tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật TỔNG QUAN về máy CÔNG cụ CNC

điều khiển số trong máy công cụ một thành công có ý nghĩa to lớn của hệ thống máycông cụ điều khiển số của MITMasachusette institute of technology là thiết kế và chếtạo thành công hệ dẫn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC

1.1.1 Sự ra đời của máy CNC

Máy điều khiển số NC(Numerical Control) có thể nói đã ra đời từ rất lâu người

ta cho rằng sự kiện ra đời chiếc máy dệt dùng tấm thép trên đó có lỗ để tự động điềukhiển đường chuyển động của kim dệt do Joseph M.Jacquard chế tạo năm 1808 là thờiđiểm ra đời của máy điều khiển số.Máy dệt được điểu khiển trên cơ sở thông tin haitrạng thái, trạng thái thứ nhất là kim ở vị trí không có lỗ, tương ứng với mức lôgic bằng

“0” Khi thay đổi quy lụât vị trí lỗ trên tấm thép cho kiểu áo mới cần gia công và quyluật lỗ trên tấm thép chính là điểu khiển máy

Chương trình điều khiển máy mà thông tin điểu khiển viết dưới dạng “1” và “0”được gọi là chương trình điều khiển số và máy được điều khiển theo chương trình trêngọi là máy điều khiển theo chương trình số Tấm thép mang chương trình điều khiển tựđộng hoàn chỉnh trên được xem là vật lưu trữ chương trình điểu khiển máy

Sự hình thành và phát triển của máy công cụ điều khiển số gắn liền với sự pháttriển của công nghệ điện tử và công nghệ máy tính

Năm 1948 đèn bán dẫn ra đời trên cơ sở đó năm 1949 một số kỹ sư người Mỹtiến hành thiết kế thành công hệ thống điều khiển dùng linh kiện bán dẫn cho máyphay ba trục Máy có khả năng thực hiện di chuyển dụng cụ đến một điểm đã tính toán

tự động từ trước

Trong quá trình gia công cơ khí, nhiều chi tiết yêu cầu gia công đạt độ bóng, độchính xác cao, thay đổi nhanh chóng dạng sản phẩm Do vậy máy công cụ cần phảihoàn thiện về mặt thiết kế và điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác gia công Vì vậyđiều khiển số đã nhanh chóng được ứng dụng vào hệ thống điều khiển máy công cụ,đồng thời máy tính còn được ứng dụng để tính toán, lưu trữ dữ liệu đường dẫn dụng cụtrên băng đục lỗ, băng từ hoặc các thiết bị khác Cùng với bước phát triển ứng dụng

điều khiển số trong máy công cụ một thành công có ý nghĩa to lớn của hệ thống máycông cụ điều khiển số của MIT(Masachusette institute of technology) là thiết kế và chếtạo thành công hệ dẫn động động cơ servo dùng điều khiển các trục máy công cụ Vàthành công này càng thúc đẩy ngành máy công cụ điều khiển số phát triển mạnh mẽnhư ngày nay.

Năm 1958 người ta sử dụng một số từ tiếng Anh làm ký tự để hình thànhchương trình điều khiển máy Hệ điều khiển máy gồm chương trình điều khiển, chươngtrình tính toán thông số hình học, tính toán lựa chọn chế độ gia công như tốc độ cắt,lượng chạy dao, chiều sâu cắt, bôi trơn làm mát Tập hợp các ký tự hình thành chươngtrình điều khiển máy được gọi là ngôn ngữ APT (Automatically Programmed Tool) ưuđiểm của ngôn ngữ APT là thuận lợi cho người viết chương trình, dễ dàng chuyển đổithành một chương trình mà máy có thể hiểu được

Trên cơ sở của APT người ta phát triển ra nhiều dạng chương trình điều khiểnkhác: ADAPT và AUTOSPOT của IBM; CINTURN của Cincinati Milacron; EXAPT

I, EXAPT II, EXAPT III của Đức; GENTURN cuae General Electric; MILTURN củaMetalinstitut; NEL 2PL, NEL 2C, NEL 2CL của Ferranti…

Năm 1976, những máy điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình số gọi

là máy điều khiển số NC(Numerical Control) Cũng vào năm 1976 người ta đưa máytính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC nhằm mở rộng các đặc tính điều khiển và

mở rộng bộ nhớ của máy so với các máy NC, các máy này được gọi là máyCNC(Computer Numberical Control) Và sau đó các chức năng trợ giúp cho quá trìnhgia công ngày càng phát triển, năm 1965 hệ thống thay dao tự động đã được sử dụng,năm 1979 hệ thống CAD-CAM-CNC ra đời Năm 1984 đồ hoạ máy tính phát triển,được ứng dụng để mô phỏng quá trình gia công trên máy công cụ

Năm 1994 hệ NURBS(Not uniforme rational B-Splines) giao diện phần mềm

nó cho phép tính toán đưa ra các phương trình mô phỏng các bề mặt phức tạp, từ đótính toán chính xác đường nội suy với độ mịn và độ sắc nét cao.

Hiện nay công nghệ nano đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học trong đó

có ngành chế tạo máy công cụ Năm 2001 hãng Fanuc đã chế tạo hẹ điều khiển nanocho máy công cụ CNC

1.1.2 Công dụng của máy CNC

Hiệu quả kinh tế do máy công cụ CNC mang lại có thể chỉ ra ở các khía

cạnh dưới đây:

- Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợpnhất là gia công trên máy CNC Bởi vì gia công trên máy CNC rút ngắn thời gian giacông, đạt độ chính xác cao và giá thành rẻ hơn so với khi gia công trên máy công cụvạn năng

- Khả năng thay đổi dạng sản phẩm nhanh bởi chỉ cần thay đổi chương

trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm các đồ gá chuyêndùng Máy CNC đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất

- Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt nhỏ hơn vì máy có khả năng đánh giáđược lượng mòn dụng cụ ngay trong quá trình gia công và tự động điều chỉnh máy để

bù lượng mòn dụng cụ

- Máy CNC có khả năng tự động kiểm tra chất lượng ngay trong quá

trình gia công nên giảm được phí tổn kiểm tra chất lượng sản phẩm

- Thời gian gia công chi tiết ở máy CNC nhỏ hơn so với máy vạn năng vì

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

- Máy CNC không cần dùng các đồ gá chuyên dụng dể gá kẹp phôi.

1.3 ưu điểm của máy CNC so với máy gia công thông thường

rơ va không chính xác

Chuyển động theo các phươngX,Y, Z nhờ các động cơ vô cấpkết hợp biến tần

Các vít me là các vít me cóprofile dạng con lăn nên ma sátlăn, do vậy ít mòn và chính xác

Dùng ba loại động cơ giống nhưđối với động cơ trục chính nhưngmỗi trục một động cơ

Làm việc Các quá trình đều sử dụng bàn

tay công nhân: Kẹp phôi, điềukhiển máy, đo lường nên độ chínhxác hạn chế Do tay nghề ngườicông nhân quyết định

Tiến hành tự động theo chươngtrình lập sẵn, kết quả gia công do

độ chính xác máy và lập trìnhquyết định Cách thực hiện: Chiachương trình gia công thành cácbước nhỏ, làm gì,vào lúc nào, nhưthế nào theo từng dòng lệnh Lệnhtuân theo tín hiệu điện chỉ huycho vít me của bàn trượt làm việc

1.1.4 Máy CNC dùng trong công nghiệp

1.1.4.1 Máy khoan CNC(Drilling machines) Hình1.1pl

Đặc điểm chính của máy khoan là hệ toạ độ máy hình thành trên cơ sở hệ toạ độDecac theo nguyên tắc bàn tay phải với 3 trục vuông góc với nhau Hệ thống điềukhiển là hệ thống điều khiển theo vị trí (Point to Point) Vì vậy hệ điều khiển nàykhông cần cụm nội suy thẳng và cong Hệ điều khiển máy khoan CNC được thiết kếvới khả năng điều khiển tương thích với hai cách viết chương trình: Hệ tuyệt đối và hệgia số

Yêu cầu chính đối với hệ thống điều khiển máy khoan CNC là tính toán nhanh

và dừng chính xác vị trí

Thông thường cấu trúc cơ bản của máy khoan vạn năng cũng như máy khoanCNC là trục chính bố trí thẳng đứng trùng với trục Z của hệ toạ độ Decac Bàn máy bốtrí trong mặt phẳng nằm ngang trùng với mặt phẳng XOY của hệ toạ độ Decac vàvuong góc với trục chính Các trục chuyển động được bố trí như sau:

