1.4.2.2 Hệ điều khiển kiểu vòng kín

Hình 1.18: Hệ thông điều khiển vòng kín

Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển vỏng kin như hình 1.18 và hệ thống điêu khiến vòng hở hình 1.17 là ở chỗ hệ thông điều khiển vòng kin có mạch

phân hỏi Hệ thông phản hổi đủng để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục vả so sánh

chúng với vi trí vả tốc độ yêu càu Sự khác nhau giữa giả trị thực vả giả trị yêu cầu là sai số Phan tử chuyên đổi của mạch phản hỏi thường sử dụng một trong hai kiểu: tương tự hoặc số Trong máy CNC, thông số tốc độ chuyển động của bản máy hoặc trục chính phải được điều khiển bởi tốc độ trên các trục Cảm biển tốc độ lả kiểu chuyên đổi tương tự và thường dùng đề đo tốc độ chuyền động Resolver va Encoder

dùng dé do vi trí hoặc tốc độ Tin hiệu đưa ra từ Resolver cho dưới dạng tương tự còn

tín hiệu đưa ra từ Eneoder cho ra dưới dạng tín hiệu số

Kết luận:

Máy gia công cơ khi điều khiển số CNC là loại máy rất phổ biến hiện nay, sự ra

đời và phát triển của nó đã thúc đây sự phát triển của ngảnh co khi che tạo, đóng góp

to lớn vào việc tạo ra của cải của xã hội Sự ra đời của máy CNC làm cho các sản

phẩm cơ khí chế tạo cỏ chất lượng tốt hơn, độ chính xác cao hơn Máy CNC có rất

nhiều chủng loại khác nhau, mỗi một công nghệ gia công lại có một kiêu máy Tuy nhiên xét về nguyên lý thì các máy CNC đều có cầu trúc và hệ điều khiển tương tự

2

nhau Cầu trúc của tắt cả các loại máy CNC dêu bao gốm: Phần xử lý trung tâm (giao điện người máy - IIMT), phần điều khiến servo, động cơ servo, phân hồi tắc độ-vị trí

Hệ thống điển khiến CNC thông thường có hai đang: Điều khiến vòng hở và điều khiển vòng ki

« - Hệ thống diểu khiển vòng hỡ thường có độ chính xác không cao nhưng chỉ phí đầu tư thấp do do trong thực tế người ta thường dùng hệ điều

khiển vòng hỗ cho những máy không đòi hồi cao về độ chính xác như

máy khoan CNC, may phay mach in CNC

Chương 2 Thiết bị đo lường và điều khiển trong máy CNC

2.1 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC

HMI (MMCI/PCU/TCUIOPITP)

Ea Hee:

See Reem

điều khiển máy (PCU — Process computer unit va MCP - Machine Control Panel), cum

điều khiến động co (Control card), déng co, cum phản héi toe dé (Velocity feedback),

cum phan hai vi tri (Position feedback)

Cum diéu khién may dong vai trỏ điều khiển toan bộ hoạt động của hệ thông,

nó làm nhiệm vụ giao tiếp giữa người vận hành và hệ thông, nhận lệnh điều khiên tỉnh

toán đề đưa ra các thuật toản số học, logie theo trình tự xác định Từ chương trinh gia

công do người lập trình nạp vào PCU, nhờ vào hệ thống phân mềm mà PCU sẽ đưa ra

tin hiệu điều khiển phủ hợp đề điều khiển cụm thiết bị chấp hành, đồng thời nỏ nhận tín hiệu từ cụm phản hỏi vị trí đề liên tục điều chỉnh các sai lệch vị trí trong quá trình làm việc Sai lệch tốc độ của động cơ sẽ được cụm phan hỏi tốc đô phát hiện và đưa tới cụm điều khiển động cơ đẻ hiệu chỉnh

2.2 Chức năng của cụm điều khiển

Cụm điều khiển máy được coi là trái trà của máy công cụ điều khiến số Nó có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức năng đẻ điều khiển máy, Các chức năng bao gồm:

vào/ra số liệu, xử lý các số liệu và ghép nổi máy với các thiết bị ngoại vỉ

24

2.2.1 Số liệu vao (data input)

Chức năng nay bao gồm: chức năng vào và lưu trữ số liệu Đỏ là số liệu mô tả

đường chuyên động của dụng cụ cũng như điều kiện gia công sản phẩm

2.2.2 Xử lý số liệu (data processing)

Câu trúc chương trình điều khiên được được đưa vào cụm PCU va được nó mã

hoá thành số nhị phân sau đó được lưu trữ vào vùng nhớ đệm Các số liệu này được bộ xtr ly trung tam (central processing unit-CPU) tinh toan xác định vị trí, lượng chạy dao, hiệu chỉnh chiều dải (Tool length offset) va duéng kinh dung cu (tool diameter

offset), Cting như các số liêu rời rac như: yêu cau diéu khiến đỏng ngắt hệ thông, bôi trơn, làm mát chỉ tiết và các thiết bị điều khiên (O) đâm bảo trình tự truyền tín hiệu

giữa máy gia công công cụ vả hệ điều khiên CNC

2.2.3 Số liệu ra (data output)

Số liệu đưa ra của PCU là tín hiệu vị trí và lượng chạy đao Các tin hiệu này được gửi tới mạch điều khiên để phát ra tín hiệu điều khiển động cơ

