NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP NÂNG cấp hệ dẫn ĐỘNG CHẠY DAO và TÍCH hợp hệ THỐNG điều KHIỂN CNC CHO máy TIỆN NC DFS2000

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ DẪN ĐỘNG CHẠY DAO VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY TIỆN NC DFS2000 ANALYZING SOLUTIONS FOR UPGRADING FEED DRIVES AND INTEGRATING A CNC CONTR

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ DẪN ĐỘNG CHẠY DAO VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY TIỆN NC DFS2000

ANALYZING SOLUTIONS FOR UPGRADING FEED DRIVES AND INTEGRATING

A CNC CONTROLLER FOR NC DFS2000 LATHE

Bùi Tuấn Anh

Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

anh.buituan@hust.edu.vn

TÓM TẮT

Máy tiện điều khiển số NC DFS2000 được đưa vào nghiên cứu, vận hành tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội từ cuối những năm 1970 Tốc độ trục chính thay đổi trong phạm vi

từ 22,4 - 2000 vg/phút thông qua một hộp tốc độ Các chuyển động chạy dao theo phương X

và Z được dẫn động bởi các động cơ thủy lực Hệ thống điều khiển của máy có khả năng biên dịch các chương trình thông qua băng giấy đục lỗ Bài viết này trình bày nghiên cứu giải pháp nâng cấp hệ dẫn động chạy dao đáp ứng yêu cầu điều khiển vô cấp, có khả năng được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC hiện đại; nghiên cứu tích hợp bộ điều khiển CNC thay thế bộ điều khiển NC

Từ khóa: máy tiện NC DFS2000, dẫn động chạy dao, điều khiển số

ABSTRACT

The lathe NC DFS2000 was used and studied at Hanoi University of Science and Technology since the late 1970s The spindle speed is changed in a range from 22.4 to 2000 rpm through a gear box The toolpath motion in the X and Z are driven by hydraulic motors The control system of the machine has the ability to compile programs through perforated paper tape This article presents analysis of solutions of drivetrain upgrades to meet the requirements of stepless control, it is able to be controlled by a modern CNC controller; Intergrating a CNC controller as an alternative of NC controller

Keywords: NC DFS2000 lathe, feed drives, numerical Control

1 GIỚI THIỆU

Máy tiện NC DFS2000 là dạng máy điều khiển số cỡ lớn, thế hệ cũ, máy có kích thước khoảng 1,45 x 4,5 m tương ứng theo chiều cao và chiều dài Khả năng gia công của máy với các chi tiết có chiều dài lên tới 2 m, đường kính phôi lớn nhất 400 mm Hình 1 mô tả sơ đồ tổng thể máy tiện NC DFS2000, bao gồm các bộ phận chính như tủ điện điều khiển (1), hộp tốc độ (2), bộ phận điều chỉnh tốc độ (3), bảng điều khiển (6) Tốc độ trục chính thay đổi theo các cấp thông qua hộp tốc độ như các máy tiện vạn năng thông thường Các động cơ thủy lực đóng vai trò động cơ dẫn động chạy dao, có khả năng tạo ra chuyển động vô cấp cho các trục

X và Z Hệ điều khiển số NC thế hệ cũ với khả năng biên dịch chương trình điều khiển trên vật mang tin là băng giấy đục lỗ, hệ thống này cũng tích hợp bộ phận lập trình với giao tiếp người - máy phức tạp, lạc hậu nên chỉ có thể viết các chương trình đơn giản Ngoài ra, hệ thống chứa dao dạng đầu revolve có khả năng chứa 8 dao cũng được tích hợp trên máy, mở rộng khả năng gia công trên máy

Control panel

Electric

Box

1

2

3 4

5

6

7

8

9

1520 730

2250

800

Hình 1 Sơ đồ tổng thể máy tiện NC DFS2000

Hệ thống thủy lực tích hợp trên máy thực hiện điều khiển cơ cấu gá kẹp phôi bao gồm ụ chống tâm và mâm cặp 3 chấu và các động cơ chạy dao Tốc độ trục chính được thay đổi thông qua các tay gạt điều khiển trong phạm vi từ 22,4 – 2000 vg/ph