Trục thẳng thứ nhất của máy khoan(Chuyển động chạy dao thẳng đứng) được bố trítrùng với trục Z của hệ toạ độ máy Ngoài ra trục chính còn được bố trí chuyển độngquay tạo ra tốc độ cắt gọt cần thiết Thông thường chi tiết khoan được đặt trên bànmáy

Chuyển động thẳng thứ 2 và thứ 3 được bố trí cho bàn máy Trục thẳng thứ nhấtsong song với trục X của hệ toạ độ máy(tương ứng chuyển động dọc của bàn máy)

Trục thẳng thứ nhất song song với trục Y của hệ toạ độ máy(chuyển động chạydao ngang) Vị trí tất cả các điểm trên chi tiết được xác định bởi hai toạ độ X và Yvuông góc với nhau Điểm gốc máy(deference point) thường bố trí ở điểm thuận lợinào đó trên bàn máy

Hệ điều khiển máy khoan cho phép thực hiện các dạng chu trình khoan tự động.Máy được tự động hoá các chức năng thay dụng cụ, bôi trơn, làm mát, lựa chọn tốc độcắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt và có khả năng tự động hiệu chỉnh đường kính vàchiều dài dụng cụ

Máy khoan CNC được thiết kế theo modun Vì vậy để nâng cao năng suất máyngười ta có thể ghép thêm vào nó một vài cụm trục chính Điều này không làm tăng sốlượng trục của máy Để nâng cao khả năng công nghệ của máy người ta lắp thêm cácmodun nhằm tăng số trục của máy, ví dụ cần có chuyển động quay của ụ trục chínhngười ta lắp thêm cho máy modun quay hoặc để bàn máy có thêm chuyển động quayngười ta lắp thêm modun quay cho bàn máy Nhờ khả năng mở rộng số trục, máykhoan có khả năng gia công trên cả năm mặt của phôi có dạng hình vuông

1.1.4.2 Máy phay CNC(Milling machines) Hình1.2pl

Cấu trúc của máy phay cũng được thiết kế trên cơ sở hệ toạ độ Decac theonguyên tắc bàn tay phải ba trục toạ độ vuông góc với nhau như trong máy khoan Máyphay có thể có nhiều trục chuyển động, số trục ít nhất của máy là 2.1/2.D Máy phayđược trang bị hệ thống lưu trữ dụng cụ, thiết bị thay dụng cụ, cơ cấu kẹp, tháo phôi vàthay phôi tự động Máy phay CNC có cấu trúc trục chính bố trí thẳng đứng được gọi làmáy phay đứng, máy phay CNC có trục chính bố trí nằm ngang gọi là máy phay nằmngang

Máy phay được trang bị hệ thống điều khiển mạnh để tính toán quỹ đạo chuyển

gia công các đường cong và các bề mặt phức tạp, máy phay cần phải có số trục máy ítnhất là ba.

Cấu trúc cơ bản của máy tiện CNC là trục chính thường bố trí nằm ngang hoặcthẳng đứng, bàn máy có thể bố trí trên mặt phẳng nằm ngang hoặc trên mặt phẳngnghiêng Phôi được kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầu chống tâm và đầuchống tâm có khía nhám để truyền momen xoắn

Máy tiện có thể có nhiều trục chính, có một hoặc nhiều bàn xe dao và đầu Revonver.Máy tiện có khả năng công nghệ rộng như: Tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, doa,khoan tâm, cắt đứt, tiện mặt đầu, phay…

1.1.4.4 Máy doa CNC(Boring machines) Hình1.4pl

Trục chính của máy doa CNC thường bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, nhưngphù hợp hơn cả là trục chính bố trí nằm ngang Đặc điểm của công nghệ doa đòi hỏimáy doa phải có độ chính xác vị trí Vì vậy máy doa thường được trang bị hệ thốngđiều khiển với mức độ tự động hoá cao và được trang bị hệ thống thay phôi, dao cụ tựđộng Máy doa có số trục điều khiển lớn nhất là 8 Hệ điều khiển máy được thiết kếnhằm đảm bảo máy có khả năng tự động lựa chọn chế độ gia công cho phù hợp với vậtliệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi Máy có tính năng xác định lượng mòn của dụng cụ vàthực hiện hiệu chỉnh lượng mòn dao ngay trong quá trình gia công Đồng thời máy cònđược trang bị phần mềm đồ hoạ đủ mạnh để mô phỏng quá trình gia công chi tiết trênmáy

1.1.4.5 Máy mài CNC (Grinding machines) Hình1.5pl

Dựa trên cơ sở công nghệ, máy mài CNC được phân ra thành các loại khácnhau Máy mài có các loại: máy mài phẳng, mài tròn ngoài, mài răng, mài định hình vàcác dạng khác Máy mài có số trục máy từ 2 đến 9 trục Công nghệ mài đòi hỏi độchính xác, độ bóng bề mặt cao Vì vậy, độ chính xác của máy mài CNC cao hơn so vớicác loại máy CNC khác Để đảm bảo điều kiện gia công, hệ thống điều khiển của máy

phải đảm bảo dịch chuyển bàn máy êm, lượng dịch chuyển nhỏ và chính xác hơn nhiều

xo với các máy khác Để đạt được độ bóng cao tốc độ cắt của máy mài cao khoảng vàichục nghìn vòng/ phút và lượng tiến dao vào cắt của ụ đá thông thường vào khoảng0,002mm/ph đến 6mm/ph

Trong quá trình gia công, đá mài mòn nhanh nên máy có hệ thống sửa đá tự động.Thiết bị đo xác định kích thước đá mài, tính toán giá trị tốc độ cần thiết với kích thước

đá tương ứng phù hợp với chế độ cắt yêu cầu Máy cũng được trang bị hệ thống đồ hoạ

đủ mạnh nhằm đáp ứng cho máy có thể mài được các chi tiết có hình dạng phức tạpnhưng vẫn đạt được độ bóng và độ chính xác cao

Trung tâm gia công là máy CNC đứng hoặc nằm ngang nhưng được trang bị hệthông thay dao tự động Trung tâm gia công là tế bào trong dây truyền sản xuất Số trụcđiều khiển của trung tâm gia công ít nhất là 3 Để mở rộng hơn nữa khả năng côngnghệ của trung tâm gia công và phù hợp với thương mại, ngay trong quá trình thiết kếngười ta đã thiết kế nó dưới dạng modun độc lập, hệ điều khiển là hệ thống mở Khicần mở rộng trục chuyển động nào đó người ta chỉ cần lắp thêm modun tương ứng vàotrung tâm gia công và như vậy số trục điều khiển máy tăng lên

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

cụ có dạng mâm, dạng xích một tầng hoặc nhiều tầng Lưu trữ dụng cụ theo dạng xíchcho phép lưu trữ được số lượng dụng cụ lớn hơn so với dạng đĩa Cùng với hệ thốnglưu trữ dao cụ, máy còn đươc trang bị hệ thống thay dao cụ tự động

Công nghệ EDM được coi là phương pháp công nghệ truyền thống Hiện naycông nghệ này được sử dụng khá rộng rãi trong sản xuất, tuy nhiên trước đây nó đã cómột thời ít được sử dụng Máy gia công xung điện thực hiện theo nguyên tắc ăn mònđiện cực Các chuyển động của bàn máy và đầu mang dụng cụ được điều khiển theo

điểm khác với máy công cụ điều khiển số thông thường là ở chỗ dụng cụ cắt(điện cực)

là sợi dây được cấp điện dưới dạng xung điện Quá trình gia công trên máy EDM làquá trình phóng điện giữa dụng cụ(dây) được cấp xung điện và chi tiết, vì vậy độ chínhxác gia công tuỳ thuộc vào độ chính xác của dây Trong trường hợp máy EDM có hai

lô cuốn độc lập loại trừ được sai số do mòn dây(sai số dụng cụ cắt) thường xuất hiệntrong gia công Vật liệu dụng cụ cắt(dây) trong gia công EDM thường làm bằng vậtliệu đồng, molipden hoặc vonfram có đường kính từ 0,5mm đến 3,2mm Trong quátrình gia công vùng cắt luôn được tưới dung dịch dầu bôi trơn cách điện

