Nghiên cứu Công nghệ gia công trên máy CNC

Một trong những hướng của tự động hoá sản xuất là sử dụng các máy điều khiển theo chương trình số. Các máy điều khiển số là điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những dự án tự động hoá linh hoạt (fexible automatization) trên từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ (CNC Machines), ở các trung tâm gia công đều khiển số (CNC Engineering Centre), hay việc ghép nối chúng thành một hệ thống tự động linh hoạt (flexible automatical Machine systyem), điều khiển liên thông bằng các máy điện toán ghép mạng. Vào những năm 50 của thế kỷ 20 máy điều khiển theo chương trình số ra đời sau khi chiếc máy tính điện tử ENIAC được đưa vào sử dụng. Ngày nay, máy điều khiển theo chương trình số CNC được phát triển mạnh mẽ, nhanh chóng cùng với sự phát triển của các ngành “ co – tin điện tử”. Sự tiến bộ của kỹ thuật vi điện tử đã tạo điều kiện nâng cao một cách đáng kể công năng của các hệ điều khiển số, những cụm vi xử lí trở thành bộ phận chíng yếu của thiết bị, giúp cho máy CNC khong ngững phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ chế tạo máy. Các máy điều khiển số CNC được sử dụng để chế tạo các chi tiết cơ khí, đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công nghiệp, quốc phòng. Các máy công cụ điều khiển số còn được dùng trong nghiên cứu khoa học, đào tạo cán bộ kỹ thuật, đào tạo nghề nhằm cung cấp nguồn nhân lực lao động sản xuất trong tương lại. Vì máy công cụ CNC có đặc tính ưu việt và nổi bật là nâng cao chính xác và năng suất gia công, gia công được các bề mặt của chi tiết phức tạp sản xuất. Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập trình, môi trường cho máy CNC lớn hơn nhiều lần so với máy thông thường. Vấn đề cấp thiết ở nước ta là phải sử dụng và khai thác các loại máy CNC đã được đầu tư với hiệu quả cao nhất, đồng thời phải tổng kết kinh nghiệm khai thác và sử dụng loại máy hiện đại này trong sản xuất để tìm ra những giải pháp hữu hiệu hơn. Với xu hướng đổi mới công nghệ hiện nay, nhiều cơ sở côgn nghiệp, viện nghiên cứu, trường học đã nhập các thiết bị điều khiển số dùng trong sản xuất và nghiên cứu. Để góp phần trong vịêc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ gia công trên máy công cụ CNC ở nước ta hiện nay thì đề tài “ Nghiên cứu Công nghệ gia công trên máy CNC” là cần thiết, bởi vì nó quyết định đến hiệu quả của việc đầu tư hay không đầu tư, năng suất và chất lượng, giá thành. Đặc biệt là công việc chuẩn bị nhân lực kỹ thuật để tiếp nhận chuểyn giao công nghệ, vận hành máy và bảo trì kỹ thuật trong quá trình sử dụng máy.

Lời nói đầu

Một trong những hớng của tự động hoá sản xuất là sử dụng các máy điều khiển theo chơng trình số Các máy điều khiển số là điều kiện kỹ thuật cơ bản

để thực hiện những dự án tự động hoá linh hoạt (fexible automatization) trên từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ (CNC Machines), ở các trung tâm gia công đều khiển số (CNC Engineering Centre), hay việc ghép nối chúng thành một hệ thống tự động linh hoạt (flexible automatical Machine systyem), điều khiển liên thông bằng các máy điện toán ghép mạng

Vào những năm 50 của thế kỷ 20 máy điều khiển theo chơng trình số ra

đời sau khi chiếc máy tính điện tử ENIAC đợc đa vào sử dụng Ngày nay, máy

điều khiển theo chơng trình số CNC đợc phát triển mạnh mẽ, nhanh chóng cùng với sự phát triển của các ngành “ co – tin - điện tử” Sự tiến bộ của kỹ thuật vi điện tử đã tạo điều kiện nâng cao một cách đáng kể công năng của các

hệ điều khiển số, những cụm vi xử lí trở thành bộ phận chíng yếu của thiết bị, giúp cho máy CNC khong ngững phát triển và đợc ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ chế tạo máy