Bảng 1 mô tả việc thay đổi tốc độ trục chính trong các vùng gạt khác nhau Có thể thấy rằng một số tốc độ trục chính bị trùng trong các vùng gạt khác nhau, nên thực tế hộp tốc độ chỉ tạo ra được 15 tốc độ trục chính khác nhau

Bảng 1 Tốc độ trục chính máy tiện NC DFS2000 Vùng

I 22,4 31,5 45 63 90 125 180 250

III 90 125 180 250 355 500 710 1000

IV 180 250 355 500 710 1000 1400 2000

Thông qua việc phân tích thực trạng máy tiện điều khiển số NC DFS2000, có thể thấy rằng cần thiết phải đưa ra một số giải pháp nâng cấp, thay thế các bộ phận hỏng, lạc hậu, không phù hợp với máy điều khiển số hiện đại Thật vậy, hệ thống dẫn động trục chính, dẫn động chạy dao và hệ điều khiển có thể được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhằm nâng cấp máy trở thành máy tiện điều khiển số CNC Ngoài ra, việc khảo sát máy cũng cho thấy, các bộ phận hộp tốc độ, động cơ trục chính, vít me - đai ốc bi dẫn động hai trục chạy dao Z và X vẫn trong trạng thái hoạt động được Do đó, các bộ phận này sẽ được xem xét tiếp tục sử dụng khi thực hiện các giải pháp thiết kế, nâng cấp máy Thật vậy, tác giả đề xuất giải pháp thiết kế, thay thế hệ dẫn động chạy dao vô cấp sử dụng động cơ servo có công suất tương ứng; giữ lại hoặc thay thế động cơ trục chính cùng hộp tốc độ của máy; tích hợp hệ thống điều khiển CNC hiện đại thay thế hệ điều khiển cũ không còn hoạt động Tuy nhiên, việc thiết kế, nâng cấp này cần phải đảm bảo nhiệm vụ của bộ điều khiển trong máy công cụ, đó là khởi động, dẫn dắt và kết thúc chính xác các chuyển động của máy như chuyển động trục chính, các chuyển động chạy dao; Biến đổi tốc độ, lực, mômen hay công suất trong các xích động theo yêu cầu điều khiển; Định vị chính xác các đối tượng chuyển động để đảm bảo độ chính xác tương quan giữa dao và phôi [1-4]

2 PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ DẪN ĐỘNG CHẠY DAO

Trên thực tế, một số bộ phận cơ khí quan trọng trong hệ dẫn động chạy dao bao gồm các vít me - đai ốc bi trên máy tiện NC DFS2000 vẫn trong trạng thái bình thường Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, nâng cấp hệ thống động lực chạy dao trong trường hợp này tập trung các bộ phận khác như động cơ dẫn động và bộ phận phản hồi tín hiệu điều khiển Nguyên tắc thiết kế là phải bảo đảm nhiệm vụ chính của hệ dẫn động chạy dao, bảo đảm mối tương quan giữa dao và chi tiết theo các quy luật xác định, phù hợp với chế độ cắt gọt được lựa chọn Truyền động chạy dao phải đảm bảo dịch chuyển của dụng cụ cắt chính xác theo quỹ đạo được thiết kế, đảm bảo yêu cầu về biên dạng và chất lượng gia công Hình 2 mô tả sơ đồ thiết

kế hệ dẫn động chạy dao trên máy tiện NC DFS2000, trong đó 1- Động cơ DC servo dẫn động chạy dao trục Z, 2- Bộ phận phản hồi tốc độ chạy dao trục Z, 3- Bộ phận phản hồi tốc độ chạy dao trục X, 4- Động cơ DC servo dẫn động chạy dao trục X, 5- Bộ phận phản hồi vị trí bàn dao theo trục X, 6- Bộ phận phản hồi vị trí bàn dao theo trục Z Hệ dẫn động chạy dao của máy CNC phải thỏa mãn yêu cầu khi đại lượng dẫn biến đổi bàn máy phải theo kịp biến đổi trong thời gian ngắn nhất Hơn nữa, nó cần có độ ổn định tốc độ quay cao trong trường hợp lực cản chạy dao biến đổi và hạn chế thấp nhất ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao Trường hợp chạy dao với tốc độ nhỏ nhất cũng đòi hỏi một tốc độ ổn định Đây là nhiệm vụ khi thiết kế, tính toán, lựa chọn phù hợp các bộ phận cấu thành hệ dẫn động chạy dao cho máy

