Đồ Án Tốt Nghiệp Máy Và Hệ Thống Điều Khiển Số Theo Chương Trình 150 tc (CDIO) CHƯƠNG 9 ( Sách Giáo Trình)

Đồ Án Tốt Nghiệp Máy Và Hệ Thống Điều Khiển Số Theo Chương Trình 150 tc (CDIO)GỒM CÓ TỔNG CỘNG 12 CHƯƠNG:Chương 1: Đại cương về máy cắt kim loại.Chương 2: Máy tiệnChương 3: Máy khoan doaChương 4: Máy PhayChương 5: Máy gia công bánh răngChương 6: Máy màiChương 7: Máy chuyển động thẳngChương 8: Thiết kế máy cắt kim loạiChương 9: Máy điều khiển theo chương trình sốChương 10: Hệ thống tín hiệu mã hiệuChương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNCChương 12: Nội suy trong hệ thống máy điều khiển số. Sau đây là chương :Chương 9:Máy điều khiển theo chương trình sốCuối chương còn có phần câu hỏi ôn tập. Giúp sinh viên hệ thống lại kiến thức của chương, giúp nhớ lâu hơn, kỹ hơn và vận dụng vào thực tiễn..Cuối chương còn có phần câu hỏi ôn tập. Giúp sinh viên hệ thống lại kiến thức của chương, giúp nhớ lâu hơn, kỹ hơn và vận dụng vào thực tiễn.

CHƯƠNG 9: MÁY ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ

Mục tiêu chương 9: Sau khi học xong chương này, sinh viên có khả năng:

1 Trình bày các khái niệm cơ bản về điều khiển theo chương trình số;

2 Phân tích đặc điểm sử dụng và đặc điểm cấu trúc của máy NC;

3 Giải thích những ưu, nhược điểm của máy NC;

4 Xác định được số trục và tên các trục trong máy NC, CNC.

9.1 KHÁI NIỆM

Các máy công cụ, máy cắt kim loại đã được phát triển từ rất lâu để gia công các chitiết khác nhau trong ngành cơ khí Một thời gian dài xuất hiện, các máy công cụ đều do cáccông nhân trực tiếp điều khiển, thao tác bằng tay, quan sát bằng mắt để gia công Cách điềukhiển này khiến cho thời gian phụ khá lớn, phế phẩm nhiều và như vậy năng suất làm việckhông cao

Khi mà nhu cầu sản suất hàng loạt lớn và hàng khối phát sinh, cần thiết phải nâng caonăng suất, giảm thời gian phụ và giảm phần trăm phế phẩm Để thực hiện được các yêu cầunày cần thiết tiến hành quá trình tự động hóa, các máy tự động sử dụng các cơ cấu vấu tìhay công tắc hành trình, mẫu chép hình, cơ cấu cam trên trục phân phối như là các chươngtrình điều khiển máy đã được lập và ghi sẵn thông qua các cơ cấu này Các máy tự động loạinày giúp rút ngắn được thời gian phụ nhưng thời gian chuẩn bị các cơ cấu điều khiển nhưvấu tì, mẫu chép hình, cam,… mất khá nhiều thời gian Do vậy, nếu cần thay đổi mẫu mã

và kích thước của các chi tiết gia công, các cơ cấu điều khiển như vấu tì, cam…hay cácchương trình điều khiển “cứng” cần phải được thay đổi và chuẩn bị lại từ đầu và mất nhiềucông sức, đặc biệt là khi các chi tiết gia công phức tạp Vì vậy, các máy tự động loại này chỉthích hợp cho việc sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối

Xã hội loài người càng phát triển, nhu cầu các mẫu mã sản phẩm trở nên phức tạphơn và cần thay đổi liên tục với số lượng chi tiết gia công đôi khi không phải luôn luôn làhàng loạt lớn hay hàng khối, việc áp dụng các máy tự động trong sản xuất không có hiệuquả kinh tế cao Như vậy, cần phải có một loại máy có khả năng thay đổi chương trình điềukhiển một cách nhanh chóng hơn, dễ dàng chuẩn bị, “mềm” và linh hoạt hơn so với cáchđiều khiển “cứng” như trong máy tự động Máy điều khiển theo chương trình “mềm và linhhoạt” ra đời trong bối cảnh và yêu cầu thực tiễn này Để giúp điều khiển máy và thay đổinội dung điều khiển “mềm”, linh hoạt và nhanh chóng hơn, người ta không thể sử dụng các

