Máy CNC và công nghệ gia công trên máy CNC - Chương 2 pot

Các chỉ thị này bao gồm: Chỉ thị điều khiển: Được chuyển thành 2 dạng: Tín hiệu xung điện Pulse: điều khiển tốc độ, số vòng quay của động cơ truyền động.. Cấu trúc hệ thống máy CNC: H

Chương 2: MÁY ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG TRÌNH SỐ

2.1 Khái Niệm Cơ Bản

2.1.1/ Điều khiển

Là sự thay đổi của các đại lượng đầu ra theo quy luật nhất định nào đó của các đại lượng đầu vào

2.1.2/ Điều khiển số NC ( Numeric Control )

Là hệ thống các hoạt động được điều khiển trực tiếp bởi dữ liệu số được mã hóa bằng

chương trình Chương trình gồm các chỉ thị được mã hóa dưới dạng số, kí tự chữ, và các kí tự đặc biệt khác Các chỉ thị này bao gồm:

Chỉ thị điều khiển: Được chuyển thành 2 dạng:

Tín hiệu xung điện (Pulse): điều khiển tốc độ, số vòng quay của động cơ truyền

động

Tín hiệu đóng/ngắt (ON/OFF) : cung cấp chất bôi trơn và làm nguội, chọn và thay

dao, dừng máy, kẹp nhả phôi…

Thông tin hình học ( Geometrical Information): Là hệ thống thông tin điều khiển các chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết, còn gọi là thông tin về đường dịch chuyển

Thông tin công nghệ ( Technological Information ): Là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu Vd: chuẩn hóa gốc tọa độ, chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính, đóng hay tắt dung dịch trơn nguội

2.1.3/ Điều khiển số bằng máy tính (CNC)

Định nghĩa: CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều khiển

máy

Đặc điểm:

Được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để thực hiện một phần hay toàn bộ các chức năng điều khiển số

Được phát triển dựa trên những thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lí

Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi phần mềm -> đơn giản các mạch điều khiển, giảm giá thành , tăng độ tin cậy

*** Hầu hết các hệ điều khiển số thế hệ mới đều ở dạng CNC

2.1.4/ Máy công cụ điều khiển theo chương trình số (CNC Machine)

Là thế hệ máy công cụ (machine tool) được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC

2.2 Cấu trúc hệ thống máy CNC:

Hệ thống máy CNC gồm 6 phần chính: Hình 2.1

- Chương trình gia công(part program) - Thiết bị đọc chương trình ( program input device)

- Bộ điều khiển máy (MCU) - Hệ thống truyền động ( drive system)

- Máy công cụ (machine tool) - Hệ thống phản hồi ( feedback system)

Hình 2.1 Cấu trúc của máy CNC Lưu ý: Đối với máy gia công CNC, chương trình gia công, thiết bị đọc chương trình và bộ xử lý dữ liệu (DPU) đều được thực hiện bởi máy tính

2.3 Khả năng của máy CNC

Về cơ bản, máy gia công CNC co’ thể thực hiện được các công việc sau:

+ Nhập dữ liệu

+ Biên tập chương trình, lập trình

+ Lưu trữ chương trình

+ Kiểm tra chương trình

+ Chẩn đoán lỗi

+ Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ họa quá trình gia công

+ Tiện ích giao tiếp

+ Quản lí dữ liệu

+ Cài đặt hệ tọa độ và hệ đơn vị

+ Có khảû năng tính toán, xử lý số liệu

+ Bù trừ đường kính và chiều dài dao

+ Nội suy hình học

2.4 Ưu và nhược điểm của CNC

• Ưu điểm của CNC

+ Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao

+ Đáp ứng nhanh nhu cầu thị trường, gia công nhiều bề mặt phức tạp

+ Nâng cao năng suất đặc biệt là trong sản xuất đơn chiếc các chi tiêt phức tạp

+ Giảm giá thành điều hành gián tiếp

+ Hạ giá thành sản xuất

+ Thuận lợi cho việc tự động hoá quá trình sản xuất

• Nhược điểm của CNC

+ Chi phí đầu tư ban đầu cao

+ Chi phí lập trình và máy tính kèm theo

+ Chi phí bảo trì cao và cần phải có thợ bảo trì chuyên nghiệp

2.5 Các loại máy CNC

Ngày nay, nhiều loại máy CNC đã được ngiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí như:

- Máy phay CNC

- Máy tiện CNC

- Máy gia công tia lửa điện CNC dùng điện cực nhúng

- Máy gia công tia lửa điện CNC dùng dây cắt

- Máy khoan CNC

- Máy mài CNC

- Máy gia công dùng tia laser CNC

- Máy gia công tia nước CNC

- Máy hàn CNC

- Máy đo tọa độ CNC (CMM: Coordinate Measuring Machine)…

Hình 2.2 Máy Phay CNC đứng (CNC Vertical Milling Machine)