1

4

6 2

5 3

Hình 2 Sơ đồ hệ dẫn động chạy dao máy tiện NC DFS2000

Hình 3 Cấu trúc đầu revonve và ụ động thủy lực trên máy tiện NC DFS2000

Việc thiết kế hệ dẫn động chạy dao của máy công cụ điều khiển số đòi hỏi phải có hệ thống điều khiển có khả năng điều khiển chính xác đồng thời cả tốc độ và vị trí các cơ cấu chấp hành Cùng với sự phát triển công nghiệp điện từ, động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ bằng biến tần ngày càng được ứng dụng rộng rãi, tuy nhiên động cơ DC Servo vẫn được lựa chọn và sử dụng phổ biến trong các máy công cụ điều khiển số Tín hiệu phản hồi là tốc độ quay trục động cơ hoặc vị trí góc trục Để đảm bảo chuyển động chính xác của bàn máy cũng như tốc độ trục chính, các giá trị này cần được phản hồi liên tục cho bộ phận điều khiển Đây cũng là nhiệm vụ tính toán, thiết kế hệ thống đo trên máy điều khiển số

Hình 3 mô tả cấu trúc đầu revonve và ụ động thủy lực trên máy tiện NC DFS2000 Các

bộ phận này được nghiên cứu, bảo dưỡng để tiếp tục sử dụng sử dụng Tuy nhiên, hệ thống thủy lực phục vụ ụ động thủy lực cần được thiết kế phù hợp với phương án thiết kế mới Hơn nữa, động cơ điện dẫn động đầu revonve điều khiển thông qua ly hợp điện từ và bộ phận định

vị đầu dao cũng cần nghiên cứu, cải tiến để sử dụng lại hoặc thiết kế, thay thế mới nhằm phù hợp với hệ thống điều khiển CNC

3 PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY TIỆN NC DFS2000

Hệ thống điều khiển hiện tại trên máy tiện NC DFS2000 bao gồm bảng điều khiển, tủ điều khiển và cũng tích hợp bộ phận lập trình với giao tiếp người - máy phức tạp Bộ điều khiển được thiết kế với khả năng biên dịch chương trình điều khiển trên vật mang tin là băng giấy đục lỗ Các bộ phận này không còn khả năng hoạt động và không phù hợp với hệ thống điều khiển CNC hiện đại Vì vậy, tác giả đề xuất nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển CNC thay thế bộ điều khiển lạc hậu này Hình 4 mô tả hệ thống điều khiển nguyên mẫu máy tiện NC DFS2000

Hình 4 Hệ thống điều khiển máy tiện NC DFS200

Hệ thống điều khiển được thiết kế để điều khiển các cơ cấu chấp hành theo các quy luật được quy định trong chương trình điều khiển Bộ điều khiển có nhiệm vụ biên dịch, giải mã

và phát tín hiệu điều khiển các động cơ tương ứng Bộ điều khiển máy CNC được xây dựng bao gồm phần cứng và phần mềm điều khiển Bộ phận phần cứng quan trọng phải kể đến chính là Card điều khiển, được thiết kế để điều khiển các động cơ, tiếp nhận tín hiệu phản hồi,… Ngoài ra, có nhiều phần mềm phục vụ cho việc thiết kế và tích hợp vào hệ thống điều khiển máy CNC Các phần mềm này được chia theo hai hướng là phần mềm thương mại hoặc phần mềm mã nguồn mở Phần mềm thương mại cung cấp cho người dùng đầy đủ các tính năng của phần mềm, với sự hướng dẫn và hỗ trợ kỹ thuật tin cậy từ hãng sản xuất, tuy nhiên