2.2.4 Dữ liệu vào/ra (machine ƯO interface)

Các tin hiệu rời rạc/tương tự được yêu cầu tử số liệu đầu vào: chiêu quay trục

chính đóng mở động cơ làm mát, bôi trơn, dừng khan cap, đừng chu trình và các tín

hiệu khác từ máy gia công công cụ gửi tới hệ điều khiển CNC

2.3 Phần cúng cụm điều khiển

Phan cửng của cụm PCU gồm 6 thành phản cơ bản: vi xử lý trung tâm, bộ nhớ,

điệu khiên động cơ thiết bị lôgie điệu khiên trình tự và các mạch ghép nói Các thành

phần liên hệ với CPU thông qua BUS Thanh phan trong PCU chỉ ra trên hình 2.2

[Điều khiến seno)| Điều khiến trình

2.3.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit-CPU) là một máy tính công

nghiệp Nhờ chương trình nguồn ghỉ treng bê nhở để hinh thành thuật toán trên cơ sở

dit liệu đưa vào cho phủ hợp với chương trình điều khiển để điều khiển các thiết bị

ngoại vi thong qua BUS Cau trúc CPU gồm 3 phân tử cơ băn: phan tử điều khiến,

phần tử logic số học, bộ nhớ Iruy nhập nhanh:

2.3.11 Phần tứ diều khiển

Phân tử điển khiển (Control section) lam nhiệm vụ điền khiến tất cả các phân tử

của nó và các phần lử khác của CPU Ximg nhịp từ đồng hồ đưa vào điều khiển đồng

bộ hoạt dộng của các phần tử Phần tử điều khiến trao đổi thông tín giữa nó với các phân tử khác thông qua BUS Đồng thời nó cfing có nhiệm vụ phát ra tín hiệu yêu cân thông tin từ các phản tử khác

Số liệu qua cổng vảo#a được đưa vào bộ nhở tuy nhập nhanh, phan tử điều khiển gợi chương điều khiển lưu trữ trong ROM hoặc RAM cửa bộ nhớ chính gũi tới

và gửi tin hiệu đến các cụm trong hệ thống dẻ thực hiện theo yêu câu Trong, phân tử điều khiển có mạch giải mã lệnh (Lnit control) Mạch nảy giải mã các thông tim đọc từ

bộ nhớ truy nhập nhanh và đưa oác thông tin sau khi xử lý tới mạch tạo xung điều

khiển Các dãy xung điều khiển khác nhau sẽ diễn khiển các bộ phận khác nhau hoạt động phù hợp với yêu câu

23.12 Phần tử số học (Arithmetic and logic unit - ALU)

Với nhiệm vụ bình thành các thuật toán mong muốn trên co sở số liệu đưa vào

Kiểu thuật toán số học là cộng, trù, nhãn, chia, công logio và cáo chức năng khác theo yêu cầu của chương trình Khối logic số thực hiện

ác phép so sánh, phân nhánh, lựa chơn, lắp, phân vùng bộ nhớ

Liên kết với ALU là một số thanh ghi hưu trữ cáo số liệu trong quả trinh tính toán Thưnh gÌn lưu trữ số liệu này gần giống với vùng lưu trữ đặc biệt trong bộ nhớ nhưng khác la các thanh ghi này là các thanh ghi T1L tốc độ cao

2.3.1.3 Bộ nhớ truy nhập nhanh

26

Hộ nhớ truy nhập nhanh (Immediate access memory) lá bộ nhớ trong của CPU

đùng để lưu giữ tạm thời các số liệu đang được các phan ti số học xử lý hoặc chương

trình điều khiến từ ROM, RAM gửi tới

2.3.2 Bộ nhớ

Bộ nhớ trong CPU thường có đụng lượng nhỏ và chỉ đừng luu trữ sẻ liệu tạm

thời vì vậy trong máy CN cần có một bộ nhớ dung lượng lớn để lưu chương trình từng dụng hay còn gọi là chương trình CNC, chương trình điểu khiển, chương trình

ghép nổi và các số liệu đã được xử lý Bên trong máy tính của CNC thường có hai loại