Các máy điều khiển số CNC đợc sử dụng để chế tạo các chi tiết cơ khí,

đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công nghiệp, quốc phòng Các máy công cụ điều khiển số còn đợc dùng trong nghiên cứu khoa học, đào tạo cán bộ kỹ thuật, đào tạo nghề nhằm cung cấp nguồn nhân lực lao động sản xuất trong tơng lại Vì máy công cụ CNC có đặc tính u việt

và nổi bật là nâng cao chính xác và năng suất gia công, gia công đợc các bề mặt của chi tiết phức tạp sản xuất Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập trình, môi trờng cho máy CNC lớn hơn nhiều lần so với máy thông thờng.Vấn đề cấp thiết ở nớc ta là phải sử dụng và khai thác các loại máy CNC

đã đợc đầu t với hiệu quả cao nhất, đồng thời phải tổng kết kinh nghiệm khai thác và sử dụng loại máy hiện đại này trong sản xuất để tìm ra những giải pháp hữu hiệu hơn

Với xu hớng đổi mới công nghệ hiện nay, nhiều cơ sở côgn nghiệp, viện nghiên cứu, trờng học đã nhập các thiết bị điều khiển số dùng trong sản xuất

và nghiên cứu Để góp phần trong vịêc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ gia công trên máy công cụ CNC ở nớc ta hiện nay thì đề tài “ Nghiên cứu Công nghệ gia công trên máy CNC” là cần thiết, bởi vì nó quyết định đến hiệu quả

của việc đầu t hay không đầu t, năng suất và chất lợng, giá thành Đặc biệt là công việc chuẩn bị nhân lực kỹ thuật để tiếp nhận chuểyn giao công nghệ, vận hành máy và bảo trì kỹ thuật trong quá trình sử dụng máy

Em xin chân thành cảm ơn GS TS Trần Văn Địch và các thầy, cô trong khoa Cơ khí Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn thành bản luận văn này

Cảm ơn các thầy, cô trong hội đồng đã cho ý kiến và xét duyệt

Hà nội, ngày tháng năm 2007

Ngời thực hiện

Nguyễn Văn Nguyên

Chơng I Tổng quan về công nghệ gia công trên máy CNC

1.1 Bản chất của điều khiển số

Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số CNC (Computerrized Numerical Cotrol) là máy đợc điều khiển thao chơng trình viết bằng mã kí tự số

Quá trình gia công trên máy công cụ, chi tiết và dụng cụ cắt thực hiện các chuyển động tơng đối với nhau Những chuyển động tơng đối này đợc lặp lại nhiều lần khi gia công mõi chi tiết gọi là gia công Mỗi chu kỳ gia công ta phải xác định đại lợng và thứ tự của hành trình, phần đại lợng gọi là phần kích thớc hay phần hình học, phần thứ tự của hành trình, phần đại lợng gọi là phần kích thớc hay phần hình học, phần thức tự gọi là phần điều khiển Chơng trình làm việc của một máy tự động cần có thông tin về kích thớc (xác định hành trình của chu kỳ); về điều khiển (xác định thứ tự của hành trình theo thời gian)

Các hệ thống điều khiển máy công cụ đợc chia ra hai loại:

- Điều khiển không theo số (điều khiển truyền thống)

- Điều khiển số

1.1.1 điều khiển không theo số

a Hệ thống điều khiển theo Cam

Hệ thống điều khiển này hành trình L

đợc xác định theo công thức:

L = S0.K (1)

So : Là khoảng nâng Pròile của Cam (mm)

K: Tỷ số truyền trung gian (K = L2/L1)

b Hệ thống điều khiển theo quãng đờng

Đại lợng hành trình của cơ cấu chấp

hành đợc giới hạn bởi hai bộ chuyển

di chuyển của cơ cấu chấp

hành về bên trái hay phía trớc,

KBH giới hạn về bên phải hay

phía sau Đại lợng hành trình

l đợc xác định nh sau:

L = b – a = b1 + b2 – a2 +a1

b1 , b2 , a2 ,a1 : Là toạ độc của các chốt và các bộ truyền hành trình (mm)

c.Hệ thống điều khiển theo thời gian

Trong hệ thống này, cơ cấu chấp hành đợc điều khiển bằng bộ điều khiển hình cái trống, trên đó có một số đờng rãnh nhất định Trên các đờng rãnh có gá các cam Các cam này đợc lắp với các cữ hành trình (bộ chuyển hành trình) Cữ hành trình điều khiển mỗi chu kỳ gia công theo các lệnh điều khiển

“ dịch chuyển về bên trái” theo cữ KBH hoặc “ dịch chyển về bên phải” theo cữ KBK Chiều dài hành trình đợc xác định theo công thức:

360

V – Tốc độ trung bình của cơ cấu chấp hành

Hình 1.3 Sơ đồ điều klhiển theo thời gian

b 1 2

b

2

a

b a

2 a

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển theo quãng đờng

α1

KBH KBH

d Hệ thống điều khiển theo chu kỳ.