Máy cắt mà dụng cụ cắt là tia nước có áp lực cao được gọi là máy cắt bằng tianước Công nghệ cắt bằng tia nước cũng mới xuất hiện nhưng nó đã nhanh chóng đượcứng dụng rộng rãi trong sản xuất

Các trục chuyển động của máy cắt bằng tia nước được thực hiện nhờ hệ thống điềukhiển số nên máy được gọi là máy cắt bằng tia nước CNC Phương pháp gia công này

là một hướng phát triển công nghệ gia công nhằm nâng cao năng suất và chất lượng.Đặc điểm của máy là có thiết bị tạo áp suất cao cho nước và vòi phun Máy cắt bằng tianước có thể gia công các chi tiết dạng tấm Vật liệu gia công là tấm plastic, giấy, thép

và các chi tiết dạng tấm khác Tốc độ cắt từ 76mm/ph đến 1000mm/ph, áp suất nước từ4000bar đến 9000bar và đường kính tia nước có thể đạt 0,1mm Gia công bằng tianước có vết cắt mịn, trong quá trình gia công không cần làm mát và đặc biệt là khôngxuất hiện mòn dụng cụ cắt Vì vậy trong hệ thống điều khiển không cần tính năng hiệuchỉnh lượng mòn dụng cụ Chiều dày chi tiết lớn nhất có thể gia công được gần 80mm.Chiều rộng mạch cắt khoảng từ 0,1mm đến 0,3mm tuỳ thuộc vào kích thước lỗ phun.Nhược điểm của máy là thiết bị cồng kềnh và yêu cầu độ chính xác cao, đường kínhvòi phun từ 0,1mm đến 0,3mm Tốc độ dòng nước từ 800m/s đến 900m/s Để nâng caohiệu quả gia công người ta có thể trộn vào nước các bột mịn Cắt bằng tia nước có các

ưu điểm: Loại trừ được sản phẩm không có ích(phoi) do quá trình gia công sinh ra có

thể ảnh hưởng tới quá trình cắt; Không có lực chạy dao đặt vào chi tiết; Phương phápgia công này không cho dòng điện chạy qua chi tiết trong quá trình gia công Điều nàyrất quan trọng trong một số trường hợp gia công đặc biệt như khi làm bản mạch in điệntử.

Hệ điều khiển máy CNC được phân thành hai kiểu: Điều khiển theo vị trí vàđiều khiển liên tục

1.2.1 Phân loại theo dạng điều khiển

Điều khiển theo vị trí hay còn gọi là hệ điều khiển điểm đến điểm(point topoint) Chức năng chính của hệ điều khiển theo vị trí là chuyển động nhanh dụng cụ từđiểm này đến điểm khác đã được định trước với độ chính xác vị trí cao Chú ý rằng quátrình cắt không xảy ra khi chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm tiếp theo Hệđiều khiển này thường dùng với các loại máy: Máy khoan CNC (Drilling machine),máy doa CNC (boring machine), máy gấp mép(reaming machine), máy taro ren CNC(tapping machine), máy đục lỗ

Quá trình điều khiển của hệ điều khiển vị trí tiến hành theo 4 bước:

- Bước 1: Dụng cụ chuyển động nhanh đến vị trí cần gia công

- Bước 2: Thực hiện gia công, thông thường dụng cụ chuyển động theo

trục Z hay còn gọi là chuyển động chạy dao đứng

- Bước 3: Thực hiện chạy dao dọc theo trục Z thoát khỏi vùng gia công saukhi gia công xong

- Bước 4: Chuyển động nhanh dụng cụ tới vị trí gia công tiếp theo

1

4

Để thực hiện chuyển động chạy dụng cụ từ điểm vừa gia công xong đến điểm giacông tiếp theo người ta có thể thực hiện theo các cách sau:

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

Giả sử cần chuyển động dụng cụ từ điểm ban đầu A(xA,yA ) đến điểm B(xB,yB) nằmtrong góc phần tư thứ nhất Theo cách chuyển động dụng cụ song song với trục có thểthực hiện theo hai trình tự:

- Chuyển động dụng cụ song song với trục Y sau đó chuyển động dụng

cụ song song với trục X

- Hoặc chuyển động dụng cụ song song với trục X tiếp theo chuyển động dụng cụ song song với Y

Cách chuyển động dụng cụ lần lượt song song với các trục là cách mà thời gian cầnthiết chuyển động dụng cụ từ điểm gia công này đến điểm gia công tiếp theo là chậm

A

BY

X0

X0

nhất Nhưng nó có ưu điểm là hệ điều khiển đơn giản, dễ dàng trong điều khiển và đặcbiệt là giá thành thấp.

Chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45o

­được điều khiển theo trình tự , ban đầu dụng

cụ từ điểm A(xA, yA) chuyển động đến điểm K là tổ hợp từ hai chuyển động thẳng thànhphần song song với hai trục máy X và Y với cùng tốc độ vì vậy đường chạy dao làđường nghiêng một góc 450 Chuyển động dụng cụ thực hiện cho đến khi một trong haigia số X hoặc Y bằng không

c Chuyển động dụng cụ theo đường thẳng

Kiểu điều khiển chuyển động dụng cụ theo đường thẳng là hệ điều khiển thực hiệnđồng bộ cả hai trục chuyển động X và trục Y sao cho dụng cụ chuyển động theo đườngthẳng nối giữa hai điểm A(xA,yA ) và B(xB,yB) Tốc độ chuyển động của trục X và trục Y

là khác nhau Thời gian cần thiết chuyển động từ điểm A đến điểm B kiểu dẫn độngdụng cụ theo đường thẳng là nhỏ nhất so với hai kiểu chuyển động ở trên Để thực hiệnchuyển động đồng thời hai trục có tốc độ khác nhau, hệ thống điều khiển thường rấtphức tạp chính vì vậy mà giá thành của hệ thống này cao hơn rất nhiều so với hai hệđiều khiển đã nêu ở trên

A

BY

X0

X0

Để giảm thời gian chạy không trong quá trình chuyển động dụng cụ tới vị trí giacông tiếp theo, tốc độ chuyển động dụng cụ cần phải đạt được tốc độ lớn nhất chophép Do chuyển động của cơ cấu mang dụng cụ tốc độ cao, quán tính chuyển độngcủa cơ cấu rất lớn, vì vậy vấn đề dừng vị trí chính xác dụng cụ với thời gian dừng lànhỏ nhất là vấn đề đặt ra cho những người thiết kế hệ thống điều khiển vị trí Để giảmlực quán tính của cơ cấu chấp hành khi chuyển nhanh từ vị trí gia công này tới vị trí giacông tiếp theo bằng cách giảm dần tốc độ trước điểm dừng Có hai phương pháp thựchiện việc giảm tốc trong máy CNC: giảm tốc độ chuyển động theo cấp(số cấp tốc độphụ thuộc vào tốc độ chuyển động và khối lượng chuyển động), giảm tốc độ vô cấp

Kiểu dẫn động dụng cụ liên tục là kiểu dẫn động ngược với dẫn động kiểu vị trí.Kiểu dẫn động dụng cụ liên tục là kiểu mà quá trình chuyển động dụng cụ từ điểm nàyđến điểm khác đồng thời với quá trình gia công Hệ điều khiển dẫn động dụng cụ liên

tục còn gọi là hệ điều khiển contour Các máy CNC điều khiển theo đường dẫn liên tục

là: Máy phay, máy tiện, máy bào, máy xọc, máy doa, máy cắt

Với cách điều khiển đường dẫn dụng cụ liên tục, tất cả các trục đồng thờichuyển động nhưng tốc độ chuyển động khác nhau Khi dụng cụ chuyển động theo mộtđường phi tuyến, tốc độ trên các trục thay đổi quan hệ với nhau theo hàm phi tuyến Hệthống dẫn động dụng cụ theo đường dẫn liên tục thường rất phức tạp và giá thành cao

Hình 1.3 : Điều khiển theo đường dẫn liên tục

1.2.2 Phân loại theo kiểu điều khiển

Để chuyển động bàn máy, hệ điều khiển CNC cần phải có hệ dẫn động mà nó có khảnăng điều khiển được cả tốc độ lẫn vị trí Điều khiển các trục máy CNC có thể thựchiện theo hai kiểu điều khiển: Điều khiển kiểu vòng hở và điều khiển kiểu vòng kín