Hình 2.3 Trung tâm phay đứng CNC (CNC Vertical milling center )

Hình 2.4 Trung tâm phay CNC ngang (CNC Horizontal machining center )

Hình 2.5: Máy khoan ngang CNC (horizontal Drilling CNC)

Hình 2.6 Máy tiện CNC

Hình 2.7 Máy tiện CNC hai đầu dao (CNC Dual turret turning center )

Hình 2.9 Máy đo toạ độ CNC ( CNC Coordinate Measuring machine)

Hình 2.10 Máy gia công tia lửa điện EDM Wire Cut

2.6 Một số bộ phận cơ bản của máy CNC

2.6.1/ Hệ thống điều khiển truyền động CNC (CNC drive systems)

Hệ thống điều khiển CNC bao gồm mạch điều khiển tốc độ (velocity loop) ở trong hệ thống động cơ truyền động và mạch điều khiển vị trí(position loop control) ở bên ngoài hệ thống động

cơ truyền động Hệ thống điều khiển CNC có thể là hệ thống điều khiển hở (open loop) hoặc hệ thống điều khiển kín (closed loop) Sự khác nhau cơ bản là hệ thống điều khiển kín có phản hồi nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu

a Hệ điều khiển hở (Open Loop System ) hình 2.11

Hệ thống điều khiển hở không có mạch phản hồi, bộ điều khiển máy xem như sự di chuyển bàn máy đúng như mong muốn Hệ điều khiển hở rất nhạy cảm với sự thay đổi của tải trọng Các sai số vị trí và tốc độ có thể xảy ra khi cắt với lực cắt lớn Tuy nhiên hệ điều khiển hở có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền Do vậy, hệ điều khiển hở chỉ nên dùng trong di chuyển Điểm-> Điểm (PTP) hoặc trong các máy công suất cắt nhỏ

Hình 2.11 Hệ điều khiển hở (Open loop System)

b Hệ điều khiển kín (Closed Loop System )

Với hệ điều khiển kín, mạch phản hồi được sử dụng để theo dõi đáp ứng thực của đại lượng điều khiển và đưa ra tín hiệu sửa đổi khi có sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và gía trị thực Hệ thống phản hồi có thể là hệ tương tự (analog) hoặc số (digital)

Analog systems: đo sự biến đổi của tín hiệu điều khiển (vị trí, vận tốc) dưới dạng tín hiệu hiệu điện thế Điển hình là dùng máy phát tốc (Tachometers) để đo vận tốc và resolvers để đo vị

trí

Hình.2.12 Mạch điều khiển kín tuần tự (Analog type closed loop CNC drive system)

Digital feedback systems: Dùng bộ xác định vị trí số (digital position transducers ) trong mạch phản hồi Bộ mã hoá (Encoders) được sử dụng phổ biến nhất Còn mạch phản hồi tốc độ vẫn

giống như hệ phản hồi tương tự Hình 2.13

Hình 2.13 Mạch điều khiển CNC kín số (Digital type closed loop CNC drive system)

Ngày nay đa số hệ điều khiển máy CNC đều là hệ kín, Sơ đồ điều khiển máy CNC kín tổng quát được mô tả như hình 2.14

Hình 2.14 Sơ đồ điều khiển CNC

2.6.2/ Truyền động vít me đai ốc bi (recirculating Ball Screw)

Trong máy CNC, hệ thống truyền động được sự dụng là vitme đai ốc bi (hình2.15) Để thấy rõ

ưu nhược điểm của hệ thống vitme đai ốc bi so với các hệ thống truyền động khác ta xem bảng 2.1

Tín hiệu phản hồi tốc độ t

Hệ thống điều khiển trục

Hình 2.15 Truyền động vítme – Đai ốc bi

Bảng 2.1 : Ưu điểm của truyền động vít me đai ốc bi

Vít me đai ốc bi

Vít me thường

Thủy lực Xích, đai Brăng &

thanhrăng

Cam Khí nén

Kha nang công suất

nhỏ

Chi phí bảo trì thấp X

Độ tinh cậy cao X

Khả năng truyền tải

lớn

2.6.3/ Động cơ bước (Stepper Motor)

Hình 2.16 mô tả sơ đồ nguyên lý dùng động cơ bước cung cấp điều khiển số không phản hồi về

vị trí của bàn máy khi gia công trên máy CNC Bộ điều khiển nhận tín hiệu về chiều quay và tính hiệu xung điện để điều khiển góc quay của động cơ Ưùng với mỗi tính hiệu xung điện, bộ điều khiển sẽ đưa ra tính hiệu cường độ hoặc hiệu điện thế để làm cho động cơ quay một góc nhất định nào đó (one step) Trục vít me đai ốc bi sẽ biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của các trục