Hệ thống điều khiển này alf tổng hợp của hệ thống điều khiển theo quãng

đờng và theo thời gian.Đại lợng hành trình đợc xác định bằng lợng hành trình hoặc bởi bộ điều khiển tác động vào rơ le “ tiến” thì cơ cấu chấp hành dịch chuyển về phía trớc, khi tác động vào rơle “ lùi” thì cơ cấu chấp hành dịch chuyển về phía sau (về bên phải) Bộ điều khiển chỉ tác động vào rơle “ tiến” không làm việc Rơ le tiến chỉ hoạt động khi cơ cấu chấp hành chạm vào cữ KBH, lúc đó chu kỳ đợc lặp lại

Các hệ thống điều khiển trên đây khác nhau nhng đại lợng hành trình lại

đợc điều khiển giống nhau (liên tục) - điều khiển khong theo chơng trình số

Hình 1.4 Sơ đồ điều khiển theo chu kì

1.1.2 Điều khiển số

điều khiển số là hệ thống điêu fkhiển mà mỗi hành trình đợc điều khểin theo số Một thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của cơ cấu chấp hành.Đại lợng này gọi là gái trị xung của hệ thống Cơ cấu chấp hành có thể dịch chuyển với một đại lợng bất kỳ ứng với các giá trị xung Nh vậy khi biết các gí trị xung q và đại lợng dịch chuyển L của cơ cấu chấp hành, có thể xác định số lợng xung N cần thiết tác động để có lợng dịch chuyển L:

Lùi Tiến

L = q.N (1.3)

Số lợng xung N đợc ghi trên kênh thôngtin gọi là một chơng trình xác

định đại lợng thông tin kích thớc Các thông tin đợc ghi trên băng đục lỗ hoặc băng từ, đĩa từ, đĩa compact, số lợngt hông tin đợc ghi trong một hệ thống mã hoá nhất định

1.1.3 Mã hoá thông tin

Giao diện giữa ngời và máy bằng ột ngôn ngữ mà máy có thể hiểu đợc Máy đọc đợc chơng trình do con ngời ghi và thực hiện theo chơng trình đó Khi có sự cố về cơ cấu điều khiển số, chơng trình có sai sót thì điều khiển số

sẽ truyền thông tin vê fnguyên nhân gây ngừng hoạt động

a Chữ cái

Chữ cái của mã số là tập hợp các kí hiệu đợc dùng mã hoá Các phần tử mới hiện nay của tự động hoá chỉ có hai trạng thái ổn định: Công tắc kín hoặc công tắc hở, trong mạnh của băng đục lỗ có thể hoặc không có lỗ vv một …trạng thái ứng với kí hiệu “1” (cấp dòng năng lợng), còn trạng thái khác ứng với kí hiệu “0” (ngắt dòng năng lợng) Vì vậy chữ cái của mã số chỉ chữa hai

kí hiệu 0 và 1

b Mã thập phân

Cơ sở của hệ thập phân (mã thập phân) là 10 hệ thống này có 10 lí tự số: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 theo hệ thập phân thì số 5906, 38 đợc viết nh sau:

5.103 + 9.103 + 0.101 + 6.100 + 3.10-1+ 8.10-2

vị trí đầu tiên bên trái dấu phẩy ứng với mũ số 0, từ vỉtí này về bên trái dấu phẩy các số mũ luỹ thừa tăng dần Từ bên phải dấu phẩy các số mũ luỹ thừa giảm dần -1, -2, -3 v.v Mã thập phân chứa đợc nhiều dung lợng nhng phức tạp khi tính toán

kỳ một số trong hệ nhị phân đều là tổng của nhêìu số mà các số hạng của nó

là số 2 với các cấp mũ khác nhau.Các số trong hệ nhị phân là tổ hợp của chữ

số o và số 1 Để chuyển số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân phải giải chia tuần tự số thập phân cho 2 nh ví dụ số 45 sau đây

1.1.4 Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số CNC

Là máy công cụ đợc điều khiển theo chơng trình viết bằng mã kí tự số, chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lý àP (mico processor) làm việc với các chu kì thời gian từ 1 đến

20àm và có bộ nhớ tối thiểu 4Kbyte, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chơng trình điều khiển số nh: tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thá của máy, tính toán các giá trị chính lý dao cụ, tính toán nọi suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng, thực hiện so

sánh các cặp giá trị cần và giá trị thực Hình 1.5 là sơ đồ nguyê lý hoạt động…của máy gia công CNC.