Hệ điều khiển vòng hở là hệ điều khiển không có mạch phản hồi và kết quả hoạtđộng của hệ không được kiểm soát Hệ thống điều khiển vòng hở trong máy CNCthông thường sử dụng động cơ bước để chuyển

động bàn máy

Máy CNC sử dụng hệ điều khiển hở:

Máy phay mạch in, máy gia công theo

phương pháp xung điện

Nhược điểm lớn nhất của hệ thống điều khiển hở là độ chính xác vị trí của hệthống rất nhạy với sự biến đổi của tải trọng, bởi vì hàm điều khiển không phụ thuộcvào thời gian thực Khi tải trọng thay đổi, tốc độ chuyển động cũng thay đổi theo, hệđiều khiển không có khả năng điều khiển để phù hợp với tải trọng mới, ví dụ trong quátrình gia công, tại vùng gia công nào đó cơ tính của vật liệu gia công thay đổi làm tănglực cắt dẫn đến giảm tốc độ cắt và hệ thống điều khiển vòng hở không kiểm xoát được

sự thay đổi này nên không hiệu chỉnh được tốc độ cho phù hợp với tốc độ yêu cầu.Ngoài ra hệ điều khiển hở còn chịu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ, bôi trơn và cácyếu tố bên ngoài khác Vì vậy hệ thống điều khiển vòng hở chỉ phù hợp với các máy có

Hình 1.4: Hệ thống điều khiển vòng hở

chế tạo động cơ bước, hệ điều khiển CNC kiểu vòng hở sử dụng động cơ bước có thểđạt độ chính xác tới 0,001 inch.

Hệ thống điều khiển vòng hở thiết kế,chế tạo dễ dàng, giá thành thấp hơn so với

hệ thống điều khiển vòng kín Thường hệ thống điều khiển kiểu vòng hở dùng cho cácmáy cần độ chính xác vị trí không cao

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Vũ Thị Loan

X

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng hở

Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển vòng kín và hệ thống điều khiểnvòng hở là ở chỗ hệ thống điều khiển vòng kín có mạch phản hồi Hệ thống phản hồidùng để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với vị trí và tốc độ yêucầu Sự khác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số Phần tử chuỷen đổi cảumạch phản hồi thường sử dụng một trong hai kiểu: tương tự hoặc số Trong máy CNCthông số tốc độ chuyển động của bàn máy phải được điều khiển bởi tốc độ trên các trục

có thể có quy luật biến thiên giống nhaunhưng cũng có thể có quy luật biến thiên khácnhau Tachometer(cảm biến tốc độ) là kiẻu chuyển đổi tương tự và thường dùng để đotốc độ chuyển động Resolver và Encoder dùng để đo vị trí hoặc tốc độ Tín hiệu đưa ra

từ Resolver cho dưới dạng tương tự còn tín hiệu đưa ra từ Encoder cho ra dưới dạng tínhiệu số

1.3 Thiết bị đo lường và điều khiển trên máy CNC

1.3.1 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Vũ Thị Loan

TÝn­ hiÖu­

yªu­cÇu

§éng c¬

Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển số CNC bao gồm các cụm: Cụm điều khiển máy(Machine Control Unit - MCU), cụm điều khiển động cơ servo(Servo driver), cụm động cơ servo, cụm phản hồi tốc độ(Velocity feedback), cụm phản hồi vị trí(Position feedback).

Cụm điều khiển máy đóng vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống, nólàm nhiệm vụ giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống, nhận lệnh điều khiển tínhtoán nội suy để đưa ra các thuật toán số học, logic theo trình tự xác định Từ công nghệgia công do người lập trình nạp vào MCU, nhờ hệ thống phần mềm MCU sẽ đưa ra tínhiệu điều khiển phù hợp để điều khiển cụm điều khiển servo, đồng thời nó nhận tínhiệu từ cụm phản hồi vị trí để liên tục điều chỉnh các sai lệch vị trí trong quá trình làmviệc Sai lệch tốc độ của động cơ servo sẽ được cụm phản hồi tốc độ phát hiện và đưatới cụm điều khiển servo để hiệu chỉnh

1.3.2 Chức năng của cụm điều khiển

Cụm điều khiển máy được coi là trái tim của máy công cụ điều kồm: vào, ra số liệu xử lý các số liệu và ghép nối máy với các thiết bị ngoại vi

Chức năng này bao gồm: chức năng vào và lưu trữ số liệu Đó là số liệu mô tảđường chuyển động của dụng cụ và điều kiện gia công sản phẩm

Cấu trúc chương trình điều khiển được được đưa vào cụm MCU và được nó mã

xử lý trung tâm(central processing unit-CPU) tính toán xác định vị trí, lượng chạy dao,hiệu chỉnh chiều dài(Tool length offset) và đường kính dụng cụ(tool diameter offset).Cũng như các số liệu rời rạc như yêu cầu điều khiển đóng ngắt hệ thống bôi trơn, làmmát chi tiết và các thiết bị điều khiển cổng(I/O) đảm bảo trình tự truyền tín hiệu giữamáy công cụ, PLC và hệ điều khiển CNC.

Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu vị trí và lượng chạy dao Các tín hiệu nàyđược gửi tới mạch điều khiển servo để sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ Trong cụmdẫn động, động cơ luôn có mạch khuyếch đại bởi vì tín hiệu trước khi đưa vào cụm dẫnđộng rất nhỏ không đủ công suất để động cơ làm việc

Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục chính, đóng

mở động cơ làm mát, bôi trơn, dừng khẩn cấp, dừng chu trình và các tín hiệu khác từmáy công cụ gửi tới hệ điều khiển CNC

1.3.3 Phần cứng cụm điều khiển

Phần cứng của cụm MCU gồm 6 thành phần cơ bản: vi xử lý trung tâm, bộ nhớ,điều khiển servo, thiết bị lôgíc điều khiển trình tự và mạch ghép nối Các thành phầnliên hệ với CPU thông qua BUS Thành phần trong MCU chỉ ra trên hình 1.21

Hình 1.10:Thành phần cơ bản của MCU

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit-CPU) là một máy tính nhỏ hoặcthành phần chính của một máy tính nào đó Số lượng cấu trúc cơ bản của máy tính cóthể thực hiện được là nhờ mối liên hệ trực tiếp rất tinh vi của các mạch logíc trongCPU Nhờ chương trình nguồn ghi trong bộ nhớ để hình thành thuật toán trên cơ sở dữliệu đưa vào cho phù hợp với chương trình điều khiển và điều khiển các thiết bị trong

và ngoài CPU thông qua BUS Cấu trúc CPU gồm 3 phần tử cơ bản: phần tử điềukhiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy nhập nhanh

Tổ chức cấu trúc được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính được xem như mộtchương trình và chương trình có thể thay đổi được bằng thay đổi thứ tự các thông tin số

đã lưu trữ trong bộ nhớ Chính nhờ khả năng quan trọng này của CPU đã làm choMCU trở nên linh hoạt hơn

Số liệu qua cổng vào-ra được đưa vào bộ nhớ truy nhập nhanh, phần tử điềukhiển gọi chương điều khiển lưu trữ trong ROM hoặc RAM của bộ nhớ chính gửi tới

và gưi tín hiệu đến các cụm trong hệ thống để thực hiện các cấu trúc yêu cầu Trongphần tử điều khiển có mạch giải mã lệnh(Unit control) Mạch này giải mã các thông tinđọc từ bộ nhớ truy nhập nhanh và đưa các thông tin sau khi xử lý tới mạch tạo xungđiều khiển Các dãy xung điều khiển khác nhau sẽ điều khiển các bộ phận khác nhauhoạt động phù hợp với yêu cầu

Với nhiệm vụ hình thành các thuật toán mong muốn trên cơ sở số liệu đưa vào.Kiểu thuật toán số học là cộng, trừ, nhân, chia, cộng logic và các chức năng khác theoyêu cầu của chương trình Khối logic số thực hiện các phép so sánh, phân nhánh, lựachọn, lặp, phân vùng bộ nhớ