người dùng không thể sửa đổi, cải tiến và phát triển phần mềm Phần mềm mã nguồn mở được cung cấp dưới dạng mã nguồn, người sử dụng có thể phát triển, sửa đổi, cải tiến và nâng cấp theo các nguyên tắc chung Các phần mềm điều khiển của máy điều khiển số hiện đại được xây dựng trên môi trường Windows ngày càng được ứng dụng rộng rãi khi thiết kế bộ điều khiển máy phay cũng như máy tiện CNC, bao gồm Mill Master For Windows, Kcam,

NC Studio, Mach 3,… Mỗi phần mềm điều khiển đều có những đặc trưng riêng, thể hiện điểm mạnh cũng như những hạn chế của nó

Mach3Turn là phần mềm điều khiển số của hãng ArcSoft, được xây dựng trên nền hệ điều hành Windows phục vụ cho việc điều khiển hoạt động máy tiện điều khiển số Phần mềm

có giao diện trực quan, có thể tùy biến hoàn toàn theo ý người sử dụng, dễ dàng sử dụng với thao tác bằng chuột đơn giản Có thể dùng được với màn hình cảm ứng Ngoài các chức năng

cơ bản, phần mềm Mach3Turn còn cung cấp nhiều chức năng phụ khác tương tự như các phần mền điều khiển hoàn thiện chuyên nghiệp cho máy công cụ trong công nghiệp, như thiết lập đơn vị điều khiển (mm/inch), lựa chọn dụng cụ, lựa chọn chế độ cắt, lập chương trình, mô phỏng quá trình cắt gọt trước khi gia công, thiết lập điểm gốc và tính toàn, lựa chọn thông số cắt ren Mach 3 cho phép nhập mã lệnh G-code trực tiếp trong chương trình hay nhập tệp dữ liệu G-code được tạo ra từ các phần mềm CAM thông dụng [5] Do đó, Mach 3 là phần mềm điều khiển được tác giả đề xuất cho giải pháp về phần mềm điều khiển CNC, nâng cấp máy tiện NC DFS2000 Hình 5 mô tả giao diện phần mềm điều khiển Mach3turn khi thực hiện chương trình gia công, thể hiện trực quan các thông số mô tả quá trình cắt gọt, giúp người vận hành dễ dàng can thiệp xử lý sự cố hay điều chỉnh thông số cắt gọt phù hợp

Hình 5 Giao diện Mach3turn khi thực hiện chương trình gia công [6]

Trên cơ sở phân tích hệ thống động lực chạy dao và dẫn động trục chính, có thể thấy rằng hệ thống điều khiển có thể được thiết kế theo hai phương án: (1) trục chính được dẫn bởi động cơ xoay chiều 3 pha tích hợp sẵn thông qua hộp tốc độ, các chuyển động chạy dao được dẫn động bởi các động cơ servo độc lập, có tích hợp hệ thống đo; (2) sử dụng các động cơ servo để dẫn động trục chính và các chuyển động chạy dao Khi áp dụng phương án (1), có thể tận dụng tối đa các bộ phận cơ khí tích hợp sẵn trên máy khi nghiên cứu nâng cấp, tuy nhiên phương án này cũng gặp các khó khăn nhất định Thực vậy, số cấp tốc độ trục chính hữu hạn là một yếu tố gây khó khăn hơn khi chọn chế độ gia công phù hợp với các yêu cầu khác nhau, đặc biệt khi tiện ren thì người vận hành cần phải có kỹ năng lựa chọn thông số điều khiển phù hợp Trường hợp sử dụng phương án (2) làm phương án nâng cấp máy, khi đó

hệ điều khiển có nhiệm vụ điều khiển đồng thời các động cơ chạy dao và trục chính với tốc độ

vô cấp Việc điều khiển máy và lựa chọn các thông số trên phần mềm điều khiển Mach3Turn