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia công CNC

1.1.4.1 Hệ thống điều khiển NC

hệ thống NC đầu tiên ra đời do nhu cầu chế tạo các chi tiết phức tạp với

số lợng ót Trong hệ thống NC các thông số hình học của chi tiết và các lệnh

điều khiển máy đợc cho dới dạng dãy các con số

a Đa dữ liệu vào hệ thống

In put

Hệ thống đo toạ độ vị trí công suất

( băng từ, đĩa từ)

Lưu trữ

CAM

CAD Vật mang tin

Lập trình ( Công nghệ, KT mã hía theo hệ nhị phân)

Bản vẽ chi tiết

Toàn bộ các chỉ dẫn gia công đợc in vào băng đục lỗ dới dạng các câu lệnh của chơng trình Mỗi câu lệnh đợc đọc trong hệ thống điều khiển NC,

đồng thời đa vào các bộ phận hiệu chỉnh dụng cụ cần thiết và xê dịch các

điểm (0)

b Xử lý dữ liệu và đa dữ liệu ra.

Các thông tin đa vào hệ thống điều khiển đợc mã hoá và tách thầnh thông tin hình học và thong tin công nghệ (hình 1.5) Các thông tin hình học dịch chuyển dụng cụ Các thông tin công nghệ điều khiển các chức năng vận hành

m áy

Để dụng cụ hoặc hci tiết gia công chuyển động, hệ thống điều khiển phát tín hiệu điện qua Cụm khuyếch đại đến động cơ chạy dao của máy Mỗi một bàn trợt của máy có trang bị một hệ thống dò dịch chuyển để xác định vị trí của bàn trợt và báo cho thiết bị so sánh giá trị thực với gia trị đã cho trong bộ

so sánh của hệ thống điều khiển (hình 1.5) Khi giá trị thực khác với giá trị đã cho của hệ thống điều khiển, sai lệch này sẽ đợc biến đổi thành các tác động

điều khiển cụm chạy dao Khi sai lệch điều khiển bằng 0 tức là đã đạt đợc vị trí đã cho, động cơ chạy dao sẽ dừng Chu trình điều khiển tốc độ cũng dựa trên cơ sở của chu trình điều khiển vị trí Số vòng quay thực đợc xác định nhờ máy phát đo tốc độ lắp trong động cơ chạy dao

Hình 1.6 Chu trình điều khiển trong các hệ điều khiển NC

c Bộ thích nghi

Các thông tin hình học và thông tin công nghệ chuyển qua bộ thích nghi

Bộ thích nghi có chức năng nh một xích nối giữa máy CNC và hệ thống điều khiển, kết nối các lệnh điều khiển CNC với các thông báo từ máy trở lại Chúng có chức năng chính nh là các chuyển đổi liên động, cho khả năng tránh

đợc việc thực hiện các lệnh không hợp lý Ví dụ: Khi mâm cặp của máy tiện cha kẹp chặt bộ thích nghi không phát lệnh chạy dao mặc dù hệ thống điều…khiển có phát lệnh dịch chuyển

1.1.4.2 Hệ thống điều khiển CNC

Điều khiển NC có nhợc điểm là kém linh hoạt, tốn thời gian trong việc thay đổi chơng trình vì phải sửa lại các băng đục lỗ Ngày nay hệ htống điều khiển NC đợc thay thế rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC (hình 1.7)

Đặc điểm điều khiển này có chơng trình hẹệ thống CNC do nàh máy tính Trong các hệ thống tính Thông qua các phần mềm riêng lẻ, ví dụ: Chơng trình giải mã và hệ điều hành chơng trình mà các chức năng CNC riêng lẻ đợc thực hiện

a Đa dữ liệu vào hệ thống

Hệ thống đo dịch chuyển

điều khiển

và cho trước

trị số thực

So sánh Trang bị điều khiển

Trong hệ thống NC thông thờng chơng trình gia công làm chỉ một lần trên băng đục lỗ và nằm trong bộ phân lu giữ chơng trình Hệ thống điều khiển CNC, chơng trình gia công có thể đa vào trong hệ thống điều khiển thông qua bảng điều khiển của hệ điều khiển số khi lập trình.

b Xử lý dữ liệu và đa dữ liệu ra.