“chương trình điều khiển cứng” như cam, hay mẫu chép hình như trước mà sử dụng cácchương trình được mã hóa dưới dạng số với các loại mã khác nhau Các máy điều khiểntheo chương trình sử dụng các chương trình được mã hóa dưới dạng số này được gọi là máyđiều khiển theo chương trình số (numerical control), còn được gọi là máy NC

Các chương trình được mã hóa dưới dạng số này chứa đựng tất cả các lệnh điềukhiển các chuyển động và hoạt động của máy NC Thông qua bộ phận đọc chương trình, cáccâu lệnh sẽ được đưa về bộ điều khiển để điều khiển một phần hay toàn bộ quá trình hoạtđộng của máy NC Các chương trình điều khiển máy NC có thể được ghi trên băng đục lỗ,phim, băng từ, đĩa mềm, đĩa CD, đĩa cứng…

Hình 9 1 – Cơ cấu điều khiển; a – Vấu tì; b – Công tắc hành trình; c – Cam

9.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY NC

Có thể nói, Parsons người Mỹ là cha đẻ của ý tưởng áp dụng tín hiệu số cho các máygia công cắt gọt vào năm 1947 Một số năm nghiên cứu sau đó với sự hỗ trợ của Viện côngnghệ tự động Massachussets (M.I.T), ông đã hoàn chỉnh hệ thống điều khiển máy phay 3 tọa

độ điều khiển bằng số, và vào năm 1954, máy này lần đầu tiên được gọi là “máy điều khiểntheo chương trình số” như tên gọi ngày nay

Năm 1955, trong triển lãm máy công cụ tại Chicago đã xuất hiện 4 máy điều khiểntheo chương trình số bằng bìa và băng đục lỗ Kể từ thời điểm này, khi thấy được lợi ích vàtiềm năng to lớn của máy điều khiển chương trình số, các nước khác như Nhật, Anh, CHLBĐức, Liên xô (cũ)…, cũng đã tập trung vào nghiên cứu chế tạo và phát triển thành công máyđiều khiển chương trình số

Năm 1955, trong triển lãm máy công cụ tại Chicago đã xuất hiện 4 máy điều khiểntheo chương trình số bằng bìa và băng đục lỗ

Năm 1965, Mỹ đã đưa vào sử dụng 7000 máy NC các loại.Và đến năm 1988, tổng sốmáy NC ở Mỹ đã lên đến 186000 chiếc.Ở châu Âu, cho đến năm 1964, CHLB Đức đã đưavào sử dụng hơn 500 máy NC các loại Ở Anh vào năm 1962 cũng đã có 225 máy NC vàđến cuối năm 1967 đã có đến 1300 chiếc máy NC Trong khi đó, ở Liên Xô cũ, việc chế tạo

và ứng dụng máy NC vào sản xuất đã đạt nhiều thành tựu rực rỡ

9.1.1 Đặc điểm sử dụng

Như đã đề cập ở trên, các chương trình điều khiển máy NC được ghi trên băng đục

lỗ, phim, băng từ, đĩa mềm, đĩa CD, đĩa cứng,…, nên máy NC có khả năng thay đổi chươngtrình điều khiển một cách linh hoạt, nhanh chóng và thuận tiện và không phải tháo ráp, thayđổi các “chương trình cứng” như cam, mẫu chép hình như trong máy tự động Thời gianchuẩn bị chương trình cho máy NC nhanh chóng và đơn giản, không tốn nhiều chi phí vàthời gian như việc chuẩn bị như việc lập trình “cứng” Tuy nhiên, cũng chính vì công việcđiều khiển thuận tiện, đơn giản đối với con người mà cấu trúc của máy NC càng trở nênphức tạp hơn so với các máy công cụ vạn năng thông thường và máy tự động Điều này làmgiá thành của máy NC rất cao so với các loại máy công cụ vạn năng và tự động

Việc sử dụng máy NC rất hiệu quả nếu số lượng chi tiết vừa phải và các mẫu mã chitiết thường xuyên thay đổi Máy NC thích hợp cho các loại chi tiết từ đơn giản đến phức tạp.Máy NC rõ ràng có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại máy khác Tuy nhiên, để lựachọn nó, vấn đề tính kinh tế phải được đem ra xem xét

Hình 9 2 – Tổn phí gia công trên máy NC và máy tự động

Hình trên cho thấy giá thành chế tạo một chi tiết của máy NC sẽ cao hơn giá thànhcủa máy tự động nếu tổng số chi tiết dự kiến được gia công trên máy lớn hơn giá trị N; tạiđiểm N giá thành này của cả hai loại máy này bằng nhau và giá thành đó của máy NC thấp

hơn nếu tổng số lượng chi tiết nhỏ hơn N Chi phí ban đầu a trên hình của một máy tự động

xét đến việc ngừng để điều chỉnh máy, thay đổi các cơ cấu điều khiển “cứng”