Hình 2.16 Dùng động cơ bước để truyền động trong máy CNC

Về cơ bản động cơ bước được chia làm 3 loại sau: động cơ bước từ trở thay đổi

(Variable-reluctance), Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent-magnet ) và động cơ bước kết hợp (hybrid stepper motor)

(a) ĐC bước từ trở thay đổi (b) ĐC bước nam châm vĩnh cửu (c) ĐC bước hybrid

Hình 2.17

Động cơ bước từ trở thay đổi ra đời sớm nhất, tuy nhiên ngày nay không được sử dụng rộng rãi

vì độ phân giải và công suất không cao Để nâng cao công xuất ta có thể dùng động cơ bước nam châm vĩnh cửu Tuy vậy, loại động cơ này độ phân giải cũng không cao (48-24 bước/vòng)

Động cơ bước được dùng rộng rải nhất trong công nghiệp hiện nay la Hybrid stepping motor

Động cơ bước hybrid có Roto từ trở thay đổi với nam châm vĩnh cửu gắn trong các rãnh từ của nó Từ hybrid muốn chỉ đến sự kết hợp của 2 nguồn từ trường: trừ trường từ các cuộn dây Stato và từ trường của nam châm vĩnh cửu Hybrid Stepping Motor thường được dùng khi yêu cầu các bước quay góc nhỏ Động cơ bước với bước góc 1.8 độ (200 bước/vòng) là động cơ tiêu chuẩn được dùng nhiều nhất trong công nghiệp tự động hóa

a Điều khiển đầy bước

Bằng việc điều khiển cường độ dòng điện cung cấp lần lượt cho từng cuộn dây trên Stato của động cơ bước ta sẽ có được các vị trí chính xác tương ứng của Roto (nam châm) Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào tần số xung điện cung cấp cho các cuộn dây Trong trường hợp này, độ phân giải vị trí của trục vít dẫn động được tính như sau

N

l

u =

∆ Với: l (lead): bước ren (mm/vòng hoặc inch/vòng)

b Điều khiển không đầy bước(vi bước)

Bằng việc điều khiển cung cấp cường độ dòng điện đồng thời cho các cuộn dây stato ta có thể định vị trí của Roto ở các vị trí trung gian giủa các cuộn dây tương ứng, phương pháp điều khiển động cơ bước theo cách này được gọi là điều khiển vi bước Điều khiển vi bước thường được sử dụng khi yêu cầu độ phân giải cao hơn, do vậy độ chính xác cao hơn Tuy nhiên việc điều khiển phức tạp hơn Các vi bước thường được sử dụng là 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 Trong trường hợp điều khiển vi bước độ phân giải được tính như sau

m N

l u

.

=

∆ ; m: số vi bước trong một đầy bước

Lưu ý: Ở đây chỉ nêu lên những khái niệm chung nhất về động cơ bước, việc nghiên cứu kỹ cấu cạo, cách điều khiển các loại động cơ này nói chung khá phức tạp và sẽ được học trong các môn học khác

Một số ưu điểm của động cơ bước là

• Giá thành rẻ (Low cost )

• Có thể điều khiển mạch hở (Can work in an open loop , no feedback required)

• Duy trì mô men rất tốt (không cần thắng, biến tốc)

• Mô men xoắn cao ở tốc độ thấp

• Chi phí bảo dưỡng thấp (không có chổi quét) (Low maintenance , brushless)

• Định vị chính xác

• Không phải điều chỉnh các thông số điều khiển

 không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số

2.6.4/ Động cơ Servo

Sự khác nhau cơ bản nhất của động cơ servo so với động cơ bước là động cơ servo có mạch điều khiển kín (close loop control).Như vậy trong động cơ servo cần phải có hệ thống phản hồi để nhận biết các thông số về vị trí, tốc độ mong muốn Có nhiều phương pháp điều khiển vòng kín trong đó phương pháp dùng bộ điều khiển PID là được sử dụng rộng rải nhất

Ưu điểm cơ bản của động cơ servo so với động cơ bước là

• Mô men trên trục đều hơn (High intermittent torque )

• Tốc độ cao hơn (High speeds )

• Mạch điều khiển tốc độ chính xác và đều hơn (Work well for velocity control)

• Có nhiều kích cở hơn (Available in all sizes )

• Làm việc êm hơn (Quiet)

• Độ chính xác cao hơn

Nhược điểm cơ bản của động cơ servo so với động cơ bước là

 Đắt tiền hơn

Không làm việc

 tốt ở chế độ mạch điều khiển hở, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi Y

 êu cầu phải điều chỉnh các thông số vòng điều khiển

Bảo dưỡng tốn kém hơn, đặc biệt là động cơ DC servo



Hiện này đã có động cơ DC servo và AC servo Động cơ DC servo ra đời trước và đã được sử dụng rất rộng rãi Nhưng sau rày với khả năng của việc sử dụng các Transistor với cường độ làm việc lớn , các động cơ AC servo đã được chế tạo và được sử dụng ngày càng rộng rãi