Chơng trình gia công đã đợc đa vào có thể gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ hận

lu giữ chơng trình gia công Vịêc sửa chữa, thay đổi và tối u một chơng trình

có thể tiến hành bất kỳ lúc nào ngay tại máy

Việc kiểm tra tính toán nhận biết mã và tách ra thành các dữ liệu công nghệ là do chơng trình giải mã đảm nhiệm Chơng trình điều hành đối với bộ chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫm các chơng trình con và nọi dung các chơng trình gia công đang có trong bộ lu giữ chơn trình

Điều khiển CNC hiện đại có một màn hình đồ hoạ, mô phỏng động học quá trình cắt gọt Nhờ bàn phím và giao diện trực tiếp với hệ thống điều khiển cho phép đa chơng trình vào một cách nhanh chóng và tránh đợc các sai sót

Hình 1.7 Các dòng thông tin trong điều khiển CNC

c bộ thích nghi

Bộ thích nghi trong hệ điều khiển NC thông thờng là một bộ chuyển đổi liên động.Trong hệ điều khiển CNC bộ chuyển đổi liên động đợc thay thế bằng bộ điều khiển chơng trình lữu giữ, bộ điều khiển này đợc nối với máy tính Một chơng trình có trong ổ chứa của bộ điều khiển chơng trình đã đợc lu

màn hình đưa dữ liệu vàoIn chương trình

Chương trình vào/raChương trình giải mã

Chương trình điều hành bộ lưu giữ

chương trìnhChương trình inChương trình nội suyLưu giữ chương trình

Bộ khuyếch đại các thông tin dịch chuyển và điều khiển máy

Điều khiển thích nghi

Máy CNC

Chương trìnhgia côngNC

giữ sẽ theo dõi và ghép nối chức năng vận hành máy đến từ hệ điều khiển CNC và máy.

d Sơ đồ hệ điều khiển CNC

Các hệ điều khiển CNC hiện nay đợc cấu tạo để khi mở rộng hệ điểu khiển có thể bổ sung thêm cho các chức năng đã có các mô đun mở rộng Vì vậy các hệ điều khiển đợc thiết kế thích hợp cho việc lắp vào phần mềm hoặc

sử dụng các linh kiện điện tử hiện đại thích hợp Trong các hệ điều khiển nhiều bộ vi xử lý thờng sử dụng cả phần cứng lẫn phần mềm

đợc gọi ra trên màn hình.Các hệ thống DNC có các u điểm sau:

- Có một ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tun của chơng trình, của chi tiết gia công và dụng cụ

- Truyền dữ liệu nhanh, tin cậy, phát huy tốt hiệu quả của các máy CNC

- Điều khiển và lập kế hoạch gia công

- Có khả năng ghép nối vào hệ thống gia công linh hoạt,

1.1.4.4 Điều khiển thích nghi AC(Adaptve Control)

Điều khiển thích nghi AC là điều khiển tự động quá trình gia công không

có tác động của ngời vận hành máy Nhằm tự động quá trình gia công theo

ảnh hởng khong thể dự kiến trớc trong quá trình gia công ví dụ: Kích thớc phôi thay đổi thì điều khiển thích nghi sẽ thay đổi tốc độ chạy dao cho phù hợp Tuỳ theo mục tiêu sử dụng ngời ta phân chia các hệ thống điều khiển thích nghi thành:

- Điều khiển thích nghi cỡng bức ACO (Adaptive Control Constria)

- Điều khiển thích nghi tối u ACO (Adptive Control Optimation)

ACC dùng để điều khiển giới hạn của các thông số cắt gọt ví dụ: Khi tiện côn, chiều sâu cắt gọt thay đổi do vậy lợng chạy dao và số vòng quay của dao phải đợc điều khiển sao đảm bảo công suất cắt tối đa cho phép

Hình 1.9 Hệ thống DNCACO dùng cho việc tối u hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công hoặc giảm giá thành gia công có chú ý đến hiều yếu tố ảnh hởng ngợc nhau (công suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt) Hiện nay ccs

hệ thống ACO ứng dụng nhiều trong gia công bằng mài và gia công bằng tia lửa điện

Các chức năng

mở rộng

Lưu dữ liệu phân xưởng Theo dõi các máy

Điều khiển gia công

Hệ thống vận chuyển

Lưu giữ

Điều hành chương trình

Thực hiện Chương trình