Liên kết với ALU là một số thanh ghi lưu trữ các số liệu trong quá trình tínhtoán Thanh ghi lưu trữ số liệu này gần giống với vùng lưu trữ đặc biệt trong bộ nhớnhưng khác là các thanh ghi này là các thanh ghi TTL tốc độ cao

Bộ nhớ truy nhập nhanh(Immediate access memory) là bộ nhớ trong của CPUdùng để lưu giữ tạm thời các số liệu đang được các phần tử số học xử lý hoặc chươngtrình điều khiển từ ROM, RAM gửi tới

1.3.4 Bộ nhớ

Bộ nhớ trong CPU thường có dung lượng nhỏ và chỉ dùng lưu trữ số liệu tạmthời vì vậy trong CNC cần có một bộ nhớ dung lượng lớn để lưu chương trình ứngdụng hay còn gọi là chương trình NC, chương trình điều khiển, chương trình ghép nối

và các số liệu đã được xử lý Bên trong máy tính của CNC thường có hai loại bộ nhớ:

Bộ nhớ có sẵn(ROM, RAM) và bộ nhớ mở rộng(ổ cứng-hardisk, ổ mềm-floppydisk,card nhớ, CD room)

1.3.5 Phần mềm CNC

Chương trình bên trong hệ điều khiển CNC có ba loại: Chương trình điều hành,chương trình điều khiển trình tự và chương trình công nghệ

Phần mềm điều hành là chương trình điều hành máy, thực hiện các chức năng

NC Chương trình điều hành được nhà sản xuất lập trình sẵn và được nạp vào ROMcủa máy Chức năng chính của chương trình điều hành là chấp nhận chương trình ứng

dụng như là tín hiệu vào và sinh ra tín hiệu điều khiển điều khiển dẫn động động cơ cáctrục.

Điều khiển trình tự cho các máy CNC người ta thường dùng các bộ điều khiểnlogic lập trình-PLC Phần mềm điều khiển trình tự là phần mềm lập trình điều khiểncho PLC PLC sẽ được truyền thông với CPU của MCU Chương trình từ MCU gửi tớiPLC là chương trình NC còn dữ liệu PLC gửi đến MCU là lệnh bắt đầu chu trình, dừngkhẩn cấp, giữ tốc độ, lệnh thay dao cụ, lệnh đóng mở hệ thống bôi trơn hệ thống làmmát và một vài lệnh rời rạc khác

Chương trình ứng dụng còn gọi là chương trình NC(Numberical Compute).Chương trình cho phép mô tả đường chuyển động của dụng cụ trong quá trình giacông, kiểu chuyển động: chạy nhanh, nội suy thẳng, nội suy vòng, điều kiện cắt, tốc độtrục chính, lượng ăn dao, chiều sâu cắt Chương trình ứng dụng có thể viết bằng haicách: Chương trình mã G và chương trình tham số

1.3.5.3.1 Chương trình mã G

Lập trình theo chương trình mã G là sử dụng các mã lệnh G, M, S, F, T và cáclệnh khác để hình thành chương trình gia công Chương trình được viết theo khối,trong một khối gồm nhiều từ(word)

Sử dụng mã G lập trình gia công một bề mặt phức tạp và có chu trình lặp bằngcác chương trình con đơn giản gặp nhiều khó khăn, bởi vì cần phải xác định nhiềuthông số cần thiết khi lập trình Do vậy chương trình gia công dài mắc nhiều lỗi và độchính xác thấp Vì vậy với những gia công các bề mặt phức tạp chương trình viết theotham số sẽ dễ dàng hơn chương trình viết bằng mã G Lập trình tham số cho phép thựchiện các phép tính số học, logic, phép lặp và nhiều tiện ích khác.

Ngoài hai chương trình lập trình bằng tay trên hiện nay với sự trợ giúp bằngmáy tính người ta đã lập được những chương trình hỗ trợ cho phép người vận hành cóthể lập trình trực tiếp bằng đồ họa trên máy và máy tự động tính toán để đưa ra chươngtrình công nghệ điều khiển chạy dao

1.3.6 Thiết bị đo lường trong máy CNC

Trong số những loại cảm biến đo vị trí encoder là loại được sử dụng cho nhữngứng dụng đòi hỏi độ phân giải và độ tin cậy trung bình Encoder chia làm hai loại:Encoder quay và encoder thẳng

Encoder quay có encoder tăng dần và encoder tuyệt đối Hình 1.9pl phía bên trái

là encoder tăng dần, nó bao gồm một đĩa quay trên đĩa được chia thành các vạch tốisáng xen kẽ nhau Một bên của đĩa bố trí hệ thống phát tia hồng ngoại phía đối diện đặt

hệ thống thu tia hồng ngoại Khi đĩa quay ánh sáng chiếu qua các vạch sáng từ bên phátsang bên thu tạo thành các xung điện, tuỳ thuộc vào số lượng vạch sáng trên đĩa màmỗi vòng quay sẽ thu được bao nhiêu xung Độ phân giải của các bộ encoder tăng dầnbiến đổi trong khoảng 100  65000(số xung trong một vòng quay) Encoder tăng dầnthường có loại 1 đường tín hiệu hoặc 3 đường tín hiệu Dùng encoder để xác định vị tríthường hay bị sai lệch do việc định vị trí ban đầu cho đĩa quay hoặc khi hệ thống đang

làm việc mà xảy ra mất điện sẽ không xác định được vị trí (Hình 1.9 pl) bên phải là

cấu tạo của encoder tuyệt đối, encoder tuyệt đối có đĩa quay được chia thành nhiềuvòng, trên mỗi vòng chia thành các vạch sáng tối, mỗi vòng người ta đặt một cắp thu

phát hồng ngoại(trên hình vẽ là 5 vòng) Tín hiệu đầu ra của encoder tuyệt đối tạothành mã Gray, điều này khắc phục được những nhược điểm của encoder tăng dần

Các trục của máy CNC thường được trang bị các dụng cụ đo vị trí để xác địnhtọa độ của bàn máy và của dao cụ thiết bị đo này thường là các bộ encoder thẳng

(hình1.10 pl).

Các encoder thẳng đo khoảng cách dịch chuyển tức là xác định tọa độ thực tếtức thời của các trục tọa độ Các đại lượng để đo ở đây là những đoạn đường trong cácchuyển động thẳng và các góc trong các chuyển động quay của các trục tọa độ Tínhiệu đầu ra của encoder thẳng được đưa về so sánh với giá trị đặt của vị trí, kết quảđược đưa vào đầu vào của bộ điều chỉnh vị trí

Mặt khác trên encoder thẳng còn trang bị một vài điểm chuẩn (Reference Mark)

được chỉ ra trên (hình 1.11 pl)­ Mục đích để thiết lập lại (xác định lại) toạ độ của các

trục sau mỗi lần khởi động máy Nếu khởi động lại máy sau khi có điện trở lại thì cáctrục toạ độ phải di chuyển và khi qua các điểm chuẩn (Reference Mark) nó sẽ phát ramột tín hiệu, tín hiệu này được truyền đến hệ CNC lúc đó hệ điều khiển mới xác địnhđược tọa độ của nó đồng thời hiển thị giá trị tọa độ thực tế lên màn hình Vì vậy, chỉsau khi chạy hết các trục về các điểm quy chuẩn (Reference Mark) thì mới thực hiệnđược gia công trên máy

Resolver và Synchron là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặctốc độ Thiết bị này có độ chính xác và độ tin cậy cao nên thường được sử dụng trongmáy CNC Thiết bị đo làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Điện áp tín hiệu vào

tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của resolver Resolver có cấu trúc giống như một

động cơ điện xoay chiều cỡ nhỏ Hình1.13pl là một kiểu resolver thường gặp trong

máy CNC Nó bao gồm rotor, stator, trên rotor người ta bố trí một cuộn dây còn trên

0

resolver và synchro khi rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp

Nguyên lý làm việc của inductosyn chuyển động thẳng trình bày trên hình 1.15pl nó

bao gồm một cuộn dây đứng yên(scale) được nuôi bằng điện áp xoay chiều Vsint, vàhai cuộn chuyển động(Slider) trượt trên cuộn đứng yên, khi hai cuộn chuyển độngtrượt trên cuộn đứng yên do hiệu ứng cảm ứng điện từ trên hai cuộn chuyển động sẽxuất hiện điện áp Vsintsin(2X/S) và Vsintcos(2X/S) Inductosyn dạng thẳngthực tế cấu tạo gồm thanh thước động(lắp trên bàn máy) và thanh thước tĩnh (lắp trênthân máy) cuộn dây trên thước tĩnh thường được chế tạo theo phương pháp quang hoá