Tóm lại, trong khi máy tự động thích hợp với việc sản suất chuyên dùng một hoặcmột vài chi tiết với số lượng lớn hàng loạt và hàng khối, thì máy NC thích hợp cho việc sảnsuất đa dạng các loại chi tiết với số lượng nhỏ hơn nếu xét về hiệu quả kinh tế

9.2.1 Đặc điểm về cấu trúc:

Máy NC cũng là máy gia công kim loại nên cấu trúc của máy NC về cơ bản cũnggiống như các máy công cụ truyền thống Điều này có nghĩa là máy NC cũng thực hiệnnguyên lý cắt với hai chuyển động tương đối giữa dao và phôi.Điểm khác biệt ở chỗ hệthống điều khiển và cách thức điều khiển của chúng khác nhau

Hình 9.3 thể hiện sự khác biệt giữa máy công cụ thông thường (a,b) và máy NC (c,d).

Máy tự độngMáy NC

Hình 9 3 – Sự khác biệt giữa máy NC và máy công cụ truyền thống

 Máy công cụ truyền thống

Người công nhân phải điều khiển trực tiếp bằng tay để điều khiển toàn bộ các quá

trình hoạt động của máy hoặc phải gián tiếp thông qua bộ điều khiển ( Hình 9.3a) để đo

lường điều chỉnh máy trước khi gia công Như vậy ở máy vạn năng, thông qua bản vẽ chitiết, người công nhân tự lập ra toàn bộ quá trình hoạt động gia công của máy và trực tiếpđiều khiển Do đó chất lượng chi tiết gia công phụ thuộc nhiều vào tay nghề của người côngnhân thông qua việc đo lường và kiểm tra, hiệu chỉnh

 Máy NC

Khác với máy công cụ truyền thống, người điều khiển máy NC không phải tác độngnhiều đến máy; công việc của người điều khiển đơn giản chỉ là khởi động các hoạt động banđầu Máy NC có thể tự động định vị và hiệu chỉnh các giá trị ban đầu thông qua các câulệnh trong chương trình điều khiển đã được mã hóa bằng băng đục lỗ, băng từ hay bằng đĩa

mềm, đĩa cứng nhờ vào máy tính (Hình 9.3b) được xử lý bởi bộ điều khiển Nhờ vào các

chương trình số điều khiển toàn bộ quá trình đã được lập sẵn với các câu lệnh điều khiển vị

Người điều khiển Bộ điều khiển

b)

Máy truyền thống

Dữ liệu vào, các yêu cầu

Chương trình, câu lệnh điều khiển

trí, vận tốc, lượng di động, mà trong suốt quá trình gia công người điều khiển không phảican thiệp vào đến các hoạt động của máy.

 Ưu nhược điểm của máy NC

 Giúp tăng khả năng tự động hóa quá trình sản xuất Cácmáy NC dễ dàng có thể liên kết với nhau để tạo thành trungtâm gia công;

 Giá thành của máy NC cao;

 Người lập trình máy NC có kiến thức cơ bản về máy NC vàngôn ngữ lập trình

Về nguyên tắc máy NC có thể phân loại theo chức năng như máy truyền thống: Máytiện NC, máy khoan – Doa NC, máy phay NC

Ngoài ra, máy NC có thể phân loại theo đặc điểm chuyển động của dao cắt: Máy NC

có dao cắt đứng yên, máy NC có dao cắt quay

9.2.3 Máy tiện NC

9.2.3.1. Đặc điểm chung

Là loại máy có số lượng nhiều nhất và đa dạng nhất trong các loại máy NC Hầu hếtmáy tiện NC đều sử dụng hộp tốc độ tự động với động cơ điện một chiều, ly hợp điện từ,nên xích truyền động ngắn và có thể tự thay đổi vận tốc cắt trong thời gian gia công

9.2.3.2. Máy tiện NC 16K20T1

 Đặc tính kỹ thuật:

- Đường kính lớn nhất có thể gia công:

- Chiều dài đường kính lớn nhất có thể gia công: l = 900 mm

- Lượng di động bàn máy trên một xung dọc: s 1n = 0,01 mm

- Lượng di động bàn máy trên một xung ngang: s 2n = 0,005 mm

Hình 9 4 – Máy 16K20T1

Máy khoan-doa NC phát triển với nhiều dạng khác nhau:

- Máy khoan: có thể là máy khoan đứng, khoan cần, khoan revolver, khoan nhiềutrục,…;

- Máy doa: có thể là máy doa ngang, doa tọa độ, doa giường;

- Trung tâm gia công: với sự tổ hợp của máy khoan-doa, hoặc khoan-doa-phay vớinhững cơ cấu cấp dao tự động

Với việc sử dụng máy khoan-doa NC, năng suất lao động tăng lên từ 1,5÷2 lần Vànếu sử dụng thêm cơ cấu thay dao tự động, năng suất có thể tăng lên từ 3÷4 lần

9.2.4.2. Máy khoan đứng NC 2P135∅2

 Đặc tính kỹ thuật

- Đường kính lớn nhất của dao phay: ∅100 mm

- Lượng di động lớn nhất của đầu revolver: 560 mm

- 18 cấp lượng chạy dao theo trục Z: s = 10÷500 mm/ph

- Lượng chạy dao nhanh theo trục X’, Y’: 3800 mm/ph

Hình 9 6 –Máy khoan đứng NC 2P135∅2

9.2.5 Máy phay NC

9.2.5.1. Đặc điểm

Máy phay NC được sử dụng rộng rãi để gia công các dạng mặt phẳng và chi tiết cóhình dạng phức tạp như mặt bích, tấm chắn, thân, hộp, giá đỡ, cam, mẫu,…với nhiều mặt,nhiều lỗ, nhiều góc độ khác nhau Nó có thể phay, khoan, khoét, doa cũng như cắt ren bằngtaro

So với máy phay truyền thống máy phay NC có những ưu điểm sau:

- Năng suất gia công cao hơn gấp 3 lần

- Rút ngắn được chu kì gia công và thời gian chuẩn bị sản xuất

- Giảm các công việc phải làm bằng tay, đặc biệt trong những công việc tinh xác

9.2.5.2. Máy phay UWF802M

 Tốc độ chạy dao vô cấp của bàn máy trượt đứng: 2÷1600

Hình 9 7 – Máy phay UWF802M

9.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY CNC

9.3.1 Đặc điểm chung

Là hệ thống máy công cụ điều khiển theo chương trình viết bằng mã ký tự số, chữ cái

và các ký tự chuyên dụng khác, trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lý µP

(microprocessor) làm việc với các chu kỳ thời gian từ 1 đến 20 µs và các bộ nhớ tối thiểu 4

kbyte, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình điều khiển số như: tính toán tọa

độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái của máy, tính toáncác giá trị chỉnh lý dao cụ, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính

và phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị cần thực,…

Ưu điểm của máy CNC:

- So với các máy công cụ điều khiển tay, kết quả làm việc của máy CNC khôngphụ thuộc vào tay nghề thuần thục của người điều khiển Người điều khiền máy chủ yếuđóng vai trò theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

- So với các máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (dùng cam, dưỡng, cữchặn, trục gài bi, công tắc hành trình,…), máy CNC có tính linh hoạt cao trong công việclập trình, tiết kiệm được thời gian chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao ngay cả với loạt sảnphẩm nhỏ.

- Ưu điểm chỉ có trong máy CNC đó là phương thức làm việc với hệ thống xử lýthông tin “điện tử - số hóa”, cho phép nối ghép với hệ thống xử lý số trong phạm vi quản lýtoàn xí nghiệp, tạo điều kiện mở rộng tự động hóa toàn bộ quá trình sản xuất, ứng dụng các

kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ (LAN) hay mạng liên thôngtoàn cầu (WAN)

9.3.2 Phân loại máy CNC

Dựa vào đặc điểm gia công và hình dạng, CNC có thể phân thành 3 nhóm:

- Nhóm máy CNC phay – khoan – doa: có chuyển động chính là chuyển độngvòng của dao cắt, và hình dạng của nó tương tự như máy phay, khoan, doa ngang;

- Nhóm CNC tiện – khoan hoặc tiện – khoan – phay: với chuyển động chính làchuyển động vòng của phôi, và hình dạng gần giống máy tiện;

- Nhóm CNC đặc biệt: với việc sử dụng các dạng gia công khác nhau (trừ nguyêncông bào) và có hình dạng, kích thước cũng rất khác nhau