sẽ dễ dàng được thực hiện, đặc biệt khi gia công ren với sự hỗ trợ lựa chọn các thông số ren một cách trực quan Tuy nhiên, phương án này sẽ làm tăng chi phí nâng cấp bao gồm việc thay thế động cơ 3 pha công suất lớn và hộp tốc độ của máy Hình 6 là sơ đồ điều khiển máy theo phương án này Sơ đồ điều khiển bao gồm các bộ phận chính như máy tính tích hợp card Mach 3 và phần mềm điều khiển Mach3Turn, bộ phận điều khiển các động cơ servo chạy dao,

bộ phận phản hồi tốc độ trục chính và vị trí dịch chuyển của dụng cụ cắt gọt

Máy tính tích hợp Card và phần mềm điều khiển Mach3

Điều khiển Đ/C Servo Z

Điều khiển Đ/C

Động cơ trục X

Động cơ trục Z

Trục chính

Điều chỉnh tốc độ

Hình 6 Sơ đồ điều khiển máy tiện NC DFS2000 theo phương án dùng hộp tốc độ (PA1)

Máy tính tích hợp Card và phần mềm điều khiển Mach3

Điều khiển Đ/C Servo Z

Điều khiển Đ/C Servo X

Điều khiển Đ/C trục chính

Động cơ trục X

Động cơ trục Z

Động cơ trục chính

Hình 7 Sơ đồ điều khiển máy tiện NC DFS2000 theo phương án dùng động cơ trục

chính vô cấp (PA2)

Hệ thống điều khiển theo phương án 2 với sơ đồ điều khiển được mô tả trên Hình 7 Theo đó, các bộ phận chính khác với phương án vẫn dùng hộp tốc độ đó là bộ phận điều khiển động cơ servo trục chính Các bộ phận khác bao gồm máy tính tích hợp phần mềm và card điều khiển, bộ phận phản hồi,… tương tự như phương án thiết kế 1

Hai phương án thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển CNC thay thế hệ thống điều khiển

NC cũ đã được tác giả nghiên cứu và đề xuất Giai đoạn đầu, tác giả sẽ triển khai phương án thiết kế 1 và đánh giá hiệu quả việc thiết kế, nâng cấp các bộ phận này Phương án 2 sẽ được triển khai trong giai đoạn hoàn thiện việc nâng cấp hoàn toàn máy tiện NC thành máy tiện CNC

4 KẾT LUẬN

Máy tiện NC DFS2000 là máy tiện điều khiển số thế hệ cũ, các bộ phận dẫn động chạy dao, trục chính và hệ thống điều khiển cần được thiết kế, nâng cấp, thay thế Bài viết tập trung phân tích thực trạng của máy, đưa ra giải pháp nâng cấp hệ dẫn động chạy dao và tích hợp hệ thống điều khiển CNC cho máy theo hai phương án: (1) giữ nguyên động cơ trục chính và hộp tốc độ, thiết kế, nâng cấp hệ dẫn động chạy dao và hệ thống điều khiển CNC; (2) thiết kế, nâng cấp và thay thế động cơ trục chính vô cấp, hệ thống dẫn động chạy dao vô cấp và tích hợp hệ thống điều khiển CNC mới phù hợp với trình độ khoa học, công nghệ đương đại nước

ta Các phân tích này là cơ sở triển khai việc phục hồi hoạt động và nâng cấp toàn diện máy tiện NC DFS2000 thành máy tiện CNC trong thời gian tới

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB KH&KT, 2001

[2] Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, NXB KH&KT, 2003

[3] Đặng Xuân Phương, Máy công cụ và phương pháp lập trình gia công, NXB Đại học Nha

Trang, 2011

[4] Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, and Ian Stroud, Theory and Design of CNC Systems: Springer-Verlag London, 2008

[5] http://www.machsupport.com/software/mach3/

Available: http://www.machsupport.com/software/mach3/

[6] Mach3Turn Available: http://www.micro-machine-shop.com/

THÔNG TIN TÁC GIẢ

Bùi Tuấn Anh Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Điện thoại: 0977.535.066