1.3.7 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính-Linear Variable Differential

Transfomrmer

Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính được phát minh bởi Herman Schaevitz vàonăm 1946 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính(LVDT) là một phương pháp đo khoảngcách dài chính xác và tin cậy LVTD hiện được ứng dụng rất nhiều trong các máy công

cụ hiện đại hoặc trong robot

Cấu tạo của biến áp vi sai biến đổi tuyến tính(LVDT) chỉ ra trên hình1.16pl Nó bao

gồm một lõi nam châm vĩnh cửu chuyển động dọc theo ống cuốn cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Cuộn dây sơ cấp được nuôi bằng nguồn điện xoay chiều có điện áp từ 1V-24Vvới tần số từ 50Hz-20kHz Cuộn thứ cấp được chia làm hai phần đối xứng khi lõi nam châm vĩnh cửu nằm ở giữa ống dây thì điện áp đầu ra của cuộn thứ cấp bằng 0, khi lõi dịch chuyển lên trên thì điện áp đầu ra mang giá trị dương, khi lõi dịch chuyển xuống

dưới thì điện áp đầu ra mang giá trị âm Khoảng cách mà cảm biến đo được là

100m- 25cm

Để chuẩn hoá tín hiệu đầu ra của các loại LVDT trong công nghiệp người ta thường

tích hợp cùng với nó hệ thống xử lý tín hiệu đầu ra của LVDT Hình 1.17pl chỉ ra nguyên lý của mạch xử lý tín hiệu đầu ra của LVDT Hình 1.19pl chỉ ra sơ đồ xử lý tín

hiệu của LVDT sử dụng IC AD598

1.3.8 Cảm biến hiệu ứng Hall

- Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall do E.H.Hall phát minh năm 1879 nội dung như sau: Cho một dòngđiện I chảy qua một phiến bán dẫn đặt trong từ trường B thì sẽ xuất hiện một điện áp

VH­trên hai bề mặt đối diện như trên( hình1.11):

Hiệu ứng Hall có thể ứng dụng để đo từ trường, nhưng thực tế nó thường đượcứng dụng làm cảm biến đo tốc độ quay hoặc xác định vị trí

- Cấu tạo cảm biến đo tốc độ hiệu ứng Hall

Cấu tạo của cảm đo tốc độ quay hoặc vị trí trình bày trên hình 1.20pl, nó bao

gồm một bánh răng gắn trên trục quay cần đo tốc độ, răng của bánh răng là các phiếnnam châm vĩnh cửu bánh răng được đặt gần phiến bán dẫn có dòng điện chạy qua Khibánh răng quay các răng nam châm vĩnh cửu lần lượt quét qua phiến bán dẫn làm xuất

H×nh 1.11:­HiÖu øng Hall

Để chuấn hoá tín hiệu đầu ra của cảm biến điện áp Hall đo được sẽ được đưaqua hệ thống xử lý điện tử

Kết lụân

Máy gia công cơ khí điều khiển số CNC là loại máy rất phổ biến hiện nay, sự rađời và phát triển của nó đã thúc đẩy sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo, đóng góp tolớn vào việc tạo ra của cải của xã hội Sự ra đời của máy CNC làm cho các sản phẩm

cơ khí chế tạo có chất lượng tốt hơn, độ chính xác cao hơn và đặc biệt là có thể sảnxuất hàng loạt Máy CNC có rất nhiều chủng loại khác nhau, mỗi một công nghệ giacông lại có một kiểu máy Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy CNC đều

có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau Cấu trúc của tất cả các loại máy CNC đềubao gồm: Phần xử lý trung tâm(giao diện người máy và thực hiện nội suy), phần điềukhiển servo, động cơ servo, phản hồi tốc độ-vị trí Hệ thống điều khiển CNC thôngthường có hai dạng: Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiểnvòng hở thường có độ chính xác không cao, nhưng rẻ tiền do đó trong thực tế người tathường dùng hệ điều khiển vòng hở cho những hệ thống không đòi hỏi cao về độ chínhxác ví dụ như máy khoan CNC, máy phay mạch in CNC Hệ thống điều khiển vòng kín

có độ chính xác vị trí rất cao, nhưng giá thành đắt, ngày nay người ta sử dụng phổ biến

hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín

Hệ thống điều khiển CNC thông thường gồm các khối: Khối điều khiển máy,khối điều khiển servo, động cơ servo, khối phản hồi tốc độ, khối phản hồi vị trí Khốiđiều khiển máy là đầu não trung tâm của máy CNC nó bao gồm: một máy tính cónhiệm vụ điều khiển chung các hoạt động của máy, giao tiếp với người sử dụng, nhậntín hiệu từ cảm biến vị trí và thực hiện các thuật toán nội suy,so sánh và đưa ra các lệnhđiều khiển, hiệu chỉnh vị trí gia công; các bộ điều khiển khả trình PLC làm nhiệm vụđiều khiển các chức năng tuần tự của máy Khối điều khiển servo làm nhiệm vụ nhậnlệnh điều khiển từ máy tính trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi tốc độ từ cảm biến tốc

độ, thực hiện các thuật toán điều chỉnh hợp lý(PID, trượt, mờ, nơron) để điều khiển

năng lượng cấp cho động cơ servo Cảm biến dùng để đo tốc độ trong máy CNC hiệnnay thường dùng là các loại Encoder, Reslve, Synchro Cảm biến dùng để đo vị trítrong máy CNC thường là biến áp vi sai hoặc Encoder hoặc Inductosyn Truyền độngtrong các máy CNC hiện nay thường là các hệ truyền động động cơ servo một chiềukhông chổi than hoặc động cơ servo xoay chiều.

Chương tiếp theo sẽ đề cập tới các hệ truyền động trong máy CNC.

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY CÔNG CỤ

CNC.

Trong hệ truyền động ăn dao của các máy công cụ điều khiển số CNC , động cơthực hiện di chuyển bàn dao hoặc chi tiết để đảm bảo các quá trình cắt đáp ứng đượcyêu cầu tối ưu về công nghệ, thì cần phải được điều chỉnh tốc độ sao cho phù hợp vớitừng chế độ cắt tương ứng đó Việc điều chỉnh tốc độ hệ truyền động ăn dao có thểthực hiện bằng ba phương pháp: cơ ; điện – cơ và điện

- Điều chỉnh tốc độ bằng cơ là phương pháp điều chỉnh có cấp với sự thay đổi tỷ

số truyền trong hộp tốc độ Điều đó có thể thực hiện bằng tay hoặc từ xa: bằng khớp lyhợp điện từ, thủy lực…và động cơ được sử dụng trong trường hợp này là động cơkhông đồng bộ roto lồng sóc

- Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điện – cơ là điều chỉnh tốc độ bằng cáchthay đổi tốc độ động cơ và tỷ số truyền của hộp tốc độ Động cơ điện có thể là động cơKĐB nhiều cấp tốc độ hoặc động cơ một chiều

- Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điện là thay đổi tốc độ máy chỉ bằng thayđổi tốc độ động cơ điện Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ đơn giản,trơn hơn so với động cơ điện xoay chiều, giảm nhẹ kết cấu cơ khí của máy

Dù điều chỉnh tốc độ hệ truyền động bàn máy CNC bằng phương pháp nào thìcũng cần phải quan tâm tới các chỉ tiêu quan trọng sau: phạm vi điều chỉnh tốc độ, độtrơn điều chỉnh, điều kiện phụ tải, tính kinh tế của hệ thống truyền động điện…

2.1.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ

Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền động ăn dao là tỷ số giữa lượng ăn dao lớnnhất Smax và lượng ăn dao nhỏ nhất Smin :

Trong đó i và i+1 là tốc độ cấp thứ i và i+1.