Hình 2.18 Động cơ servo nam châm vĩnh cửu

Hình 2.19 Hình cắt của động cơ Servo 2.6.5/ Hệ thống phản hồi

Các loại cơ cấu phản hồi

- Biến trở (potentionmeter)

- Đo góc quay (resolvers)

- Bộ mã hoá (Encoder)

- Máy phát tốc (Tachometers)

a Biến trơ û(chiết áp): Có 2 loại cơ bản Biến trở thẳng tuyến tính (linear) và biến trở góc

(Rotary) Nguyên lý hoạt động của chiết áp được mô tả như hình 2.20

Hình 2.20-Chiết áp

Chiết áp khá phổ biến vì giá thành rẽ, không cần các điều khiển xử lý tín hiệu đặc biệt Nhưng chúng bị giới hạn về độ chính xác, thường khoảng 1% và hao mòn cơ học

b Encoder

Encoder là cảm biến xác định góc xoay tín hiệu đầu ra là tính hiệu số Theo cách nhận tính hiệu

ta có các encoder sau: quang học (optical), điện dung (capacitive), từ (magnetic), bán dẫn Theo nguyên lý xác định vị trí ta chia ra: Encoder tuyệt đối và Encoder gia số

Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder)

Encoder dạng Absolute có ngõ ra là tín hiệu được mã hoá nhị phân Bên trong Encoder bao gồm một dĩa tròn bên trên có khắc các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ theo đường tròn đồng tâm Tuỳ theo độ phân giải của Encoder mà số đường tròn đồng tâm đó nhiều hay ít

Xét trên một đường vạch tròn, một diode phát quang sẽ phát chùm tia đi xuyên qua các vạch trong suốt và bị chặn lại ở những vạch tối Bên kia mặt đĩa, song song với diode phát là một diode thu có nhiệm vụ như một cảm biến, ghi nhận các tín hiệu do diode phát đưa tới Có bao nhiêu đường vạch tròn thì có bấy nhiêu diode thu tín hiệu

Các tín hiệu đọc được từ diode thu sẽ được đưa ra ngoài dưới dạng tín hiệu điện Các tín hiệu điện này sẽ có dạng mã nhị phân phản ảnh vị trí của trục quay Encoder Thông thường để dễ dàng trong chế tạo người ta mã hoá các vạch trong suốt và vạch tối theo mã Gray vì vậy để ứng dụng được trong các hệ thống sử dụng mã Binary thì ta phải có chương trình chuyển đổi từ mã Gray sang mã Binary Một ưu điểm nưa của mã Gray là ở mỗi vị trí kế nhau thì chỉ có một bit được thay đổi, do đó sai số ở ngõ ra chỉ có thể tối đa là một đơn vị Còn ở mã Binary thì có thể gây sai số lớn vì khi thay đổi vị trí thì có thể chỉ có một bit có trọng số cao được thay đổi còn các bit trên hàng khác chưa kịp thay đổi

H2.24.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Optical Absolute Encoder

Bảng 2.2 mã Gray

Encoder loại Incremental:

- Encoder loại Incremental có ít kênh ngõ ra hơn loại Absolute, vì thế cấu tạo của nó đơn giản hơn Trên bề mặt dĩa tròn bên trong Encoder có hai đường tròn đồng tâm Mỗi đường có các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ nhau Cũng như loại Absolute Encoder, diode phát quang sẽ phát tín hiệu đi xuyên qua vạch trong suốt đến diode thu Hai diode thu này sẽ chuyển đổi thành tín hiệu điện và đưa ra ngoài

- Vị trí các vạch trong suốt của hai đường lệch nhau một góc 0

90 và dựa vào góc lệch pha giữa hai tín hiệu ra là sớm pha hay trễ pha mà ta xác định chiều quay là thuận hay nghịch

- Nguyên lý hoạt động của encoder như sau

- đường tính hiệu bên ngoài (outer track) dùng để xác định vị trí

- đường tính hiệu giữa (middle track) dùng xác định hướng quay

- đường tín hiệu trong (inner track) dùng xác định số vòng

- Bộ đếm sẽ đếm số xung (cạnh lên hoặc xuống) để xác định vị trí

Hình 2.23 Nguyên lý hoạt động của Incremental Encoder

Dạng xung ngõ ra :

B

A

A

B

Quay theo chiều thuận

Quay theo chiều nghịch

Hình 2.27

điện áp ở cuộn E1 là V1=V isin(ωt+γ), cuộn E2 là V2 =V icos(ωt+γ)

V i = hiệu điện thế vào

ω = vận tốc góc