9.3.2.1. CNC phay – khoan – doa 6904BM∅2

Máy được trang bị bàn máy có thể quay và cơ cấu cấp dao tự động dùng để gia côngtổng hợp chi tiết có dạng hộp, kích thước trung bình từ bốn phía mà không cần lắp đặt lại.Máy có thể phay tinh và bán tinh với dao phay đĩa, dao phay mặt trụ, dao phay mặt đầu Nó

có thể khoan, khoét, doa và cắt ren bằng taro Máy thuộc loại có cấp chính xác cao Lỗ dao

có thể đạt cấp chính xác 6-7

 Đặc tính kỹ thuật

- Lượng chạy dao của bàn máy theo tọa độ X’, Y, Z’: 3,15÷2000 mm/ph

- Lượng chạy dao của bàn máy quay quanh trục B’: 3,15.10 ÷ 2,5 mm/ph

- Chuyển động nhanh của bàn máy theo tọa độ X’, Y, Z’: 4000 mm/ph

- Chuyển động nhanh của bàn máy quanh trục B’: 5 v/ph

Trục chính máy đặt nằm ngang theo dạng của máy doa ngang Trên bệ máy (1) lắp trụ (2) Trên sống trượt đứng của trụ máy đặt ụ trục chính (3), và nó có thể thực hiện lượng

chạy dao đứng theo tọa độ Y Ụ trục chính đặt ở phần dưới của trụ máy, và trục không cóchuyển động dọc trục, nên độ cứng vững của máy cao

Trên sống trượt của bệ máy đặt bàn máy chữ thập (4) có thể quay quanh trục thẳng

đứng B’ Bàn máy này thực hiện chạy dao dọc và ngang theo tọa độ X’ và Z’ Bên hông trụ

máy lắp cơ cấu cấp dao tự động với cơ cấu chứa dao (5) và tay máy (6).

Hình 9 8 – Hình dáng chung của máy CNC 6904BM∅2

1 – Bệ máy; 2 – Trụ máy; 3 – Ụ trục chính; 4 – Bàn máy chữ thập;

5 – Cơ cấu chứa dao; 6 – Tay máy

9.3.2.2. CNC tiện – khoan – phay Ikegai

Theo thống kê, hơn 70% chi tiết sau khi gia công trên máy tiện, cần phải gia côngtiếp trên một máy thứ 2 với các nguyên công: khoan, phay, cắt ren,…Do đó, cần loại CNC

có thể thực hiện tất cả các công việc này sau một lần kẹp phôi

CNC tiện – khoan – phay thường dùng hai đầu revolver: một đầu lắp các dao cắt cốđịnh, đầu thứ hai lắp các dao chuyển động khi gia công (khoan, phay) Loại này thườngdùng kiểu có mâm cặp và điều khiển theo ba tọa độ

Hình 9 9 – Bộ phận lắp dao và phôi của CNC tiện – khoan – phay Ikegai

1 – Ụ trước; 2 – Bàn trượt; 3 – Đầu dao đặc biệt; 4 – Đầu revolver lắp các dao quay khi qia

công; 5 – Đầu revolver lắp các dao cố định để tiện khoét lỗ.

Trung tâm gồm có ụ trước (1) đảm bảo quay và đi động trục chính theo chiều trục Trên bàn trượt (2) lắp đầu dao đặc biệt (3) Đầu dao này có thể quay và mang hai đầu

revolver ở hai phía; đầu revolver (4) lắp các dao quay khi gia công (khoan, phay, taro); đầu revolver (5) lắp các dao cố định để tiện, khoét lỗ.

Máy có thể di động theo tọa độ X, Z và quay theo tọa độ C’

9.3.2.3. CNC tổ hợp AOW

 Đặc tính kỹ thuật

- Lượng di động lớn nhất của đầu truyền lực đứng: 180 mm;

- Lượng di động lớn nhất của đầu truyền lực dọc: 180 mm;

- Lượng di động lớn nhất của đầu truyền lực đứng: ±135 mm;

Hình 9 10 – Hình dáng chung CNC tổ hợp AOW

1 – Bàn máy quay; 2 – Đầu truyền lực; 3 – Đầu truyền lực; 4 – Giá đỡ; 5 – Giá đỡ; 6 – Bàn

trượt; 7 – Bàn trượt; 8 – Cơ cấu cấp dao; 9 – Cơ cấu cấp dao;

10 – Cơ cấu khí ép; 11 – Cơ cấu khí ép.

Trên bàn máy quay (1) lắp phôi Ở hai mặt đối điện với phôi đặt hai đầu truyền lực (2) và (3) có thể lắp các loại dao khoan và phay khác nhau để thực hiện quy trình gia công.