Thực tế  càng nhỏ càng tốt vì ta càng dễ chọn được điểm làm việc tối ưu theoyêu cầu công nghệ Do vậy luôn mong muốn 1 Khi đó hệ truyền động ăn dao đượccoi là điều chỉnh trơn hay điều chỉnh vô cấp

Các giá trị chuẩn của độ trơn điều chỉnh được sử dụng trong truyền động máyCNC là: 1,06 ; 1,12 ; 1,26 ; 1,41 ; 1,58 ; 1,78 ; 2

Nhưng thường sử dụng các giá trị: 1,26 ; 1,41 ; 1,58

2.1.4 Đặc tính phụ tải

Với truyền động ăn dao, nói chung momem không đổi khi điều chỉnh tốc độ Tuy nhiên ở vùng tốc độ thấp lượng ăn dao nhỏ , lực cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắttới hạn Trong vùng này khi tốc độ ăn dao giảm , lực ăn dao và momen ăn dao cũnggiảm theo ở tốc độ cao tương ứng với tốc độ cắt VC của truyền động chính cũng phảilớn , nếu giữ lực ăn dao Fad lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn Do đó chophép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng này , momen truyền động ăn dao cũng giảmtheo(H2.1):

Một hệ thống truyền động điện có đặc tính điều chỉnh tốt nếu đặc tính của nótrùng với đặc tính cơ của máy sản xuất Khi đó động cơ được sử dụng một cách hợp lýnhất , tức có thể làm việc đầy tải ở mọi tốc độ Nhờ đó, hệ thống đạt được các chỉ tiêuchất lượng cao

2.1.5 Độ chính xác vị trí

Đặc biệt với các máy có yêu cầu cao về độ chính xác dừng máy như máy khoanCNC, doa CNC, phay CNC … các bộ phận làm việc như bàn dao, bàn máy phải dùngđúng vị trí yêu cầu để đảm bảo chất lượng gia công và năng suất ở thang máy , máynâng hạ yêu cầu buồng máy phải dừng đúng sàn tầng hoặc các mặt bằng lấy tải , tháo

Hình 2.1: Đồ thị đặc tính phụ tải của máyCKLCNC

tải Độ chính xác khi dừng máy không những ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng côngviệc mà còn ảnh hưởng tới sự an toàn cho người và máy Một trong các hệ thống điềukhiển giúp xác định chính xác vị trí dừng máy đó là hệ thống điều khiển vị trí Trong

hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt w) có ý nghĩa quan trọng quyếtcấu trúc hệ điều khiển Thông thường lượng điều khiển w là một hàm của thời gian,

có thể là một hàm nhảy cấp , hàm tuyến tính hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian ,hàm parabol và hàm điều hoà (Hình 2.2):

Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơcấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ tuỳ động)

Trong hệ truyền động điều khiển vị trí chuyển dịch người ta quan tâm nhiều đến

độ tác động nhanh của hệ Điều này có liên quan tới giản đồ tối ưu về tốc độ (t), giatốc (t) và vị trí (t) Để xây dựng hệ điều khiển người ta dựa trên quy luật tối ưutác động nhanh truyền động điện bằng việc nghiên cứu quỹ đạo pha chuyển động

Để đáp ứng được những yêu cầu đã đặt ra , các máy công cụ CNC thường dùngcác hệ thống truyền động cho bàn máy sẽ được trình bày dưới đây

Hàm nhảy cấp Hàm tuyến tính Hàm parabol

Máy công cụ điều khiển số với công suất lớn thường sử dụng hệ thống thuỷ lựcđiều khiển Secvo làm dẫn động chạy dao.

Khi sử dụng hệ thống thuỷ lực trong dẫn động chạy dao cho ta thấy nó cónhững ưu điểm nổi bật mà các dạng dẫn động khác không có được:

1- Xét về mặt giá thành cho thấy, giá hệ thống thuỷ lực không tỷ lệ thuậnvới công suất của hệ thống như trong trường hợp dẫn động bằng động cơ điện Và nhất

là công suất dẫn động lớn nhưng kích thước của hệ thống lại nhỏ Chính đặc điểm nổibật trên, máy công cụ điều khiển số yêu cầu công suất lớn và trung bình sử dụng hệthống dẫn động Secvo thuỷ lực là phù hợp

2- Điều khiển thuỷ lực cứng hơn so với điều khiển điện Vì vậy đặc tính

khuếch đại mạch cao và đáp ứng tần số tốt hơn

3- Điều khiển hệ số thuỷ lực cho phép thực hiện làm trơn chuyển động dụng

cụ ở dải tốc độ rộng

4- Sử dụng hệ thống thuỷ lực không cần hệ thống bôi trơn và làm mát bởi vìbản thân hệ thống có thể tự thực hiện chức năng này Và nhất là nó có khả năng điềukhiển trong điều kiện trễ

5- Có khả năng chống quá tải cho hệ thống

Đi kèm với những ưu điểm, hệ thống thuỷ lực có những nhược điểm riêng của

nó, trước hết hệ thống không thuận lợi trong bảo dưỡng, đòi hỏi dầu phải luôn sạch haynói cách khác đi là trong hệ thống cần có các thiết bị làm sạch dầu như lọc thô, lọctinh, vì độ sạch của dầu có ảnh hưởng lớn tới độ chính xác và tuổi thọ của hệ thống.Dầu dùng trong hệ thống thuỷ lực phải đảm bảo không có tác dụng xấu với các chi tiếttrong hệ thống và con người Và một nhược điểm thường thấy trong các hệ thống thuỷlực là ồn và rất nhạy với độ nhớt của dầu

Hình 2.3 trình bầy sơ đồ hệ điều khiển Servo thuỷ lực trong máy công cụ điều khiển

số Tín hiệu yêu cầu từ máy tính đưa tới mạch khuếch đại Servo, nhờ mạch này công suất tínhiệu được khuếch đại lên đủ lớn để điều khiển van Servo Van Servo điều khiển độ mở mépvan phù hợp với tốc độ chuyển động theo yêu cầu động cơ thuỷ lực Để biến năng lượng thuỷlực thành chuyển động cơ học, hệ thống điều khiển van Servo phải có nguồn cung cấp áp lựccho động cơ hoặc xilanh thuỷ lực

2.2.2 Hệ truyền động dùng động cơ bước

2.2.2.1 Giới thiệu động cơ bước

Động cơ bước(stepping motor) là một cơ cấu chấp hành cơ điện dùng để biếnđổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học Đặc tính chuyển động của động cơbước là rời rạc, trái ngược với đặc tính chuyển động liên tục và trơn của động cơ DC,

AC Mỗi xung dòng cấp cho cuộn dây stato, trục động cơ thực hiện quay một góc gọi

là bước góc Đặc điểm cơ bản của động cơ bước là tốc độ góc tỷ lệ với tần số xung vào.Động cơ bước điều khiển tín hiệu số được sử dụng khá rộng rãi trong các máy điềukhiển số CNC, máy in, robot, máy photocopy và các máy khác Động cơ bước có thểđiều khiển cả về vị trí lẫn tốc độ(dải tốc độ từ 0 đến 300v/p) mà không cần mạch phảnhồi nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác vị trí Tần số cung cấp cho động cơ nằm ởvùng tần số thấp Độ chính xác vị trí trong khoảng 1 đến 5% bước góc Với công nghệhiện nay, trong công nghiệp đã sản xuất được động cơ bước có công suất lớn nhất là

Hình 2.3: Hệ dẫn động Secvo thuỷ lực một trục trong máy CNC

Thiết bị phản hồi

Động cơ thủy lực

Bàn máy

Van servo

Thu hồi dầu

Bơm thủy lực

Độn

g cơ

Khuếch đại servo Tín hiệu điều

khiển CNC

Ưu việt của động cơ bước là ở chỗ nó có khả năng điều khiển trực tiếp bằngmạch số Vì vậy, trong mạch điều khiển không cần mạch biến đổi só tương tự(DAC).