bộ nhớ: Bộ nhớ có sẵn (RƠM, RAM) và bộ nhớ mở rộng (ỗ cứng-hardisk, ỗ mềm-

các trục

2.4 Phần mềm diễu khiển trình tự

Diéu khiến trinh tự cho các máy CNC người ta thường đùng các bộ điều khiến

fogic lap trinh-PLC(Programe logic Control) Phin mém điều khiển trình tự là phản mém lập trình diều khiển cho PLC (Đổi với Siemens: Step 7 ), PLC sé được truyền

thông với PCU theo cáo chuẩn TBC Chương trình từ PC gửi tới PLC là chương trinh

NC eon dữ liệu PLC gũi đến PCU là lệnh bắt đầu chu trình, dừng khẩn cấp, giú tốc độ, lệnh thay đao cụ, lệnh dóng mở hệ thông bôi trơn hệ thông làm mắt và một vải lệnh rời

rạc khác

2.4.3 Chương trình ứng dụng

27

Chương trình ứng dụng cén goi Ja chong trinh NC (Numberical Computer)

Chương trình cho phép mô tả đường chuyển động của đụng cụ trong quá trình gia công, kiểu chuyển động: chạy nhanh, nội suy thẳng, nội suy vòng, điền kiện cắt, tốc độ trục chỉnh, lượng ăn dao, chiều sâu cắt Chương trình img dụng có thể viết bằng hai

cảch: Chương trình mã G và chương trình tham sổ

N390 G03 X434 Z-44.308 1-6 KO ; Lệnh di chuyển cung tron ngược chiểu kim đồng hỗ

N400 GÓI X421.5 2-47.916 ; Lénh ai chuyén theo đường thẳng

410 G02 Z-92.0841112.75 K-22.0841; Lệnh đi chuyễn cụng tròn cũng chiều kim đẳng hỗ

N420 G01 X434 7~95.692

2.4.3.2 Chương trình tham số

Sử dụng mã G lập trỉnh gia công một bẻ mnặt phức tạp và có chu trình lặp bằng, các chương tình com đơn giãn gặp nhiều khó khăn, bởi vì cần phải xác đình rhiễều thông số cản thiết khi lập trình Do vậy chương tình gia công dài mắc nhiều lỗi và độ chỉnh xác thấp Vì vậy với những gia công các bề mặt phức tạp chương trình viết theo tham số sẽ để đăng hơn chương Hình viết bằng nã Œ Lập trình tham số cha phép thực hiện các phép tỉnh số học, logie, phép lặp vả nhiều tiện ích khác

28

Ngoài hai chương trình lập trình bằng tay trên hiện nay với sự trợ giúp bằng,

may tinh người ta đã lập được những chương trình hỗ trợ cho phép ngiười vận hành có

thể lập trình trực tiệp bằng đô hoa trên máy và máy tự đông tính toán đề đưa ra chương trình công nghệ điều khiển chạy dao CAD/CAM

2.5 Thiết bị đo lường frong máy CNC

2.5.1 Bộ mã hua quang-Optical Encoder

Trong số những loại cảm biển đo vị trí encoder là loại được sử dụng cho những,

img dung đòi hỏi độ phần giải và độ tin cậy trung bình Encoder chia làm hai loại neoder quay và cncoder thẳng

[mr | sources|

=F sua ALON

CONDITIONING

FLECTRGN2E Ƒˆ m

Hình 2.3: Bộ mã hơá quang tăng dan

Encoder quay cỏ encodor tăng dân (Ineremertal Encoder) va encoder tuyét déi (Absolute lincoder) [link 2.3 phía trên lả encoder tăng dẫn, nó bao gồm một đĩa quay

trên dia direc chia thành các vach tôi sáng xen kế nhan Mệt bên của đĩa bố trí hệ

thống phát tia hồng ngoại phia đối điện dặt hệ thông thu tia hồng ngoại Khi dĩa quay ánh sáng chiếu qua các vạch sáng từ bên phát sang bên thu tạo thành các xung điện, tuỷ thuộc vào số lượng vạch sáng trên đía mà mỗi vòng quay sé thu được bao nhiêu xung Dộ phản giải của các bộ encoder ting din biển đổi trong khoảng 100 + 65000

xung trong một vỏng quay Encoder tầng dẫn thường có loại 1 đường tín hiệu hoặc 3 dường tín hiệu Dùng cncodor để xác định vị trí thường hay bị sai lệch do việc định vị

trí ban đầu cho đĩa quay hoặc khi hệ thông đang làm việc mà xảy ra mất điện sẽ không,

xác định được vị trí ITinh 2.4 là cầu tạo của encoder tuyệt đối, encođer tuyệt đổi có đĩa

quay được chia thành nhiều vòng, trên mỗi vòng chia thành các vạch sáng tối, mỗi

29