Và nó cũng không cần các chuyển mạch hoặc chổi than như trong động cơ mộtchiều(DC) điều khiển servo Điều khiển vị trí bằng động cơ bước tránh được sai số tíchluỹ chiều dài của chuyển động Động cơ bước được sử dụng trong các mạch điều khiển

hở Một ưu điểm khác của động cơ bước là ít gây tiếng ồn

Động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn bước góc hoặc theo tiêu chuẩncông suất Dải bước góc của động cơ từ 0,72o đến 90o

­tương ứng với 1,8o; 7,5o; 15o; 30o

hoặc 90o

Động cơ bước có ba kiểu: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM(PermanentMotor), động cơ bước có từ trở biến đổi VR(Variable – Reluctance stepper motor) vàđộng cơ kết hợp từ hai động cơ PM và VR gọi là động cơ lai(Hybrid stepper motor)

Do sự phát triển mạch mẽ của hệ thống điều khiển nên động cơ lai ngày nay đang được

sử dụng rất rộng rãi Ngoài các động cơ phổ biến ở trên trong máy CNC còn có động

cơ bước tuyến tính(Linear Stepper Motor)

2.2.2.2 Các loại động cơ bước

a Động cơ bước PM(Permanent Motor)

Động cơ bước PM (Permanent Magner stepper Motor) co cấu tạo gồm một rotolàm bằng nam châm vĩnh cửu và stato là các cuộn dây( hình 2.1pl) Khi cấp điện chocác cuộn dây stato sẽ tạo ra một vùng điện từ có cực bắc và cực nam, và stato gây ravùng từ trường sẽ làm cho roto quay đi một góc xác định (một bước) Chúng ta có thểthay đổi vùng từ trường bằng cách kích hoạt theo trình tự các cuộn dây stato Hình2.2pl trình bày động cơ bước 4 cực stato 6 cực roto

Nguyên tắc làm việc của động cơ bước PM(Permanent Magner stepper motor)giống như nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ ba pha Nguyên lý chuyển độngcủa rotor trình bày trên hình 2.3

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Vũ Thị Loan

b Động cơ bước VR(Variable – Reluctance stepper motor)

Động cơ bước từ trở biến đổi VR(Variable Reluctance stepper motor) cũng đượchình thành trên cơ sở thành phần cơ bản giống như động cơ bước PM gồm có Stator vàrotor Kết cấu stator trên từng pha của động cơ VR giống với stator của động cơ PM.Rotor của động cơ PM khác rotor của động cơ VR ở chỗ rotor của động cơ PM đượcchế tạo từ nam châm vĩnh cửu còn rotor của động cơ VR được chế tạo từ thép non cókhả năng dẫn từ cao và đặc biệt là các cuộn dây đối xứng nhau qua rotor trong động cơ

VR có cùng cực tính còn động cơ PM thì khác cực tính

Động cơ bước VR có nguyên lý làm việc tương tự động cơ bước PM

Hình 2.4 là một động cơ bước VR 3 pha đơn giản, phân bố xung các pha và góc dịchchuyển của rotor

c Động cơ bước kiểu lai(Hybrid stepper motor)

Động cơ bước kiểu lai(Hybrid stepper motor) có đặc trưng cấu trúc của cả haiđộng cơ bước PM và VR Hình 2.3pl chỉ ra cấu tạo của động cơ bước kiểu lai, rotor củađộng cơ kiểu lai có chứa nam châm vĩnh cửu Trục của nam châm có cực tính khôngđổi và các đoạn rotor làm bằng thép non tương ứng với hai đoạn stator được ép lên trụcnam châm và trục rotor được đặt trên hai ổ bi Số răng trên rotor của động cơ bước kiểulai nhiều hơn số răng trên stator Tỷ số giữa số răng trên stator và rotor thể hiện khảnăng quay đều của rotor ở tốc độ thấp, đối với động cơ bước kiểu lai các răng trên haiđoạn rotor bố trí đối nhau nghĩa là răng trên đoạn rotor này trùng với khe giữa hai răngtrên đoạn rotor kia

2.2.3 Hệ truyền động dùng động cơ tuyến tính

Động cơ tuyến tính là loại động cơ phẳng , nó không tạo ra chuyển động quay

mà trực tiếp tạo ra chuyển động thẳng Cấu tạo của động cơ tuyến tính gồm hai bộphận: rotor và stator giống như động cơ điện thông thường, song điểm khác biệt làrotor và stator của động cơ tuyến tính được trải dài chứ không tròn như rotor và statorcủa các động cơ thông thường Hai phần stato phẳng và roto phẳng nằm đối diện nhauqua một khe hở hẹp, stato và roto này cũng gồm các cuộn dây và các thanh ngắn mạchtương tự như các cuộn dây và các vòng ngắn mạch ở động cơ quay thông thường Khi

có điện lập tức xuất hiện chuyển động tịnh tiến thẳng tương đối giữa roto và stato Nếu

lắp động cơ tuyến tính vào các bàn trượt hoặc đầu gia công của các máy công cụ thì sẽtạo được chuyển động tịnh tiến thẳng của các bộ phận đó , thay thế cho các cơ cấu vít

me - đai ốc lăn ở các máy công cụ CNC, với độ khác biệt vượt trội về tốc độ tịnh tiến

và gia tốc dịch chuyển tịnh tiến cùng với nhiều tính năng khác Động cơ tuyến tính có

độ phân giải cao một số loại độ phân giải có thể đạt tới 12500 bước/inch Hình 2.4 chỉ

ra cấu tạo của động cơ tuyến tính Trong thực tế động cơ tuyến tính được ứng dụngtrong chuyển động chạy dao của các máy CNC Hình 2.4pl chỉ ra các loại động cơtuyến tính

Khi sử dụng động cơ tuyến tính trong dẫn động chạy dao cho ta thấy nó cónhững ưu điểm nổi bật mà các động cơ khác không có được như:

- Các bàn trượt X, Y và đầu trượt của máy trên trục Z không phải tảI theo các khối lượng phụ không mong muốn của các bộ truyền vít me - đai ốc lăn

- Không phải chịu lực ma sát của bộ truyền động vít me- đai ốc lăn

- Hành trình chuyển động của các bàn trượt không bị hạn chế do không phảI dụng bộ truyền vít me - đai ốc lăn

- Không bị giới hạn về động lực học điều khiển

- Tốc độ tịnh tiến có thể tăng tới hàng trục m/ph

- Gia tốc tịnh tiến có thể đạt tới 50m/s2

­

- Không có sự trễ trong điều khiển chuyển động

2.2.4 Hệ truyền động Thyristor - động cơ (T- Đ)

Ngày nay việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T-Đ với mạch vòng phản hồikín nhằm đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng được sử dụngrộng rãi , nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến công suấtlớn Cấu trúc hệ thống điều khiển T- Đ với hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòngđiện như hình 2.6:

RI, R : Các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ có nhiệm vụ tổng hợp và tạo rađiện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung Bằng cách lựa chọn các lượng phảnhồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh dòng điện thíchhợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động

CL1, CL2: Hai bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc song song ngược Bằng cách điềukhiển các nhóm van trong bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra các chế độ dừng, quay thuận, quayngược của động cơ…

TX1, TX2: Thiết bị phát xung cho 2 bộ chỉnh lưu có điều khiển CL1, CL2

U*

n, Un : Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và điện áp phản hồi tốc độ quay

Hình 2.7: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều T- Đ

I, Ui : Điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện

Điều chỉnh 2 khâu RI và R ta được đặc tính tĩnh (Hình 2.7) và đặc tính động(Hình 2.8):

2.2.5 Hệ truyền động dùng động cơ servo một chiều(DC servo motor)

Dẫn động chạy dao của máy công cụ điều khiển số NC/CNC đòi hỏi hệ điềukhiển phải có khả năng điều khiển đồng thời cả tốc độ và vị trí Mặc dù với sự pháttriển của công nghệ điện tử Động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ bằng biến tần ngàycàng phát triển mạnh mẽ, nhưng động cơ servo một chiều vẫn được sử dụng phổ biếntrong các máy công cụ điều khiển số nói riêng và các hệ điều khiển vị trí nói chung

Động cơ DC servo có hai loại: Động cơ servo có chổi than và động cơ servokhông chổi than

Các động cơ DC servo có những đặc điểm khác với các động cơ DC cổ điểnthông thường ở chỗ các động cơ DC thông thường quạt làm mát thường được gắn trêntrục rotor do đó khi động cơ chạy ở tốc độ thấp mà vẫn mang tải nặng thì quạt làm mátcũng bị chạy chậm lại dẫn đến làm mát cho động cơ không đảm bảo làm động cơ bịquá nhiệt Đối với động cơ DC servo quạt làm mát không gắn vào rotor và được nuôibằng nguồn điện riêng ổn định, do đó đảm bảo làm mát cho động cơ ngay cả khi động

cơ chạy ở tốc độ rất thấp Thêm vào đó động cơ servo thường được tích hợp sẵn các